基于北斗卫星导航系统的输电线杆塔倾斜监测算法研究与实现

输电线杆塔是电力系统的重要基础设施,输电线杆塔的无故障运行对于保证电力安全可靠传输具有重要意义。输电线杆塔在野外恶劣的环境下长期使用,杆塔构件受外部环境如大风、覆冰、地质运动等的影响,产生不同程度的变形、腐蚀及螺栓松动等,导致塔身倾斜甚至倒塌,给电力传输带来安全隐患〔1-3〕。传统的输电线杆塔维护主要靠定期巡检、人为观测,但存在一定的主观性,某些参数人工实测困难,不容易及时发现问题,无法满足杆塔实时监测的需求。

北斗卫星导航系统是我国自行研发的全球卫星导航与定位系统,其具备导航、精密定位以及授时的能力〔4-6〕。因此本文研究基于北斗卫星导航系统的输电线杆塔倾斜程度的监测算法,详细介绍了该监测算法的实现方案以及算法流程,并通过实验验证了该算法可以实现对输电线杆塔的实时高精度监测,对保障杆塔的无故障运行具有重要意义。

1 杆塔倾斜监测系统实现方案

如图1所示,杆塔倾斜监测系统的实现方案是在需要进行监测的电力线路沿线布设北斗卫星接收设备,并在不容易发生沉降或变形的区域建立基准站。基准站内安置高精度接收机,对测区内的卫星进行连续观测,并通过光纤网络实时将观测数据和站坐标信息广播给监测站。监测站通过接收机接收卫星定位信号,同时通过GPRS网络接收CORS站传送的差分数据,然后根据相对定位原理,实时地处理数据,并实时地给出观测站的三维坐标,监测中心对倾斜度进行实时解算,从而实现对杆塔进行实时的安全监测。

图1 杆塔倾斜监测方案

对于每一座输电线杆塔来说,其监测系统由一台北斗接收机及天线、一个4G模块、一块ARM核心板以及连续运行稳定参考站 (CORS)组成。接收机型号为 Trimble BD—930,4G模块采用SIM7100c模块,ARM核心板的型号为Smart210,采用的是嵌入式Linux操作系统。在杆塔上放置一台北斗高精度接收机作为移动站,将其天线固定在杆塔顶部。将接收机和4G模块分别通过串口与ARM核心板相连接。监测算法利用Ntrip网络协议通过4G模块与CORS站通信接收差分数据,并将数据写入接收机以便接收机进行差分解算,获得高精度的定位信息〔7-8〕。同时读取接收机输出的定位信息,并对其进行处理及解算倾角后,将结果发送给上位机显示,以实现对杆塔倾斜角度的监测。上述监测算法在ARM核心板中完成。

2 差分数据的获取

可以从两方面提高杆塔倾角监测的精度：一是提高北斗接收机的定位精度;二是提高倾角解算算法的精度〔9-12〕。当北斗接收机工作在RTK模式时定位精度最高,可以达到厘米级。RTK模式就是接收机接收从基准站发送来的观测信息和基准站的位置信息,统称为差分信息,然后接收机结合自己的观测数据进行差分定位,即相对定位,从而大大提高了定位精度〔13-15〕。目前常用的RTK方法为网络RTK,用连续运行参考站 (CORS)来代替基准站。

2.1 Ntrip协议

Ntrip协议是用来在Internet上传输差分数据的国际标准网络协议,由德国联邦测绘局 (BKT)于2004发起并制定。Ntrip协议由四部分组成：Ntrip数据源 (NtripSources)、Ntrip客户端 (NtripClient)、Ntrip服务器 (NtripSever)和Ntrip处理中心(NtripCaster)。各部分的功能为：

