CN114935774A - 基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置 - Google Patents

基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置，其特征在于，包括：伪卫星基站模块，GNSS监测模块，InSAR系统，静力水准传感器，数据处理单元，与伪卫星基站模块、GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器相连，采集与处理InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据，本装置增加了可用星的数目，即附加增加了有效观测量，从而有利于定位求解；伪卫星高度角很低，且信号无需通过电离层，将这种低高度角伪卫星与GNSS组合定位能够有效地改善几何图形结构，提高定位精度，监测出绝对沉降量和塔筒倾斜度，满足实时安全监测的要求，增强了定位系统的可靠性。

Description

基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，具体是指一种基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置。
背景技术
随着对清洁可再生能源的日益需求以及陆上风电场可开发量的逐步减少，海上风电场的发展越来越快。在风电场建设和运营期间，气象和海浪情况对海上风电场的日常生产和运维有很大影响，同时极端天气也对风电场的安全生产有极大影响，大直径单桩基础作为我国沿海地区新兴的广泛使用的风电基础形式，尤其是建成使用的风场屈指可数，大直径单桩基础在工作荷载作用下的工作性状、受力变形特性以及与周围土体的相互作用等重要问题，目前并没有大量具体和有效的监测数据进行参考。
公开号为CN107386342A的中国发明公开了一种海上风电单桩基础桩监测装置，包括单桩、设于所述单桩的监测装置，所述监测装置包括：数据采集装置，用于采集监测数据并传输至陆上服务器；动态倾角仪，设于所述单桩的桩顶和风机顶部；振动加速度仪，设于所述单桩顶部的桩体内壁；倾角仪，多个所述倾角仪沿主风向分别布置在不同高程的塔筒或桩基内侧；土压力计与渗压计，沿主风向方向以配对的方式安装在所述单桩外壁上距离泥面的不同高程处。该监测装置只能得出塔筒的不均匀沉降及相应的沉降方位，无法监测出绝对沉降量和塔筒倾斜度，不能满足实时安全监测的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种能够监测出绝对沉降量和塔筒倾斜度，满足实时安全监测的基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置，包括：伪卫星基站模块，所述伪卫星基站中每一颗伪卫星根据卫星参数、伪卫星位置参考时延，进行空间定位，模拟卫星的卫星信号并发送模拟卫星信号；
GNSS监测模块，设置北斗基准站、北斗监测站分别配合伪卫星基站模块获得海上风电基础沉降数据；
InSAR系统，每隔一个周期获得的沉降数据来监测北斗基准站的稳定性，并且与各监测点的沉降数据做对比和相互验证；
静力水准传感器，用于测量北斗基准站及多个监测点的倾斜角度，若发生不均匀沉降，可根据所测倾斜角计算出各监测点的相对沉降量；
数据处理单元，与伪卫星基站模块、GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器相连，采集与处理InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据。
进一步的，所述静力水准传感器为光纤光栅静力水准传感器，在不同的监测点上均安装有光纤光栅静力水准传感器，各光纤光栅静力水准传感器之间通过通液管连接。
进一步的，所述监测装置还设置有通讯模块，采用光纤环网组网进行数据传输，北斗基准站、北斗监测站得到的数据通过通讯模块连接有服务器。
进一步的，所述监测装置还设置有电源模块，分别与GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器、数据处理单元连接，为监测装置供电。
进一步的，所述静力水准传感器内设置有浮筒，当容器液位发生变化时，浮筒所受到的浮力被静力水准传感器感应。
进一步的，所述监测装置还设置有存储模块，与数据处理单元连接，所述存储模块存储InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据。
进一步的，所述北斗基准站包括第一北斗卫星高精度接收机和第一天线。
进一步的，所述北斗监测站包括第二北斗卫星高精度接收机和第二天线。
