基于北斗RTK定位的铁塔倾斜监测系统研究

李芝宏，王昕煜

摘 要：为解决铁塔监测系统误报率高、监测不准确、设备故障率高的问题，研发基于北斗RTK（Real-Time Kinematic，实时动态）相位差分高精度定位技术的铁塔倾斜监测系统。监测系统基于Linux操作系统，采用ARM核心控制板实现倾斜角解算，利用监测天线实时高精度位置进行铁塔倾斜角数学建模和数据解算，各项输出指标的精度均满足设计和标准要求。

关键词：北斗；RTK相位差分定位；倾斜角算法；ARM；电路原理；移动CORS站

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，具备稳定的导航、精密定位以及授时功能，在国防、工业、农业和环保等领域应用广泛。铁路通信铁塔是铁路沿线无线通信系统的重要基础设施，铁塔的无故障运行对保障铁路沿线无线信号覆盖、通信畅通、周边居民安全和铁路运输安全具有重要意义。铁路通信铁塔多数为大型钢结构，在野外恶劣的环境下长期使用，许多构件产生不同程度的变形、腐蚀及松动问题，容易出现结构破坏、倾斜甚至倒塌风险，对铁路安全运输造成威胁。目前对铁路通信铁塔安全监测多采用人工巡检、激光定位和陀螺仪等方式，巡检成本较高，现行监测设备精度及稳定性不高。为提高监测技术自动化水平和可靠性，本文基于北斗卫星高精度定位技术，对的铁路通信铁塔倾斜监测系统进行设计研究。

1 系统总体结构

基于北斗高精度定位技术的铁塔倾斜监测系统，以北斗RTK高精度相位差分定位技术为基础，通过采集铁塔一体化测量天线实时位置，结合北斗移动差分站（CORS站）提供的定位信息误差，实时解算天线精确位置[1，2]。监测终端根据高精度定位坐标计算测量天线实时位移、铁塔倾斜角和垂直度，并通过可靠的非机械式气象站监测铁塔当前环境风速风向和温湿度等信息；上位机系统通过有线或无线通信系统获得监测数据，完成报警显示、数据存储、历史查询等。

(3)从事公益服务。参加院系(学园)青年志愿者组织组织的志愿者服务活动，或者其他各类社会公益活动。要求每位学生参加志愿者服务活动或其他各类社会公益活动至少3小时。

系统由监测终端、数据中心、通信网络、监测单元和采集单元组成，总体结构如图1所示。其中，监测终端为上位机系统，根据数据库提供的数据更新监测界面，实现报警策略，给出声光提示；数据中心接收前端监测单元的监测数据，存储并向上位机输出数据；通信子系统采用无线或有线专网将监测单元预处理数据传输至监测中心；监测单元对采集单元实时采集的数据进行处理，铁塔倾斜角、垂直度、位移和气象数据均在监测单元进行解算和打包处理；采集单元由风速风向计和北斗测量天线组成，采集初始铁塔位置信息和气象数据，其输出的数据作为监测单元的输入基础数据。

图1 铁塔监测系统总体结构

该监测系统包含北斗卫星系统和北斗移动差分（CORS）站系统。卫星系统实时向地面广播位置信息，基准站计算当前位置的定位误差值并通过4G或专用传输通道输出给监测单元的北斗定位信息接收机（BD930/910），用于解算天线的高精度位置。

2 RTK相位差分定位技术

RTK（Real - Time Kinematic）载波相位差分定位技术是利用载波相位进行实时差分解算，获得观测点的精确三维坐标信息和统一的时间信息的技术。RTK差分技术定位实时性好，观测过程中锁相环不易失锁，周跳修复能力强，定位精度高，有利于对变形体的实时动态监测，其最大的特点是能够实现对监测目标的实时动态厘米级定位。该技术通过差分方法消除了相对论效应引起的时钟误差、电离层和对流层引起的信号折射误差、多径效应和天线相位中心偏移误差等[3]，且整周模糊度采用LAMBDA法对模糊度做相关变换，在变换后的模糊度空间进行条件搜索，可有效提高计算效率[4]。