1)Ntrip数据源 (NtripSources)提供连续的GNSS数据流,即某一特定地点的差分数据,在CORS系统中,Ntrip数据源为基准站接收机。

总体来说，广东大多数木材加工产品产量与去年同比有增长;但在产值方面，除造纸业以外，今年前8个月产值与上年同期相比，几乎是全线下降，尤其是人造板，今年1—8月产值同比下降43.58%。作为广东两大支柱产业的家具业中的木质家具，今年1—8月产值同比出现下降9.77%，近年增幅一枝独秀的另一个支柱造纸业增幅收窄，今年1—8月产值同比增幅减少14百分点，仅增长3.56%，广东木材加工业今年1—8月产值同去年同期相比下降7.46%。

2)Ntrip服务器将Ntrip数据源中的GNSS观测数据流传输到Ntrip处理中心。在传输之前,Ntrip服务器会为GNSS数据流分配一个挂载点。服务器密码和挂载点是由Ntrip处理中心的管理员定义的,然后移交给相应的Ntrip服务器管理员。

1.2.3 检查阶段:每周由带教老师进行一次操作考核;第3个月下旬由护长进行理论和操作考核(2个操作),成绩合格结束新护士岗前规范化培训课程。

对照组患者并发症检出率是25.81%,与研究组的3.23%相比高出许多,统计学存在差异(P<0.05),详情如下表2:

随着可持续发展，人们对环保的重视程度逐渐上升，具有可降解性的生物材料的环保性是其他材料不能相比的，在汽车塑料应用中具有巨大的潜力[28].

3)Ntrip处理中心是整个系统的核心。处理接收到的GNSS观测数据,生成GNSS差分数据并传送给Ntrip客户端。Ntrip处理中心监听来自Ntrip服务器或者Ntrip客户端的单一端口发送的请求信息,以此来判断有无需要发送或者接收的GNSS数据流。

4)Ntrip客户端需要向指定的Ntrip处理中心的IP地址和端口发送正确的请求信息,才能接收Nrip处理中心发送过来的所请求的Ntrip数据源。其请求信息的格式和状态码完全兼容HTTP1.1协议标准,不同的是Ntrip协议仅使用建立连接方式中的非持久连接。

Ntrip客户端给Ntrip处理中心发送的请求信息的格式为：

GET<mountpoint>HTTP/1.0<CR><LF>

在pH值12，酶添加量1×105U/mg，酶解温度50℃的条件下，探究底物质量浓度对玉米醇溶蛋白Zn2+螯合能力及酶解度的影响。

User-Agent： NTRIP<product｜comment><CR><LF>

Authorization： Basic<user： password><CR><LF>

其中,<mountpoint>为数据源挂载点,<product｜comment>为发起请求的用户代理的信息,<user：password>为经过Base64格式编码后的用户名和密码。

丙戊酸引起癫痫患者纤维蛋白原减少的相关因素分析…………………………………………………… 齐晓涟等（11）：1550

若请求通过,Ntrip处理中心返回给Ntrip客户端的信息为：ICY 200 OK

紧接着Ntrip处理中心将差分信息发送给Ntrip客户端。

2.2 Ntrip客户端的软件实现

利用ARM和4G模块实现Ntrip客户端的功能,4G模块通过串口与ARM相连接,ARM通过给4G模块发送AT指令,见表1,控制4G模块与指定IP地址和端口号的CORS站建立套接字连接。

2.4 新西兰白兔减压病模型血液学指标检测结果 与高气压暴露前比较，减压出舱后 6 h、12 h 减压病新西兰白兔的白细胞计数增加（t＝3.933、2.838，P＝0.003、0.019），减压后 1 h红细胞计数、红细胞比容均减少（t＝－2.606、－2.481，P＝0.031、0.038）；血小板呈先降后升的趋势，减压后 12 h 时与高气压暴露前比较差异有统计学意义（t＝2.545，P＝0.031）。凝血酶原时间、纤维蛋白原水平均呈升高趋势，但与高气压暴露前相比差异均无统计学意义（P 均＞0.05）。见表3。

