基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统，其特征是包括：北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块和电源模块；一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测方法，其特征是按如下步骤进行：首先接收并解析北斗导航卫星的实时射频载波信号，然后建立铁塔上基线L的姿态角数学模型，最后利用近似梯度逼近算法求解该姿态角数学模型，获得基线L的姿态角。本发明专利技术引入近似梯度逼近算法求解多约束条件的姿态角数学模型，算法的可实现性更强，测量地姿态角的精准度更高，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航技术、电力系统输变电技术以及智能信息处理技术，具体的说是一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统及监测方法。
技术介绍
我国输电线路大多分布在山地和丘陵地区，近年来因自然灾害和人为(如采矿生产、工程施工)等因素，造成电力铁塔倾倒和损坏的事故时有发生，造成重大的经济损失，是电网安全的重要隐患之一。根据DL/T741-2010《中华人民共和国电力行业标准：架空输电线路运行规程》中规定直线杆塔倾斜：50m以下高度铁塔倾斜度η≤0.4%，50m以上高度铁塔倾斜度η≤0.35%。需要提早开展对有安全隐患的铁塔进行预警监测和隐患处理工作。目前，针对电力铁塔变形监测的主要方法：1、人工巡检。效率低，复巡周期长，无法全天候监测，缺乏智能化预警及统计分析功能。2、基于倾角传感器的方法。倾角传感器的检测精度有限，难以达到DL/T741-2010规程的指标要求；同时倾角传感器检测的是铁塔局部的角度变化，难以体现铁塔整体的变形。3、基于GPS高精度定位的方法。需要在电力铁塔范围以外，地势较高、稳固的基岩处建设GPS基准站。通过GPS基准站对电力铁塔上的两个GPS流动站进行差分定位，精度可达厘米级，然后再根据两个GPS流动站的定位结果计算铁塔的倾斜度。该方法需要建设GPS基准站，对选址和施工的要求高，且整体成本也比较高，因此应用受限。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种可实现性好、技术水平高、全天候、自动化的基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统及监测方法，以期能快速测量获得电力铁塔的变形指数，提高测量精度，降低系统成本，从而能有效实现对电力铁塔健康状况的实时监测，具有广阔的应用前景。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统的特点包括：北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块和电源模块；所述北斗卫星信号接收模块是由北斗天线A和北斗天线B组成，并放置在所述电力铁塔的顶端，分别接收来自所述北斗导航卫星的实时射频载波信号X，并传输至所述北斗卫星信号解析模块；所述北斗卫星信号解析模块是由北斗接收板A和北斗接收板B组成，分别与所述北斗天线A和北斗天线B连接；所述北斗接收板A和北斗接收板B用于解析所述实时射频载波信号，得到所述北斗导航卫星的实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω；所述计算处理模块根据所述实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω建立相位双差观测方程数学模型，并利用近似梯度逼近算法求解所述相位双差观测方程数学模型，得到所述电力铁塔上北斗天线A和北斗天线B组成的基线L的姿态角；所述铁塔上基线L的姿态角是以基线L的航向角和俯仰角β表征；所述3/4G无线通信模块向外部的远程监测中心发送所述基线L的姿态角，并接收所述远程监测中心发送的远程设置参数；所述电源模块为所述北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块提供电源。本发专利技术一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测方法的特点包括：定义所述北斗天线A和北斗天线B之间的连线为基线L；所述基线L在水平面上的投影为L′；定义所述基线L的航向角是所述投影L′与正北方向之间的夹角，所述航向角的范围为0～360度；定义所述基线L的俯仰角β是所述基线L与所述投影L′之间的夹角，所述俯仰角β的范围为-90～+90度；所述监测方法按如下步骤进行：步骤1、接收北斗导航卫星的实时射频载波信号；在所述电力铁塔的顶端安装北斗天线A和北斗天线B，分别用于接收m个历元下，来自n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；所述北斗天线A所接收的m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号表示为其中，表示所述北斗天线A在第k个历元时接收到第i颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