CN116381754A - 北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，作为基准天线；第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与第一北斗接收天线相距数米的位置，第二北斗接收天线作为动态天线；第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给后台数据处理中心，后台数据处理中心根据动态天线与基准天线的差分计算得出吊臂相对正北方向方位角，及相对俯仰角，进而得到吊臂的实时姿态和位置，并发送给交互终端以进行实时显示。

Description

北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法

技术领域

本发明涉及吊装作业的技术领域，尤其涉及一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法。

背景技术

目前，随着社会发展，海洋环境下作业及高空作业极为普遍，特别是海上风力发电领域或船舶作业领域，就吊机的使用现状来说，在平台上，操作吊机上下吊挂或位移货物，传统的吊机或绞盘结构复杂、安装繁琐，占用空间比较大，人为操作比较困难，增加了人员的作业工作量，在追求效率和速度的要求下，传统的吊机形式很难满足现实的需要，所以海上吊机的使用有很强的必要性，在每个作业平台设有海上吊机，简化了运动方式，从而提高了吊机的工作效率，为作业人员提供了非常方便使用的吊装工具。

但是，由于海洋工程海上用吊机水平360旋转，驾驶室吊机操作人员无法直观看到吊机所处位置状态，目前由另外一人通过对讲机进行人工指挥，也会存在盲吊情况，无法保证吊机操作安全和人员安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法，其能够有效解决现有技术中所存在的上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明的一实施例提供了一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；

所述第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，所述第一北斗接收天线作为基准天线；所述第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线相距数米的位置，所述第二北斗接收天线作为动态天线；所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心；

所述后台数据处理中心用于接收所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线发送的电波信息，并执行如下操作：

利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差；

从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线为原点的地平坐标系中的坐标；

将所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第二距离差；

通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标；

基于所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

所述后台数据处理中心还用于将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端以进行实时显示。

作为上述方案的改进，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括CCTV视频监控系统；

所述后台数据处理中心还用于联动所述CCTV视频监控系统，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

作为上述方案的改进，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括广播扬声器；

所述后台数据处理中心还用于：在吊机进行起吊操作时，自动启动所述位置的广播扬声器进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

作为上述方案的改进，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离为L，其中2m＜L＜10m。

作为上述方案的改进，在所述操作(1)中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述操作(2)中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述操作(3)中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述操作(4)中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

本发明实施例对应提供一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，适用于北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统中，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；所述第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，所述第一北斗接收天线作为基准天线；所述第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线相距数米的位置，所述第二北斗接收天线作为动态天线；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法包括步骤：

S1、通过所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心；

S2、通过所述后台数据处理中心接收所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线发送的电波信息，并利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差；

S3、从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线为原点的地平坐标系中的坐标；

S4、将所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第二距离差；

S5、通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标；

S6、基于所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

S7、将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端以进行实时显示。

作为上述方案的改进，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括CCTV视频监控系统；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S8、通过所述后台数据处理中心联动所述CCTV视频监控系统，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

作为上述方案的改进，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括广播扬声器；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S9、在吊机进行起吊操作时，通过所述后台数据处理中心自动启动所述位置的广播扬声器进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

