北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

周航帆，傅 寧，馬 軍，劉宇翔，劉 昊

（1.天津市普迅電力信息技術(shù)有限公司，天津 300308；2.國(guó)網(wǎng)思極神往位置服務(wù)（北京）有限公司，北京 100031）

電力供給在我國(guó)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過(guò)程中有著不可估量的作用，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力產(chǎn)業(yè)也不斷壯大，電力桿塔作為我國(guó)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中必不可少的基本工程，對(duì)其安全性的保障是極其必要的[1]。然而，目前的桿塔安全狀態(tài)令人十分擔(dān)憂(yōu)，主要有兩個(gè)方面的原因?qū)е聴U塔傾斜甚至倒塌[2-4]：一、自然因素，包括長(zhǎng)期定向風(fēng)舞造成桿塔受力不勻，地震、山體滑坡、泥石流等不可抗拒的地質(zhì)災(zāi)害，以及在經(jīng)過(guò)一些復(fù)雜的區(qū)域如重覆冰區(qū)域?qū)е聴U塔本體發(fā)生異常甚至是導(dǎo)線(xiàn)斷裂等；二、人為因素，例如桿塔施工質(zhì)量不過(guò)關(guān)，地質(zhì)不均勻或者是桿塔周?chē)ㄖ┕?dǎo)致的地基松動(dòng)等。這些突發(fā)情況都會(huì)發(fā)生輸電線(xiàn)路中斷，對(duì)人民生活和建設(shè)都造成極大的影響。如果進(jìn)行人為的巡檢，存在像“周期長(zhǎng)”、“反饋慢”、“效率低”等現(xiàn)象，無(wú)法及時(shí)發(fā)覺(jué)桿塔傾斜會(huì)造成事態(tài)進(jìn)一步惡劣。因此，對(duì)鐵塔傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有非常重要的意義。

1 現(xiàn)狀與概述

1.1 現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方式與通信方式分析

當(dāng)前常用的桿塔監(jiān)測(cè)方式有：

（1）高精度傳感器。這類(lèi)物理學(xué)類(lèi)的傳感器有傾斜儀、位移傳感器、微氣象傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、應(yīng)力傳感器等。該方法具有能夠高質(zhì)量的獲取局部相對(duì)的變形信息和外部信息，且能夠全天候、不間斷的觀(guān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。但是，該方式需要用到多種傳感器配合使用，在數(shù)據(jù)融合方面的算法較為復(fù)雜，以及只能觀(guān)測(cè)局部的形變，無(wú)法獲得桿塔三維具體形變和具體位置信息[5]；

（2）常規(guī)大地測(cè)量。例如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等建立變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行周期性的變形觀(guān)測(cè)。這種方法具有測(cè)量精度高、資料可靠等優(yōu)點(diǎn)，但又有觀(guān)測(cè)工作量大、效率低、受氣候影響大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化，并要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)通視等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)對(duì)變形監(jiān)測(cè)有非常不利的影響，沒(méi)辦法建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]；

（3）北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。利用高精度北斗接收機(jī)以及差分定位的方式，能夠獲得毫米級(jí)的定位精度，建立三維觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，還具有自動(dòng)化程度高、不間斷觀(guān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，因此目前使用比較廣泛。

目前常用的數(shù)據(jù)通信方式有：

（1）常規(guī)地面通信網(wǎng)絡(luò)。在移動(dòng)信號(hào)覆蓋區(qū)域使用廣泛，成本低，使用簡(jiǎn)單，但是在移動(dòng)信號(hào)盲區(qū)不能正常的進(jìn)行通信；

（2）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋或中繼器。主要彌補(bǔ)在偏遠(yuǎn)山區(qū)沒(méi)有移動(dòng)信號(hào)的缺陷，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋搭建起監(jiān)測(cè)點(diǎn)到覆蓋移動(dòng)通信信號(hào)地方之間的橋梁。

1.2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

綜上所述，隨著北斗高精度定位的不斷成熟，北斗自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在滑坡體、工程、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益?？梢岳帽倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)建設(shè)一套穩(wěn)定、安全、可靠的桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的靜態(tài)差分定位具有高精度、高效益、全天候、全方位等的優(yōu)勢(shì)，使得北斗在形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[7-9]。因此，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建立的桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)揮其卓越的性能，為桿塔安全帶來(lái)極大的保障。

2 桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

北斗桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有五個(gè)部分組成，電源管理、檢測(cè)采集、數(shù)據(jù)傳輸、前置接入和后臺(tái)管理。檢測(cè)采集系統(tǒng)中的北斗接收機(jī)通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)或者作為備用通道的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋傳輸至前置接入系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，隨后將各個(gè)桿塔高精度的位置偏移量等接入到后臺(tái)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔的監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

圖1 桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2.2 北斗高精度定位技術(shù)

如圖2所示，北斗基準(zhǔn)站和安裝在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)站中的每個(gè)北斗高精度接收機(jī)試試同步輸出北斗的原始數(shù)據(jù)，其中包含了高精度差分解算的所必要的載波相位數(shù)據(jù)、星歷、偽距等原始觀(guān)測(cè)量，通過(guò)4G路由器以及備用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋等通訊設(shè)備傳送到本地服務(wù)器的控制中心，控制中心根據(jù)每臺(tái)北斗接收機(jī)對(duì)應(yīng)的IP地址、端口等區(qū)分好，本地服務(wù)器再進(jìn)行結(jié)算，得到相應(yīng)的位置偏移量等數(shù)據(jù)，對(duì)不同管理人員進(jìn)行預(yù)警和告知。

