（2020年度“華蘇杯”獲獎論文二等獎）融合北斗與慣導定位的桿塔形變監(jiān)測裝置設計

王 欽 王國慶 鐘永良 薛俊偉

1.中通服咨詢設計研究院有限公司；2.廣州醫(yī)科大學

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)歷經(jīng)多年發(fā)展，逐漸成為信息化時代不可或缺的空間信息基礎設施。2020年是北斗系統(tǒng)建設的收官之年，全球系統(tǒng)第55顆組網(wǎng)衛(wèi)星于6月成功發(fā)射并定點，標志著我國擁有自主知識產(chǎn)權的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)能夠更加深刻而廣泛地服務人們的生活。在新冠疫情抗疫物資配送、2020珠峰高程測量、智慧高速車輛監(jiān)控、農(nóng)業(yè)無人駕駛導航機械、地質(zhì)災害監(jiān)測預警等許多領域中，北斗已經(jīng)逐漸替代國外導航系統(tǒng)，發(fā)揮了重要作用。

第五代移動通信新空口技術（5G New Radio，5G NR）作為新基建中助推社會向數(shù)字化、信息化和智能化結構調(diào)整和轉型升級的關鍵技術，設計實現(xiàn)了滿足超多設備、超高密度、極低時延、極大速率和更廣范圍的通信能力。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可以平滑升級于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡之上，能充分利舊原有的網(wǎng)絡設備和其他資產(chǎn)，減少網(wǎng)絡的重復建設，在物聯(lián)網(wǎng)技術中廣受行業(yè)支持。5G針對更加廣泛的通信場景和廣域互聯(lián)的需求，提供了更好的支撐，其中包括物聯(lián)網(wǎng)與北斗導航應用的智慧融合。這種創(chuàng)新融合將會在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、防災預警、消費產(chǎn)品等方面發(fā)揮更大的作用。

在通信、電力、建筑等行業(yè)，通信桿塔、電力桿塔、市政燈桿、施工塔吊等設施的穩(wěn)定關系到安全生產(chǎn)的進行。大量地處偏遠地區(qū)的桿塔設施需要經(jīng)受惡劣的地質(zhì)、天氣、人為等因素的影響，需要時刻關注桿塔的振動、傾倒情況，通過及時干預來避免重大損失。特別是近期發(fā)生的虎門大橋較長時間、較大振幅的渦振事件，要求運維部門完善自動監(jiān)測系統(tǒng)預警機制，降低可能的事故概率。

傳統(tǒng)的桿塔形變監(jiān)測方式過分依賴人力，無法實現(xiàn)自動化在線監(jiān)測；一些新型的衛(wèi)星定位監(jiān)測系統(tǒng)，一般使用將要退網(wǎng)的通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service ，GPRS）進行數(shù)據(jù)傳輸，并且測量形變的精度不高。融合北斗與慣導定位的桿塔形變監(jiān)測裝置，同時采用北斗衛(wèi)星和微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）慣性導航傳感器采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)，聯(lián)合計算塔基沉降、桿塔傾角、結構風荷載等桿塔健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，并使用NB-IoT和5G NR互為備份的多模網(wǎng)絡進行信息傳輸，對桿塔健康狀態(tài)進行高精度、全天候、自動化、可視化的監(jiān)測，符合未來發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架設計

融合北斗與慣導定位的桿塔形變監(jiān)測裝置，主要包括北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備、慣導定位傳感監(jiān)測裝置、空間數(shù)據(jù)預處理平臺、多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、太陽能電池、電源管理模塊、輸入輸出面板和后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。

衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)和慣導定位傳感監(jiān)測裝置采集到的桿塔形變?nèi)诤蠑?shù)據(jù)，首先轉發(fā)至空間數(shù)據(jù)預處理平臺。透明傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)經(jīng)過空間數(shù)據(jù)預處理平臺進行預處理后，通過多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。其中，太陽能電池與電源管理模塊相連，用于為監(jiān)測裝置中北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備、慣導定位傳感監(jiān)測裝置和空間數(shù)據(jù)預處理平臺的供電。為滿足室外環(huán)境需求，設計采用第三代鈣鈦礦太陽能電池，具有高光電轉化效率、高效能和高安全性，儲能電池組為工業(yè)用18650鈦酸鋰電池組，結合低功耗器件、芯片和模塊的使用，延長無人管理自動監(jiān)測的時間。輸入輸出面板用于設備安裝、調(diào)試和維護時的手動控制，并能通過LED燈指示監(jiān)測裝置當前的工作狀態(tài)。桿塔形變監(jiān)測裝置系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測裝置系統(tǒng)整體框架