作为上述方案的改进，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离为L，其中2m＜L＜10m。

作为上述方案的改进，在所述步骤S2中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述步骤S3中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述步骤S4中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述步骤S5中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法，具有如下技术效果：用两台北斗接收天线，分别布置在吊机吊臂中心原点处(基准天线)和吊臂上相距数米的位置。两台北斗接收机(接收天线)分别接收同一卫星的电波信息，利用卫星载波相位信号差分测量原理，从中取出伪距、相位参数，系统计算出卫星到两个北斗接收天线的距离差。再从该电波中取出卫星的位置参数,由此可以计算出卫星在地心坐标系中的位置，最后通过坐标变换，得到卫星在以基准天线为原点的地平坐标系中的坐标:而动态天线的位置设为未知参数，根据两点间的距离公式可以计算出卫星到两天线之间的距离差。将此计算距离差与前面观测所得距离差进行比较，改变天线位置未知参数值可使距离差之差最小，由此解出动态天线位置未知参数，得到连接两天线的基线在地平坐标系中的方位、高程、位置等信息。由此得到吊臂的实时位置、上下角度、旋转角度等信息，建立吊机三维模型，在交互终端实时显示吊机当前动态信息和图像，系统联动CCTV视频监控系统，在吊臂转到相应位置时即自动调出该位置视频图像，在吊机进行起吊操作时，自动启动该位置广播扬声器进行安全提示广播，充分保证吊机操作现场环境、人员安全。可见，通过实施本发明，利用北斗接收机差分定位吊机状态实时测算和监控，能够完整的海工应用360°吊机智能监控以及吊机三维状态实时演示，还能自动智能联动CCTV、定位广播实现安全提示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统的第一北斗接收天线、第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上的位置示意图。

图3是本发明实施例提供的一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二“仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1，本发明实施例提供了一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其包括第一北斗接收天线10、第二北斗接收天线20、后台数据处理中心30和交互终端40。

所述第一北斗接收天线10设置在吊机吊臂中心原点处(参考图2)，所述第一北斗接收天线10作为基准天线。所述第二北斗接收天线20设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线10相距数米的位置(参考图2)，所述第二北斗接收天线20作为动态天线。所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线20分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心30。

所述后台数据处理中心30用于接收所述第一北斗接收天线10和第二北斗接收天线20发送的电波信息，并执行如下操作：

首先，利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线10和第二北斗接收天线20的第一距离差；

同时，从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线10为原点的地平坐标系中的坐标；

将所述第二北斗接收天线20相对所述第一北斗接收天线10的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线10和第二北斗接收天线20的第二距离差；

通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线20相对所述第一北斗接收天线10的位置坐标；

另外，基于所述第二北斗接收天线20相对所述第一北斗接收天线10的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线10和第二北斗接收天线20的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

所述后台数据处理中心30还用于将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端40以进行实时显示。

继续参考图1，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括CCTV视频监控系统50，所述后台数据处理中心30还用于联动所述CCTV视频监控系统50，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

继续参考图1，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括广播扬声器60，所述后台数据处理中心30还用于：在吊机进行起吊操作时，自动启动所述位置的广播扬声器60进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

进一步的，在本实施例中，所述第二北斗接收天线20与所述第一北斗接收天线10的距离为L，其中优选位置为：2m＜L＜10m。

可以理解的，在本实施例中，在所述操作(1)中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述操作(2)中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述操作(3)中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述操作(4)中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

参考图3，本发明实施例提供了一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，适用于北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统中，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；所述第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，所述第一北斗接收天线作为基准天线；所述第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线相距数米的位置，所述第二北斗接收天线作为动态天线；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法包括步骤：

S1、通过所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心；

S2、通过所述后台数据处理中心接收所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线发送的电波信息，并利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差；

S3、从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线为原点的地平坐标系中的坐标；

S4、将所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第二距离差；

S5、通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标；

S6、基于所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

S7、将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端以进行实时显示。

进一步的，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括CCTV视频监控系统；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S8、通过所述后台数据处理中心联动所述CCTV视频监控系统，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

进一步的，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括广播扬声器；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S9、在吊机进行起吊操作时，通过所述后台数据处理中心自动启动所述位置的广播扬声器进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

可以理解的，在本实施例中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离为L，其中2m＜L＜10m。

可以理解的，在本实施例中，在所述步骤S2中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述步骤S3中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述步骤S4中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述步骤S5中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