目前，精密单点定位实时定位精度能够达到分米级，长时间事后处理可达到厘米级，但其定位精度与其采用的误差消除模型有较大关联。在实际应用环境中，电离层、对流层等环境引起误差并不是一成不变的，因此从实时监测精度以及可靠性的角度考虑，当前精密单点定位不能满足载体倾斜实时高精度监测及工程应用。基于北斗的通信铁塔健康远程监测与主动探测系统采用载波相位差分定位技术，实时消除影响定位精度的公共误差，定位精度可达厘米级，且具有定位速度快、可靠性高、实时性和动态性能好等优点，满足铁总运[2017]23号《铁路通信铁塔监测系统技术条件》中铁塔监测技术指标的要求。

RTK定位数据处理流程如图2所示。

图2 RTK定位数据处理流程

3 倾斜角算法原理

3.1 倾斜角算法数学模型

倾角测量数学原理如图3所示。假设铁塔初始状态不存在倾斜，以此时的铁塔一体化天线相位中心点为零点（图中的0点）建立当地水平坐标系，Y轴指向当地北子午线，X轴与Y轴垂直指向东，Z轴与X、Y轴正交，服从右手坐标，此时载体平台坐标系与当地水平坐标系重合。

当铁塔发生倾斜时，天线相位中心位置发生变化，假设倾斜后的天线相位中心位置点为M点，此时相当于载体平台坐标系相对于当地水平坐标系的原点进行了平移和坐标旋转，坐标旋转体现了铁塔的倾斜（原点不平移）。

图3 倾斜角解算算法数学原理

对于同一个原点下的2个坐标系变换，可以看成坐标系经3次连续的坐标轴旋转与另一个坐标系重合。每一个坐标轴的旋转对应着一个坐标旋转矩阵，则对应于X轴，Z轴，Y轴的旋转矩阵为[5]

（1）

（2）

（3）

式中，a为偏航角，g为俯仰角，b为横滚角。对铁塔倾斜的测量只需要考虑偏航角a和俯仰角g。设铁塔倾斜前后天线相位中心点（0点和M点）在天线平台坐标系中的位置：

，

那么，从当地水平坐标系到天线平台坐标系的姿态变换矩阵为

bi = = R1(g)R2(b)R3(a)li （4）

根据姿态转换矩阵的正交性，即矩阵的转置等于矩阵的逆，由式（4）将倾斜后天线相位中心点（M点）坐标b2转换至当地水平坐标系中得到其当地水平坐标l2：

注：Ni2+之所以用硝酸溶液（1：99）溶解，是因为防止镍离子与氢氧根离子结合产生沉淀，从而影响实验数据。

（5）

由于l2可由接收机测得，则可以得到偏航角a和俯仰角g：

（6）

（7）

其中，俯仰角g即为所求的铁塔倾斜角。

3.2 倾斜角解算流程及算法程序

倾斜角解算包括对铁塔的倾斜角计算、垂直度计算、水平位移计算和倾斜方向计算。倾斜角度在计算的过程中精确到10-8，倾斜方位采用近似计算，以东向坐标和北向坐标的反正切函数作为倾斜方位，单位是北偏东度数。倾斜角解算流程如图4所示。

图4 铁塔监测系统倾斜角解算流程

根据倾斜角算法原理，首先将测量天线在大地坐标系中表示的定位信息（经度、纬度和高程）转换为对应的地心直角坐标值(X, Y, Z)，而后定位信息从地心直角坐标转换为站心地平直角坐标值(x1, y1, z1)。该步骤是在2个直角坐标系之间进行定位转换，即将(X, Y, Z)做2次旋转：绕轴旋转(90° + L)，绕轴旋转(90°-B)，可以得到定位信息在以测量天线为原点，轴正方向指向正北方，轴正方向指向测量天线正上方这一坐标系下的对应点(x, y, z)。设测量天线在站心坐标系的初始坐标为(0, 0, 0)，可求出当前时刻相对于初始时刻的铁塔监测天线精确位置(x1, y1, z1)。