1.2 北斗和慣導融合定位

北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備由接收機和接收天線組成，根據(jù)測得的衛(wèi)星差分數(shù)據(jù)對被測量物體定位。接收機用于接收和處理北斗三號衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，接收天線用于將衛(wèi)星信號聚集以提升接收信號質(zhì)量。最新的北斗三號衛(wèi)星星座創(chuàng)造性地使用了星間通信測量鏈路來實現(xiàn)相控陣星間鏈路，實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)互通，進一步提升了不依賴于地面系統(tǒng)的衛(wèi)星獨立測距、導航和通信能力。這也是繼雙向短信息服務之外，北斗定位系統(tǒng)相比于其它導航系統(tǒng)獨有的特色功能。

慣導定位傳感監(jiān)測裝置用于獲取被測量物體的慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過MEMS微機械陀螺儀數(shù)字化輸出的加速度、角速度、磁數(shù)據(jù)的變化得到桿塔形變數(shù)據(jù)。傳感監(jiān)測裝置主要包含傳感器監(jiān)測單元、傳感器接口模塊、協(xié)處理器模塊。協(xié)處理器模塊分別與傳感器監(jiān)測單元、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊相連，處理和多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊相連的慣導定位傳感監(jiān)測裝置交互數(shù)據(jù)，進行時鐘同步管理。傳感器監(jiān)測單元選用InvenSense公司九軸MEMS慣性傳感器MPU9250開發(fā)，內(nèi)部集成16位高精度模數(shù)轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和數(shù)字運動處理器，可以直接向外輸出完整的九軸傳感器融合演算數(shù)據(jù)，便于實現(xiàn)姿態(tài)解算。該傳感器主要優(yōu)點是體積小、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，具有取代傳統(tǒng)機械傳感器的趨勢。如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置主要硬件構成

1.3 空間數(shù)據(jù)預處理平臺

空間數(shù)據(jù)預處理平臺包括主控制模塊和通用外圍設備接口模塊，將北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備測得的差分數(shù)據(jù)和慣導定位傳感監(jiān)測裝置獲取的慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)進行融合預處理，并最終將數(shù)據(jù)通過多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊發(fā)到后臺。預處理平臺只對原始數(shù)據(jù)進行簡單數(shù)據(jù)清洗，粗略進行姿態(tài)解析判斷桿塔形變，而不做復雜數(shù)學解算。主控制模塊使用德州儀器低功耗MSP430F169微控制器，分別與射頻核心模塊和通用外圍設備接口模塊相連，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后，經(jīng)過全球用戶識別卡（Universal Subscriber Identity Module，USIM）接口和射頻核心模塊發(fā)送到云端。主控制模塊在將信號預處理完成并傳到射頻核心模塊后，直到下一次接收到新的數(shù)據(jù)或其他喚醒指令前，都將處于睡眠狀態(tài)，從而降低空間數(shù)據(jù)預處理平臺的功耗水平。

1.4 多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊集成NB-IoT和5G NR通信能力，包括射頻核心模塊和天線。射頻核心模塊中封裝了NB-IoT和5G NR集成模組，互為通信穩(wěn)定性備份。分別使用BC28 NBIoT模組和RG500Q 5G NR模組（內(nèi)含高通公司X55 5G調(diào)制解調(diào)器），兩者連接組成無線通信模塊。射頻核心模塊具體包括數(shù)字鎖相環(huán)、DSP調(diào)制解調(diào)器、靜態(tài)隨機存取存儲器、只讀存儲器和放大器。DSP調(diào)制解調(diào)器負責對物聯(lián)網(wǎng)通信的收發(fā)信號進行數(shù)字信號處理，靜態(tài)隨機存取存儲器用來存取無線通信串行數(shù)據(jù)，放大器用于對射頻信號進行功率放大并與天線相連。

圖3 多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊連接方式

其中，設計使用型號為AC-Q7035-N4的多頻天線，可滿足-40℃到80℃的工作環(huán)境，用于穩(wěn)定地將預處理信號發(fā)送到基站并傳至后臺，并通過多模網(wǎng)絡接收后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺傳來的控制信息。

1.5 后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺

后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺和空間數(shù)據(jù)預處理平臺連接，用于對前端預處理數(shù)據(jù)進行融合姿態(tài)解算處理。后臺服務器有強大的計算能力，對慣導定位傳感監(jiān)測裝置測得的慣性導航數(shù)據(jù)和北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備測得的衛(wèi)星差分數(shù)據(jù)進行校驗后，通過融合定位軟件的解算得到桿塔形變最終的精確結果。同時，對異常情況進行預警并及時發(fā)送給維護人員，保障安全生產(chǎn)。長期存儲的數(shù)據(jù)可以生成可視化數(shù)據(jù)報表，用于直觀監(jiān)測、研究桿塔健康狀態(tài)。監(jiān)測裝置可以通過接收后臺發(fā)送的遠程控制信息執(zhí)行程序升級、故障自檢、簡單修復等功能。