；所述北斗天线B所接收的m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号表示为其中，表示北斗天线B在第k个历元时接收到第i颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；1≤i≤n，1≤k≤m；n≥4，m≥4；步骤2、解析所述实时射频载波信号；在所述电力铁塔上设置北斗接收板A和北斗接收板B，并分别与所述北斗天线A和北斗天线B连接；所述北斗接收板A解析所述北斗天线A接收到的实时射频载波信号XA，得到m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时载波相位、实时卫星高度角和实时卫星方位角，并分别记为和其中，表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时载波相位；表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星高度角；表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星方位角；所述北斗接收板B解析所述北斗天线B接收到的实时射频载波信号XB，得到m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时载波相位、实时卫星高度角和实时卫星方位角，并分别记为和其中，表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时载波相位；表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星高度角；表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星方位角；步骤3、建立所述铁塔上基线L的姿态角数学模型；步骤3.1、获得载波相位单差观测方程；所述北斗天线A和北斗天线B分别接收到第i颗北斗导航卫星和第j颗北斗导航卫星的实时射频载波信号，并利用式(1)和式(2)分别获得第i颗北斗导航卫星和第j颗北斗导航卫星的载波相位单差观测方程：ΔΦikAB=ΦikA-ΦikB---(1)]]>ΔΦjkAB=ΦjkA-ΦjkB---(2)]]>式(1)中，为第k个历元时所述北斗天线A和北斗天线B接收到的第i颗北斗导航卫星的载波相位单差；式(2)中，为第k个历元时所述北斗天线A和北斗天线B接收到的第j颗北斗导航卫星的载波相位单差；步骤3.2、利用式(3)获得载波相位双差观测方程：式(3)中，表示载波相位双差；lAB为所述基线L的长度；λ为所述实时射频载波信号的波长；Ηik和Ηjk分别是第k个历元时第i颗北斗导航卫星和第j颗北斗导航卫星的实时卫星高度角，其中，Ωik和Ωjk分别是第k个历元时第i颗北斗导航卫星和第j颗北斗导航卫星的实时卫星方位角，其中，为相位双差整周模糊度；ε为随机观测噪声；步骤3.3、利用式(4)建立所述基线L的姿态角数学模型：步骤4、采用近似梯度逼近算法求解所述基线L的姿态角；步骤4.1、利用式(5)建立目标函数式(5)中，令目标函数的值和β值，即为所述基线L的姿态角数学模型的最优解；步骤4.2、对迭代点进行“抖动”操作；选定所述基线L初始安装时的姿态角作为所述近似梯度逼近算法的初始迭代点；对所述基线L的姿态角进行“抖动”操作，通过(-1,1)两点分布分别确定所述基线L的航向角和俯仰角β的抖动方向Δk，并通过式(6)计算抖动幅度c(k)：c(k)=c(k+1)τ---(6)]]>式(6)中，k是算法当前的迭代次数，算法的预期迭代次数为NCmax；τ∈(0,1)是常量；c为所述基线L初始安装时的姿态角θ(0)的首次抖动幅度；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统，其特征是包括：北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块和电源模块；所述北斗卫星信号接收模块是由北斗天线A和北斗天线B组成，并放置在所述电力铁塔的顶端，分别接收来自所述北斗导航卫星的实时射频载波信号X，并传输至所述北斗卫星信号解析模块；所述北斗卫星信号解析模块是由北斗接收板A和北斗接收板B组成，分别与所述北斗天线A和北斗天线B连接；所述北斗接收板A和北斗接收板B用于解析所述实时射频载波信号，得到所述北斗导航卫星的实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω；所述计算处理模块根据所述实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω建立相位双差观测方程数学模型，并利用近似梯度逼近算法求解所述相位双差观测方程数学模型，得到所述电力铁塔上北斗天线A和北斗天线B组成的基线L的姿态角；所述铁塔上基线L的姿态角是以基线L的航向角和俯仰角β表征；所述3/4G无线通信模块向外部的远程监测中心发送所述基线L的姿态角，并接收所述远程监测中心发送的远程设置参数；所述电源模块为所述北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块提供电源。...