综上，本发明实施例提供的一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统及方法，利用两台北斗接收天线，分别布置在吊机吊臂中心原点处(基准天线)和吊臂上相距数米的位置。两台北斗接收机(接收天线)分别接收同一卫星的电波信息，利用卫星载波相位信号差分测量原理，从中取出伪距、相位参数，系统计算出卫星到两个北斗接收天线的距离差。再从该电波中取出卫星的位置参数,由此可以计算出卫星在地心坐标系中的位置，最后通过坐标变换，得到卫星在以基准天线为原点的地平坐标系中的坐标:而动态天线的位置设为未知参数，根据两点间的距离公式可以计算出卫星到两天线之间的距离差。将此计算距离差与前面观测所得距离差进行比较，改变天线位置未知参数值可使距离差之差最小，由此解出动态天线位置未知参数，得到连接两天线的基线在地平坐标系中的方位、高程、位置等信息。由此得到吊臂的实时位置、上下角度、旋转角度等信息，建立吊机三维模型，在交互终端实时显示吊机当前动态信息和图像，系统联动CCTV视频监控系统，在吊臂转到相应位置时即自动调出该位置视频图像，在吊机进行起吊操作时，自动启动该位置广播扬声器进行安全提示广播，充分保证吊机操作现场环境、人员安全。可见，通过实施本发明，利用北斗接收机差分定位吊机状态实时测算和监控，能够完整的海工应用360°吊机智能监控以及吊机三维状态实时演示，还能自动智能联动CCTV、定位广播实现安全提示。

以上所揭露的仅为本发明一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于，包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；

所述第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，所述第一北斗接收天线作为基准天线；所述第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线相距数米的位置，所述第二北斗接收天线作为动态天线；所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心；

所述后台数据处理中心用于接收所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线发送的电波信息，并执行如下操作：

(1)利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差；

(2)从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线为原点的地平坐标系中的坐标；

(3)将所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第二距离差；

(4)通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标；

(5)基于所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

所述后台数据处理中心还用于将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端以进行实时显示。

2.根据权利要求1所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于，还包括CCTV视频监控系统；

所述后台数据处理中心还用于联动所述CCTV视频监控系统，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

3.根据权利要求2所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于，还包括广播扬声器；

所述后台数据处理中心还用于：在吊机进行起吊操作时，自动启动所述位置的广播扬声器进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

4.根据权利要求1所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离为L，其中2m＜L＜10m。

5.根据权利要求1所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于：

在所述操作(1)中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述操作(2)中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述操作(3)中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述操作(4)中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

6.一种北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，其特征在于，适用于北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统中，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统包括第一北斗接收天线、第二北斗接收天线、后台数据处理中心和交互终端；所述第一北斗接收天线设置在吊机吊臂中心原点处，所述第一北斗接收天线作为基准天线；所述第二北斗接收天线设置在吊机吊臂上且与所述第一北斗接收天线相距数米的位置，所述第二北斗接收天线作为动态天线；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法包括步骤：

S1、通过所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线分别接收同一卫星的电波信息，并分别将接收到的电波信息发送给所述后台数据处理中心；

S2、通过所述后台数据处理中心接收所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线发送的电波信息，并利用卫星载波相位信号差分测量原理，从所述电波信息中取出伪距、相位参数，以计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差；

S3、从所述电波信息中取出所述卫星的位置参数，从而计算出所述卫星在地心坐标系中的位置，然后通过坐标变换，得到所述卫星在以所述第一北斗接收天线为原点的地平坐标系中的坐标；

S4、将所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标设置为待定参数，根据两点间的距离公式计算出所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第二距离差；

S5、通过调整所述待定参数，使得所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的待定参数作为最终参数，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标；

S6、基于所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标，得到连接所述第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的基线在地平坐标系中的方位、高程和位置，从而得到吊机吊臂相对正北方向方位角及相对俯仰角，进而得到吊机吊臂的实时姿态和位置，并基于所述吊机吊臂的实时姿态和位置建立吊机的实时三维模型；

S7、将所述吊机吊臂的实时姿态、位置以及建立的吊机的实时三维模型发送给所述交互终端以进行实时显示。

7.根据权利要求6所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，其特征在于，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括CCTV视频监控系统；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S8、通过所述后台数据处理中心联动所述CCTV视频监控系统，在吊机吊臂转到相应位置时自动调出所述位置视频图像到所述交互终端以进行实时显示。