进一步的，所述监测装置还设置有预警模块，当接收的数据异常时，数据处理单元触发预警模块。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：
伪卫星能够发射类似GNSS的信号，伪卫星基站模块与GNSS监测模块的组合定位增加了观测量，且其具有较低的高度角。因而能够显著增强卫星定位的几何图形结构，附加的观测量还有利于增强GNSS模糊度的解算，提高精度，进而提升整个装置的可用性、稳定性和可靠性。采用伪卫星定位技术弥补了GNSS观测中低高度角卫星不足的问题，提高安全性，本装置增加了可用星的数目，即附加增加了有效观测量，从而有利于定位求解；伪卫星高度角很低，且信号无需通过电离层。将这种低高度角伪卫星与GNSS组合定位能够有效地改善几何图形结构，提高定位精度，监测出绝对沉降量和塔筒倾斜度，满足实时安全监测的要求，增强了定位系统的可靠性，光纤光栅静力水准仪具有不受电磁干扰及辐射影响、测量精度和分辨率高、可长期用于高温高湿及存在化学腐蚀的恶劣环境中、安装快速、维护简单等特点。
附图说明
图1为监测装置的模块图；
图2为监测装置GNSS高精度定位示意图；
图3为监测装置北斗基准站和北斗监测站模块图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”、“包含”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。在本发明的权利要求书、说明书以及说明书附图中的术语，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
如图1-3所示，一种基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置，在距离海上风电场合适的岸上地质结构稳定的地点架设GNSS伪卫星基站，伪卫星能够发射类似GNSS的信号，伪卫星基站模块与GNSS监测模块的组合定位增加了观测量，且其具有较低的高度角。伪卫星基站模块，所述伪卫星基站中每一颗伪卫星根据卫星参数、伪卫星位置参考时延，进行空间定位，模拟卫星的卫星信号并发送模拟卫星信号；GNSS监测模块，设置北斗基准站、北斗监测站分别配合伪卫星基站模块获得海上风电基础沉降数据；InSAR系统，每隔一个周期15-30天获得的沉降数据来监测北斗基准站的稳定性，并且与各监测点的沉降数据做对比和相互验证，将风场中一个风力发电机组作为一个监测点，利用雷达向北斗基准站和北斗监测站发射微波，然后接收目标反射的回波，得到同一目标区域成像的SAR复图像对，若复图像对之间存在相干条件，SAR复图像对共轭相乘可以得到干涉图，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出北斗基准站和北斗监测站的沉降的微小变化；静力水准传感器，用于测量北斗基准站及多个监测点的倾斜角度，若发生不均匀沉降，可根据所测倾斜角计算出各监测点的相对沉降量；数据处理单元，与伪卫星基站模块、GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器相连，实时采集与处理InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据，将每个监测点的数据与北斗基准站的数据做相对运算，风电场海上配电站有独立控制室，控制室内部署服务器，北斗基准站和北斗监测站的所有数据都将回到服务器的，对采集数据进行接收与显示。
静力水准传感器为光纤光栅静力水准传感器，在不同的监测点上均安装有光纤光栅静力水准传感器，光纤光栅静力水准传感器是针对海上风电塔筒的高精度倾角传感装置，精度可达0.01°，用于测量多个监测点的相对沉降，使用时将一台静力水准传感器安置在稳定的不动点(北斗天线同一基座)，在四个不均匀监测点上依次安置4台静力水准传感器，各个静力水准传感器之间采用通液管进行连接，每个容器的液位由精密光纤光栅传感器测得，静力水准传感器内设置有浮筒，当容器液位发生变化时，浮筒所受到的浮力被静力水准传感器感应，从而得到监测点相对于基准点的不均匀沉降值，通过光纤光栅测量机械浮子的浮力、感知液体和液体上方的空气的温度、感知液体的温度，来监测液位的深度。光纤光栅静力水准传感器灵敏度高、工作频带宽、动态范围大；易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；具有非传导性，又具有抗腐蚀性、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；测量信息是波长编码的，有较强的抗干扰能力；一根光纤中接入多个光栅传感器，实现分布式传感；强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志，方便查询；兼容性好，可与其他系统实现互联互通；测量范围广，可测量温度、压强、应力、应变、电压、电流、液位等物理量；具有不受电磁干扰及辐射影响、测量精度和分辨率高、可长期用于高温高湿及存在化学腐蚀的恶劣环境中、安装快速、维护简单等特点。