A:我看没什么问题，可能从小就看着周围大人都比较疼爱女孩造成一定的心理影响，但有这种倾向并不影响性特征，只要大人别起哄，或总拿他取笑，把一切视为正常，也就没问题了。

表1 AT指令

序号 AT指令1 AT 2 AT+CIPSENDMODE＝1 3 AT+CIPMODE＝1 4 AT+NETOPEN 5 AT+CIPOPEN＝0, “TCP”, “IP”, 端口

与CORS站建立连接后,再按照上述请求信息的格式给CORS站发送请求信息,请求通过就可以获得差分数据了,ARM从4G模块中读取差分数据后,再将差分数据发送给接收机,接收机就可以进行RTK高精度定位了。为了保证接收机能始终工作在RTK模式下,输出高精度的定位信息,必要条件是4G模块可以源源不断的从CORS站获取差分信息。因此需要实时监测是否一直有差分数据,若差分数据消失,需令4G模块重新与CORS站建立连接。

3 倾斜角的解算

3.1 RTK定位模型

接收到来自CORS站的差分信息,即基准站的观测数据和基准站坐标后,再结合接收机自身的观测信息,就可以进行RTK定位,解算出接收机天线所在位置的坐标。由于差分信息为RTCM格式,所以需要先将差分信息解码后再进行位置解算。

根据基准站和监测站的载波相位观测值,可以列出载波相位双差观测方差：

（1）象形字的教学。如在进行象形字的教学时，教师可采用直观教学法，将汉字的演变过程通过图片或者视频的形式予以呈现。例如：在教“日”、“月”时，可将太阳和月亮的图片展示给学生。

“我说什么啦？我什么也没说嘛！”烧烤店老板说，“哦，我想起来了。我是说了的，我说了你老婆长得漂亮。你老婆真的好挺漂亮呦……”

式中 λ为载波波长;为经过站间差分和星间差分的载波相位双差值;下标r代表基准站;b代表监测站;i和j分别代表两颗不同的卫星;代表双差几何距离;代表双差整周模糊度;εφ为载波相位观测误差。将式 (1)线性化后,即：

式中 l、m、n分别为线性化后三个坐标分量的系数;d X、d Y、d Z分别为基线向量3个方向的改正数,L为常数项。

假设有M颗可见卫星,卫星1为参考卫星,忽略观测噪声的影响,可以列出矩阵方程式：

当求解出双差整周模糊度后,基线向量的改正数d X、d Y、d Z就可以求解出来,然后依据牛顿迭代法就可以求解出基线向量,已知基准站坐标和基线向量,就可以求出监测站的位置坐标。采用单历元整周模糊度求解方法,这样可以实时地输出定位结果,并且不需要考虑周跳和失锁的影响。

3.2 倾斜角解算

3.2.1 坐标系变换

接收机输出位置信息为WGS—84大地坐标系下的坐标,解算杆塔的倾斜角度,就是计算杆塔的姿态,姿态解算需要在站心坐标系 (ENU)下进行,因此需要将WGS—84坐标系下的位置向量转换到站心坐标系下。该坐标转换需要分两步进行,先将WGS—84大地坐标系下的向量转换到WGS—84直角坐标系下,再将WGS—84直角坐标系下的向量转换到站心坐标系下。

假设一点P在WGS—84大地坐标系下的坐标为(L,B,H),在WGS—84直角坐标系下的坐标用 (X,Y,Z)表示,变换公式为：

式中 N是基准椭球体的卯酉圆曲率半径,e为椭球偏心率,与基准椭球体的长半径a和短半径b存在关系：

再将WGS—84大地直角坐标系下的坐标转换到站心坐标系 (ENU)下,用x、y、z表示。

将一点从WGS—84大地直角坐标系转换到站心坐标系是没有意义的,因此需要取WGS—84大地直角坐标系下的一个矢量。设一点O,坐标为(X0,Y0,Z0),则向量OP在站心坐标系下的坐标表示为：