4 基于ARM的硬件系统

4.1 系统硬件总体结构

基于北斗RTK高精度定位技术的铁塔倾斜监测系统硬件主要由地面CORS站、监测单元、服务器、上位机、定位天线和风速风向计组成。通信模式支持无线3G/4G公网、有线网络和卫星通信，系统预留安防接口，可实现安防设备如摄像头、电子围栏传感器的接入，以实现对塔体周边环境进行安全防护。

这个开篇以一连串的简短句子聚合起强大的力量裹协着读者直接进入了骑桶者的内心世界。骑桶者的内心正为现实的匮乏所煎迫：一方面是逼人就死的严寒，一方面是骑桶者抵御严寒的物资资源的一无所有；而且，此种物资的一无所有显然是由于他的极度贫穷。他因此不得不要去找煤炭老板寻求帮助，赊借煤炭以御严寒。但是骑桶者面对的现实问题不只是物资贫穷，从“煤店老板对于我的通常的要求已经麻木不仁；我必须向他清楚地证明，我连一星半点煤屑都没有了”这一句话里还可以看出，他在信誉上也是赤贫的。

监测单元板卡集成了公网无线通信模块、RS485/232数据传输接口、220V AC/36~12V DC电源模块、ARM处理器、抗浪涌保护模块、抗电磁干扰模块和过流过压保护等模块及相关元器件电路。系统硬件组成构架如图5所示。

图5 系统硬件组成架构

监测单元在上电开机后，处理器向7100C（无线通信模块）发出4G链路注册命令，7100C与基准（CORS）站服务器建立稳定连接。7100C从差分站服务器获取差分电文转发给监测单元定位接收机BD930/910，BD930/910接收机对铁塔一体化定位天线的概略定位值进行修正，解算出高精度位置信息并经由RS232链路输出至ARM处理器[6]，处理器启动倾角解算核心程序，完成倾角、水平位移和垂直度解算。风速风向传感器采集风速监测信息，通过RS232通道输入处理器，处理器按特定通信协议完成所有监测数据打包，通过RS485接口逐帧输出数据，数据输出频率为5 Hz。

确定白砂糖添加量12%，姜水比1∶1，姜汁添加量14%，柠檬酸添加量0.625%时，在β-环状糊精添加量分别为0，0.02%，0.04%，0.06%，0.08%时，设计单因素试验，进行感官评价。

基于北斗高精度定位技术的铁塔倾斜监测系统监测单元电气原理如图6所示。

2．1 基本情况 本次调查共收集12 385份有效问卷。被调查小学生年龄在8～12岁。其中男生6 593例，女生5 792例。城市儿童6 075例，农村儿童6 310例。见表1。

（3）提高钻井液的抑制性，防止泥页岩吸水膨胀。加深井段钻遇地层一般为泥页岩发育，容易造成水侵，页岩膨胀，进而发生掉块坍塌，在施工中加入足量的防塌剂、降滤失剂和护壁性能比较强的磺化沥青等处理剂，降低滤饼渗透率，增强封堵承压能力，抑制硬脆性地层掉块、剥落、坍塌。

图6 铁塔监测系统监测终端箱电气原理

4.2 移动CORS站

移动CORS站采用高精度定位接收机BD930作为核心模块[7]，通过以太网接口连接4G路由器接入公网，配置为Ntrip Server模式与差分数据服务器进行TCP/IP网络通信，将差分数据传输至服务器。为增加系统稳定性和可靠性，采用STM32单片机对BD930串口数据进行监控。系统原理和产品示意如图7、图8所示。