8.根据权利要求7所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统，其特征在于，所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控系统还包括广播扬声器；所述北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法进一步包括步骤：

S9、在吊机进行起吊操作时，通过所述后台数据处理中心自动启动所述位置的广播扬声器进行安全提示广播，以保证吊机操作现场环境和人员安全。

9.根据权利要求6所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，其特征在于，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离为L，其中2m＜L＜10m。

10.根据权利要求1所述的北斗差分360度大型起重吊机智能监控方法，其特征在于，

在所述步骤S2中，由于所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的距离不同，接收到的信号载波将产生相位差，根据相位差得到所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的第一距离差：

设载波频率为

角频率为Ω，所述卫星到第一北斗接收天线的距离为H₁，所述卫星到第二北斗接收天线的距离为H₂，所需电波传播时间分别为H₁/C和H₂/C，C为电磁波传播速度，则相位分别为Φ₁＝Ω*H₁/C和Φ₂＝Ω*H₂/C；

所述卫星到第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的相位差如公式(1)所示：

Φ_差＝Φ₁-Φ₂＝(Ωt-Ω*H₁/C)-(Ωt-Ω*H₂/C)＝Ω/C*(H₂-H₁) (1)

由于

λ为载波波长，因此/>

所述第一距离差如公式(2)所示：

其中，Φ'_差为不足整数周期的相位差数值，可以通过第一北斗接收天线和第二北斗接收天线提供的原始观测量相位信息中相减获得；N为相位周数差值部分，通过以下方法获得：

伪距是信号到达北斗接收天线的接收时刻与信号从卫星上发射时刻之间的差值乘以光速；船载北斗接收天线通过对应为1575.42MHz，波长为19cm的L1载波频率所调制的CA码来获得伪距；设第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的伪距信息为C1和C2，由于第一北斗接收天线和第二北斗接收天线相距很近，对于所述卫星而言，所述卫星到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线所通过的路径基本相同，同一卫星信号到达第一北斗接收天线和第二北斗接收天线的电离层和对流层延迟是相同的；相位整周数差值部分N＝|C₁-C₂|/0.19；

在所述步骤S3中，所述卫星在地心坐标系中的位置如公式(3)所示：

其中，Ψ＝Ψ₀+(Ψ'-ω_e)(t-t₀)-ω_et₀，t₀为参考时刻，Ψ₀为参考时刻的升交点赤经，Ψ'为升交点赤经变化率，ω_e为地球自转角速度；

i＝i₀+i'(t-t₀)+δ_i，i₀为参考时刻的轨道倾角，i’为轨道倾角变化率，

δ_i＝C_iccos2γ+C_issin2γ，C_ic，C_is为轨道倾角的调和改正项振幅，γ为卫星相对升交点角距；

以第一北斗接收天线作为坐标系的原点O，以OX轴指向所在位置的天顶，OZ轴指向东方，OY轴按右手法则确定垂直于OXZ平面，通过坐标变换后得到卫星在以所述第一北斗接收天线为原点O的地平坐标系XYZ中的坐标如公式(4)所示：

其中，β'为格林尼治子午圈赤经，β为第一北斗接收天线位置经度，

为第一北斗接收天线位置纬度；

在所述步骤S4中，所述第二北斗接收天线与所述第一北斗接收天线的距离L为固定值，连接所述第一北斗接收天线与所述第二北斗接收天线的直线作为基线，设所述基线与Y轴的夹角θ为待定夹角，所述第二北斗接收天线在地平坐标系XYZ中的坐标如下：

x₂＝0，y₂＝Lcosθ，z₂＝Lsinθ

所述第二距离差如公式(5)所示：

在所述步骤S5中，通过调整所述夹角θ，从而使所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小，并将所述第二距离差与所述第一距离差之间的差值最小时的夹角θ作为基线的方位，从而得到所述第二北斗接收天线相对所述第一北斗接收天线的位置坐标。

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