3.2.2 计算倾斜角

杆塔的倾斜角度可以根据杆塔某一固定位置的相对位移求出,即当前位置相对初始位置的位移。采用一台接收机进行倾角解算,因此需要在杆塔无倾斜状况时将接收机天线固定在杆塔顶端,然后计算初始位置,为了减少卫星定位随机误差的影响,取一段时间内的平均值。初始位置计算出来之后就可以开始倾角监测,将当前定位结果与初始位置分别代入式 (1)中,求出 (X,Y,Z)和 (X0,Y0,Z0),然后再将结果代入式 (4)中,就可以计算出塔顶的相对位移矢量(Δx,Δy,Δz)。由于杆塔高度通常为20 m左右,而塔顶的相对位移通常为几厘米,相比塔高来说很小,因此可以采用近似计算。杆塔的倾斜程度用两个指标来衡量：垂直倾斜角度和倾斜方位。塔顶的相对位移除以塔高为垂直倾斜角度;东向坐标和北向坐标的反正切函数为倾斜方位,单位是北偏东度数。计算公式：

式中 s为相对位移;α为垂直倾斜角度;β为倾斜方位。在监测算法中,差分数据的获取和倾斜角的解算是同时进行的,分别运行在两个单独的互不影响的线程中。在监测算法开始运行时,需要由上位机发送CORS站IP及端口号、用户名和密码以及塔高等信息给ARM。

4 实验分析

在应用到输电线杆塔上之前,在地面上进行大量测试。用一根长铁杆模拟杆塔,固定在地面上,将接收机天线固定在铁杆顶部,并且将量角器固定在铁杆顶端,以便测量出铁杆的实际倾斜角度,与监测算法解算出的倾角作对比。当铁杆无倾斜,处于垂直于地面的状态时,监测算法输出结果见表2,由于篇幅有限,在此只列出了7组数据。经度、纬度和高程为铁杆顶端的当前位置坐标,倾角为铁杆的倾斜角度,偏航角表示铁杆的倾斜方向,即北偏东或北偏西的度数。由于风速以及定位精度的影响,解算结果不是不变的,而是在某个值的附近浮动。

表2 倾角为0°时监测值

经度/(°) 纬度/(°) 高程/m 倾角/(°)偏航角/(°)109.040 999 74 34.494 297 33 395.07 0.01 W161.67 109.040 999 74 34.494 297 31 395.07 0.02 W116.92 109.040 999 72 34.494 297 30 395.06 0.03 W129.33 109.040 999 73 34.494 297 32 395.06 0.02 W133.87 109.040 999 71 34.494 297 31 395.07 0.03 W143.60 109.040 999 73 34.494 297 30 395.06 0.03 W119.34 109.040 999 71 34.494 297 31 395.06 0.03 W139.55

当人为的将铁杆倾斜2°时,监测算法的输出结果见表3。

表3 倾角为2°时监测值

经度/(°) 纬度/(°) 高程/m 倾角/(°)偏航角/(°)109.040 873 25 34.494 352 37 395.51 2.01 W8.380 5 109.040 873 28 34.49 352 36 395.51 1.97 W6.983 7 109.040 873 26 34.494 352 36 395.00 1.99 W8.036 5 109.040 873 30 34.494 352 37 395.51 1.99 W5.868 1 109.040 873 27 34.494 352 38 395.52 2.03 W7.418 3 109.040 873 26 34.494 352 38 395.51 2.05 W7.931 1 109.040 873 30 34.494 352 36 395.52 2.03 W5.937 3

倾角的误差分布如图2所示,当铁杆倾角为2°时的测量误差要比倾角为0°时的测量误差大,由此可知倾角越大,误差越大。当铁杆倾斜0°时的最大测量误差为0.05°,当铁杆倾斜2°时的最大测量误差为0.12°。