以后，张清元就特别关照唐小芹。他时常把黎院长奖给他好吃的东西偷偷塞给唐小芹。唐小芹还在区小学上初级班。有一天放学回来，唐小芹哭兮兮地对张清元说，元子哥，你能不能帮我把嘴唇上这痣祛了。张清元一听急了问，怎么啦，这不是挺好吗？祛了它就算破相了你知道吧。小芹还摇头在哭。张清元更急了，问，谁欺负你了？小芹小声说，是坝子上的那些野孩子。张清元又问，为啥？小芹说，他们把我摁在地上轮着捻我这颗痣。他们还说，只要我不祛下他们还要捻。张清元火爆爆地说，谁再敢捻你这颗痣，我就去捻他们的耳朵。张清元说着就出了孤儿院的院门，直向河边的坝子奔去。

当BD930串口数据输出异常或无输出时，判定为BD930死机，通过单片机IO口控制BD930复位重连，单片机外接硬件看门狗电路，监测单片机运行状态，当单片机死机时，硬件看门狗重启单片机进行系统复位。

图7 移动CORS站系统原理

图8 移动CORS站示意图

5 上位机系统

系统上位机具有基本的数据拆分和显示、数据完整性检查、倾角曲线图绘制、报警信息显示和铁塔基础属性信息配置下发功能。基于MFC的监测上位机具有结构简单，稳定性好，修改方便等特点。铁塔监测上位机设计流程如图9所示。

图9 铁塔监测上位机设计流程

上位机对监测铁塔进行编号，注明铁塔类型（单管塔和钢塔架），报警界面具有图形化的铁塔模型，用模型的绿、蓝、黄、红色显示分别提示铁塔的无告警、一般告警、重要告警和紧急告警状态。上位机对应编辑框实时显示现场监测数据值，且具有可选实时倾角显示和3小时倾角滑动平均值计算显示功能。系统上位机状态监测和柱状图界面如图10、图11所示。

图10 铁塔倾斜监测系统上位机界面

图11 铁塔监测系统倾斜角实时柱状图

6 结语

基于北斗定位的铁塔倾斜监测系统，通过北斗RTK高精度相位差分算法得到厘米级定位精度[8～10]，在同一坐标系对接收天线的当前时刻位置和基准位置求差解算，得到当前位置相对基准位置的实时位移，经嵌入式系统倾斜角度算法得到倾斜角度和垂直度并输出。经验证，各项值输出精度（倾斜角精度0.01°，误差小于0.1°；垂直度精度0.000 5，误差小于0.001；水平位移精度达到0.001 m，误差小于0.1 m）均满足设计和铁路标准要求。

基于北斗高精度定位技术的铁塔倾斜监测系统设备，消除了传统监测技术地面环境对铁塔监测精度的影响，提高了监测数据可靠性和实时性。在铁路运输领域及公网通信铁塔（移动、联通、电信等）、电力铁塔监测、高层文物建筑监测、现代高层建筑倾斜监测等相关领域均具有广阔应用前景[11，12]。同时北斗系统作为国产卫星导航定位系统，具有十分重要的军事战略意义，基于北斗系统的通信铁塔健康远程监测与主动探测系统的成功研制和试应用，为基于高精度实时定位的其他高技术领域积累了经验。

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Abstract: In order to solve problems of higher false alarm rate, inaccurate monitoring and higher fault rate of equipment of tower monitoring system, the tower inclination monitoring system has been developed based on the BeiDou RTK (real-time Kinematic) phase difference high accuracy positioning technology. The Linux operation system based monitoring system is able to realize the calculation of inclination angle by adopting of ARM core board, and carry out the mathematic modeling and data calculation of tower inclination angle by means of monitoring of real time high accuracy position of antenna; the accuracy of various output parameters are able to meet the requirements of design and related standards.

Key words: BeiDou; RTK phase difference positioning; inclination angle algorithm; ARM; circuitry principle; mobile CORS station

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.01.024

中图分类号：U285.8

文献标识码：B

文章编号：1007-936X(2019)01-0097-06

收稿日期：2018-07-03

作者简介：李芝宏.中铁电气化局集团有限公司智能交通技术分公司，工程师；

王昕煜.中铁电气化局集团有限公司智能交通技术分公司，高级工程师。