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测系统，其特征是包括：北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块和电源模块；所述北斗卫星信号接收模块是由北斗天线A和北斗天线B组成，并放置在所述电力铁塔的顶端，分别接收来自所述北斗导航卫星的实时射频载波信号X，并传输至所述北斗卫星信号解析模块；所述北斗卫星信号解析模块是由北斗接收板A和北斗接收板B组成，分别与所述北斗天线A和北斗天线B连接；所述北斗接收板A和北斗接收板B用于解析所述实时射频载波信号，得到所述北斗导航卫星的实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω；所述计算处理模块根据所述实时载波相位Φ、实时卫星高度角Η、实时卫星方位角Ω建立相位双差观测方程数学模型，并利用近似梯度逼近算法求解所述相位双差观测方程数学模型，得到所述电力铁塔上北斗天线A和北斗天线B组成的基线L的姿态角；所述铁塔上基线L的姿态角是以基线L的航向角和俯仰角β表征；所述3/4G无线通信模块向外部的远程监测中心发送所述基线L的姿态角，并接收所述远程监测中心发送的远程设置参数；所述电源模块为所述北斗卫星信号接收模块、北斗卫星信号解析模块、计算处理模块、3/4G无线通信模块提供电源。2.一种基于北斗导航卫星姿态测量的电力铁塔变形监测方法，其特征是包括：定义所述北斗天线A和北斗天线B之间的连线为基线L；所述基线L在水平面上的投影为L′；定义所述基线L的航向角是所述投影L′与正北方向之间的夹角，所述航向角的范围为0～360度；定义所述基线L的俯仰角β是所述基线L与所述投影L′之间的夹角，所述俯仰角β的范围为-90～+90度；所述监测方法按如下步骤进行：步骤1、接收北斗导航卫星的实时射频载波信号；在所述电力铁塔的顶端安装北斗天线A和北斗天线B，分别用于接收m个历元下，来自n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；所述北斗天线A所接收的m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号表示为其中，表示所述北斗天线A在第k个历元时接收到第i颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；所述北斗天线B所接收的m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时射频载波信号表示为其中，表示北斗天线B在第k个历元时接收到第i颗北斗导航卫星的实时射频载波信号；1≤i≤n，1≤k≤m；n≥4，m≥4；步骤2、解析所述实时射频载波信号；在所述电力铁塔上设置北斗接收板A和北斗接收板B，并分别与所述北斗天线A和北斗天线B连接；所述北斗接收板A解析所述北斗天线A接收到的实时射频载波信号XA，得到m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时载波相位、实时卫星高度角和实时卫星方位角，并分别记为和其中，表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时载波相位；表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星高度角；表示所述北斗接收板A解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星方位角；所述北斗接收板B解析所述北斗天线B接收到的实时射频载波信号XB，得到m个历元下的n颗北斗导航卫星的实时载波相位、实时卫星高度角和实时卫星方位角，并分别记为和其中，表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时载波相位；表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星高度角；表示所述北斗接收板B解析得到第k个历元时的第i颗北斗导航卫星的实时卫星方位角；步骤3、建立所述铁塔上基线L的姿态角数学模型；步骤3.1、获得载波相位单差观测方程；所述北斗天线A和北斗天线B分别接收到第i颗北斗导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，周文婷，王立福，詹禹曦，袁鸣峰，王晓磊，王天军，马斌，李坤源，顾楠，崔力民，陈建新，李少勤，
申请(专利权)人：国网新疆电力公司信息通信公司，
类型：发明
国别省市：新疆;65