圖2 北斗高精度定位監(jiān)測(cè)方案

北斗高精度定位技術(shù)的核心在于差分定位，目前在大多數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的是載波相位差分技術(shù)（即RTK技術(shù)）[10]，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀(guān)測(cè)量的定位技術(shù)?；鶞?zhǔn)站將自己所獲得的載波相位觀(guān)測(cè)值、偽距以及站坐標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈發(fā)送到后臺(tái)處理中心，監(jiān)測(cè)站同樣也同步地發(fā)送自己的載波相位觀(guān)測(cè)值、偽距，后臺(tái)控制中心將各個(gè)監(jiān)測(cè)站以及基準(zhǔn)站的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行完好性檢查以及網(wǎng)絡(luò)誤差模型建立，其中包括電離層誤差模型、對(duì)流層誤差模型、衛(wèi)星軌道模型等，可以達(dá)到動(dòng)態(tài)“厘米級(jí)”、靜態(tài)“毫米級(jí)”定位[11]。

基站接收到的第i顆北斗衛(wèi)星的載波相位觀(guān)測(cè)量可寫(xiě)為：

式中，λ北斗的載波波長(zhǎng)為第i顆衛(wèi)星的載波相位；r（pb，表示基站到衛(wèi)星i的距離；c是光速；δtb是接收機(jī)與衛(wèi)星的鐘差；Nb是基站載波相位整周模糊度；Eeph、Tiono、Ttron、MPb、εr分別表示星歷誤差、對(duì)流層延時(shí)、電離層延時(shí)、多路徑誤差以及接收機(jī)噪聲。

由于基站的位置已知，衛(wèi)星位置可以通過(guò)星歷數(shù)據(jù)計(jì)算得到，因此可以由計(jì)算得到，所以北斗衛(wèi)星的載波相位修正量為：

一般基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離不超過(guò)30km，因此星歷誤差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)可看作一致，差分后的殘差非常小，基本可以忽略，多路徑誤差可以通過(guò)抗多徑效應(yīng)的扼流圈天線(xiàn)去除，接收機(jī)鐘差與接收機(jī)噪聲在使用同一款接收機(jī)的情況下也可以忽略，Δφ（i）作為載波相位差分修正項(xiàng)在后臺(tái)位置解算時(shí)修正監(jiān)測(cè)站的原始觀(guān)測(cè)量，因此可以得到監(jiān)測(cè)站的載波相位觀(guān)測(cè)量：

式中，為監(jiān)測(cè)站到衛(wèi)星的距離；Nr為監(jiān)測(cè)站載波相位整周模糊度。因此，在經(jīng)過(guò)差分處理后的載波相位觀(guān)測(cè)量，如果實(shí)現(xiàn)了整周模糊度解算，就可以達(dá)到厘米級(jí)甚至是毫米級(jí)的定位精度[12-14]。

3 RTKLIB的應(yīng)用

3.1 RTKLIB的介紹

RTKLIB是由東京海洋大學(xué)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源程序包，支持多個(gè)GNSS的標(biāo)準(zhǔn)以及精準(zhǔn)定位算法；能夠支持多種GNSS實(shí)時(shí)和后處理的模式，例如動(dòng)態(tài)RTK、靜態(tài)RTK、PPP等；提供許多庫(kù)函數(shù)和接口函數(shù)，為從事監(jiān)測(cè)行業(yè)提供了一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在本文提出的桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用RTKLIB框架來(lái)對(duì)桿塔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

但是，RTKLIB也存在著一些缺陷，其源代碼不支持北斗系統(tǒng)的解算。它的GUI使用早期的Borland C++設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足跨平臺(tái)需求。因此，在本系統(tǒng)中對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行一一修復(fù)，改進(jìn)了北斗星歷讀取功能，同時(shí)也在Qt5上重新設(shè)計(jì)GUI滿(mǎn)足跨平臺(tái)需求。

3.2 基于RTKLIB軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含了四個(gè)模塊：文件讀取、偽距單點(diǎn)定位、RTK定位解算以及結(jié)果輸出。圖3給出的是軟件的解算流程。

圖3 軟件解算流程圖

在文件讀取中，本系統(tǒng)在RTKLIB的基礎(chǔ)上通過(guò)修改頻率的優(yōu)先級(jí)增加了讀取北斗觀(guān)測(cè)文件，并增加了北斗廣播星歷讀取函數(shù)；偽距單點(diǎn)定位功能中主要是將基準(zhǔn)站進(jìn)行多次定位取得平均值，并得到衛(wèi)星坐標(biāo)和鐘差信息，組成雙差觀(guān)測(cè)方程；在RTK解算流程中，在RTKLIB基礎(chǔ)上添加了DCB改正；在結(jié)果輸出中，在RTKLIB基礎(chǔ)上增加了參考框架、衛(wèi)星系統(tǒng)、時(shí)間、定位狀態(tài)以及精度指標(biāo)等內(nèi)容的輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

如圖4、圖5所示，為部分監(jiān)測(cè)站的效果圖，能夠非常有效的監(jiān)測(cè)桿塔地表的形變。

圖4 監(jiān)測(cè)站施工完成效果圖

圖5 監(jiān)測(cè)站選址及效果圖

該桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用是成為一個(gè)功能強(qiáng)大并能真正長(zhǎng)期用于結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評(píng)估，滿(mǎn)足固體建筑物管理和運(yùn)營(yíng)的需要，同時(shí)又具經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)控系統(tǒng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，可以對(duì)電力桿塔進(jìn)行長(zhǎng)期并且有效的監(jiān)測(cè)。

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