监测装置还设置有通讯模块，采用光纤环网组网进行数据传输，北斗基准站、北斗监测站得到的数据通过通讯模块连接有服务器。服务器连接有可溯源数据库，管理沉降数据；监测装置还设置有电源模块，分别与GNSS监测模块、静力水准传感器、数据处理单元连接，为监测装置供电。监测装置还设置有存储模块，与数据处理单元连接，所述存储模块存储InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据。
北斗基准站包括第一北斗卫星高精度接收机和第一天线。北斗监测站包括第二北斗卫星高精度接收机和第二天线。监测装置还设置有预警模块，当接收的数据异常时，数据处理单元触发预警模块，及时告知工作人员进行处理。
本发明的工作原理如下：
针对海上风电利用北斗卫星及伪卫星对北斗基准站的第一北斗高精度接收机和北斗监测站的第二北斗高精度接收机进行空间定位，使用InSAR系统雷达干涉数据检核北斗基准站的第一北斗高精度接收机和北斗监测站的第二北斗高精度接收机的监测数据，每隔一个周期获得的沉降数据来监测北斗基准站的稳定性，并且用来与北斗各监测点的沉降数据做对比和相互验证；光纤光栅静力水准传感器数据结合北斗沉降监测数据监测风电平台的绝对沉降和不均匀沉降程度，同时数据处理单元将得到的InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据与光纤光栅静力水准传感器的数据进行联合解算，从而达到对目标对象实现安全监测的目标。
需要说明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于北斗定位的海上风电基础沉降及倾斜安全监测装置，其特征在于，包括：伪卫星基站模块，所述伪卫星基站中每一颗伪卫星根据卫星参数、伪卫星位置参考时延，进行空间定位，模拟卫星的卫星信号并发送模拟卫星信号；
GNSS监测模块，设置北斗基准站、北斗监测站分别配合伪卫星基站模块获得海上风电基础沉降数据；
InSAR系统，每隔一个周期获得的沉降数据来监测北斗基准站的稳定性，并且与各监测点的沉降数据做对比和相互验证；
静力水准传感器，用于测量北斗基准站及多个监测点的倾斜角度，若发生不均匀沉降，可根据所测倾斜角计算出各监测点的相对沉降量；
数据处理单元，与伪卫星基站模块、GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器相连，采集与处理InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：所述静力水准传感器为光纤光栅静力水准传感器，在不同的监测点上均安装有光纤光栅静力水准传感器，各光纤光栅静力水准传感器之间通过通液管连接。
3.根据权利要求2所述的监测装置，其特征在于：所述监测装置还设置有通讯模块，采用光纤环网组网进行数据传输，北斗基准站、北斗监测站得到的数据通过通讯模块连接有服务器。
4.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：所述监测装置还设置有电源模块，分别与GNSS监测模块、InSAR系统、静力水准传感器、数据处理单元连接，为监测装置供电。
5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于：所述静力水准传感器内设置有浮筒，当容器液位发生变化时，浮筒所受到的浮力被静力水准传感器感应。
6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于：所述监测装置还设置有存储模块，与数据处理单元连接，所述存储模块存储InSAR系统数据、GNSS监测模块的监测数据、静力水准传感仪器的数据。
7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于：所述北斗基准站包括第一北斗卫星高精度接收机和第一天线。
8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于：所述北斗监测站包括第二北斗卫星高精度接收机和第二天线。
9.根据权利要求8所述的监测装置，其特征在于：所述监测装置还设置有预警模块，当接收的数据异常时，数据处理单元触发预警模块。
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