2015年1月至2017年12月,我院产科接诊产妇共2389例,从中选取100例初产妇参与此次研究,排除急性慢性传染病、多胎妊娠及妊娠合并症等相关症状,将100例患者随机分为观察组和对照组,每组患者50例。观察组患者年龄(22~33)岁,平均年龄(25.02±0.5)岁,孕周(37~42)周,平均(39.2±0.5)周;对照组患者年龄(22~31)岁,平均年龄(25.07±0.7)岁,孕周(37~42)周,平均孕周(39.3±0.3)周,经比较,两组患者的一般资料并无统计学意义(p>0.05)。

图2 杆塔监测软件倾角误差分析

测试结果表明,倾角监测算法可以实时输出高精度倾角监测值,倾角精度在0.5°以内,输出频率为5 Hz。

5 结语

本文研究的倾斜角监测算法充分利用了北斗卫星导航系统以及CORS网络的优势,可以应用于输电线杆塔倾斜角度测算。算法在基于ARM的嵌入式Linux系统中运行,借助于北斗接收机和4G模块,实现了杆塔姿态的实时监测,对于保障电力传输安全具有重要意义。

参考文献

〔1〕房俊龙,吕洪圣,赵朝阳,等.基于物联网技术的输电杆塔倾斜监测系统设计 〔J〕.电测与仪表,2015,52(1)：111-114.

〔2〕周柯宏,张烨,舒佳,等.输电线路杆塔倾斜度在线监测系统 〔J〕.广东电力,2013,26(7)：57-61.

〔3〕罗晶,陆佳政,李波,等.输电线路杆塔不平衡张力及倾斜监测装置的研究 〔J〕.湖南电力,2011,31(4)：1-3.

〔4〕杨鑫春,李征航,吴云.北斗卫星导航系统的星座及XPL性能分析 〔J〕.测绘学报,2011,38(S1)：68-72.

〔5〕肖玉钢,姜卫平,陈华,等.北斗卫星导航系统的毫米级精度变形监测算法与实现 〔J〕.测绘学报,2016,45(1)：16-21.

〔6〕詹先龙,刘瑞华,杨兆宁.北斗系统格网电离层延迟算法研究 〔J〕.航天控制,2012,30(1)： 15-19.

〔7〕李鹏,柴文兵,陈赛.高精度北斗车载差分定位装置的设计〔J〕.科学技术与工程,2015,15(35)：213-217.

〔8〕龙洋,许江涛,朱睿.CORS系统的技术特点及应用现状 〔J〕.山西建筑,2012,38(5)：231-232.

〔9〕王妍,孔祥仲,韩晓冰.华测GPS连续参考站系统 (CORS)定位精度检测方法 〔J〕.测绘与空间地理信息,2012,35(4)：155-156,159.

〔10〕肖玉钢,姜卫平,陈华,等.北斗卫星导航系统的毫米级精度变形监测算法与实现 〔J〕.测绘学报,2016,45(1)：16-21.

〔11〕丁盼,席瑞杰,肖玉钢.北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析 〔J〕.测绘通报,2016(4)：33-37.

〔12〕北斗建筑安全监测应用示范实施组.北斗高精度技术在地铁施工沿线重点建筑变形监测方案 〔J〕.建设科技,2016(6)：54-57.

〔13〕 N.Nadarajah,P.J.G Teunissen,J.M.Sleewaegen.The mixed-receiver BeiDou inter-satellite-type bias and its impact on RTK positioning 〔J〕.Gps Solutions,2014(19)： 1-12.

〔14〕 R Odolinski,PJG Teunissen,D Odijk.Combined GPS+BDSfor short to long baseline RTK positioning 〔J〕.Measurement Science＆Technology,2015,26(4)：1-16.

〔15〕 Odolinski,Robert,Odijk,et al.Combined GPS and BeiDou Instantaneous RTK Positioning 〔J〕.Navigation,2014,61(2)：135-148.