后臺接收數(shù)據(jù)并進行處理，得到融合處理的桿塔形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而判斷桿塔健康狀態(tài)，實現(xiàn)過程是通過融合坐標系中迭代求解四元數(shù)微分方程，解算四元數(shù)矩陣進行姿態(tài)解析。包括：根據(jù)預處理融合的衛(wèi)星差分數(shù)據(jù)與慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)，計算北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備輸出的衛(wèi)星差分數(shù)據(jù)中包括的桿塔差分定位位移變量，在慣性傳感器微機械陀螺儀坐標系中，將北斗衛(wèi)星監(jiān)測點設備進行差分定位沿x、y、z軸向的桿塔位移變量計為vecb=(xb，yb，zb)，修正系數(shù)為l，同一時刻，當微機械陀螺儀跟隨桿塔的形變而發(fā)生正相關的位置移動時，經(jīng)后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺計算得到位移變量vecm=(xm，ym，zm)，修正系數(shù)為δ，結合兩個測量數(shù)據(jù)，得到桿塔形變的融合數(shù)據(jù)為vec=δ·vecm+l·vecb，通過計算機不斷迭代，從而判斷桿塔位移方向、傾角等健康狀態(tài)。

2 結果分析

方案進行了兩個通信基站桿塔健康狀態(tài)監(jiān)測，得到測試數(shù)據(jù)如下。

監(jiān)測點A：粵北山站單桿塔。地勢陡峭，屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，一年內(nèi)除冬季外均有較多天的強風等惡劣天氣。監(jiān)測裝置安裝于通信桿塔離地高34米處抱桿，U型螺栓固定。維護人員按要求需要每周核查數(shù)據(jù)，但謊報情況較為嚴重。監(jiān)測裝置安裝后，桿塔健康狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)實現(xiàn)全天候的無人值守統(tǒng)計，數(shù)據(jù)更為真實和準確，減輕了人力消耗。太陽能供電系統(tǒng)可以滿足監(jiān)測裝置在外部電源故障情況下的良好運行。

監(jiān)測點B：廣州城區(qū)樓面鐵塔。屬南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，冬春季經(jīng)常有大風天氣，夏季多雨炎熱。監(jiān)測裝置安裝于離地面47米高處的鐵塔鋼架上，U型螺栓固定。該物業(yè)進入困難，維護人員需要很多時間預約業(yè)主合適的上站日期，嚴重影響工作進度。監(jiān)測裝置安裝后，維護人員可以實時遠程監(jiān)控桿塔健康狀態(tài)數(shù)據(jù)。太陽能供電系統(tǒng)為監(jiān)測裝置的良好運行提供穩(wěn)定的后備電源。

通過對5月份歷史數(shù)據(jù)的分析，繪制每天的平均風力、最高風速、桿塔傾角均值等信息如圖4，其中（a）、（c）反映整月監(jiān)測信息，（b）、（d）反映某一時點開始一分鐘內(nèi)桿塔形變位移與傾角變化信息。試驗中，在桿塔上同時安裝了可離線檢測和存儲形變數(shù)據(jù)的陀螺儀檢測模塊，要求維護人員至少每隔兩天巡查站點一次，并記錄當時的站點環(huán)境和桿塔情況。

圖4 監(jiān)測結果分析

經(jīng)抽取裝置記錄的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比人工記錄的時點數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者誤差很小。結果表明，數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性符合預期，無人值守也節(jié)約了大量的人力成本。后期如果實現(xiàn)網(wǎng)絡切片和邊緣計算等功能的擴展性接入，將能夠直接把后臺的計算開銷下沉到離監(jiān)測裝置更近的基站處，后臺只需要進行簡單的結果接收、存儲和分析，降低姿態(tài)解算、異常預警等功能的時延。而對于無人值守的全自動監(jiān)測，異常預警功能的模型依賴于數(shù)據(jù)量和學習時間，會隨著監(jiān)測時間、數(shù)據(jù)累積的增加而更準確。監(jiān)測裝置具有運行安全、體積小巧、安裝簡單、穩(wěn)定工作、超低功耗的優(yōu)點，利用太陽能充電，結合低功耗監(jiān)測裝置和物聯(lián)網(wǎng)設備，最大限度地實現(xiàn)無人值守的長期自動監(jiān)測。

3 結束語

5G網(wǎng)絡的大規(guī)模建設、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完善和MEMS微電子技術的快速發(fā)展，使各種創(chuàng)新應用可以克服之前技術的不足，推動行業(yè)智能化程度進一步提升。更廣泛地，以5G技術融合北斗系統(tǒng)為基礎的應用，將直接賦能基站建設、城際高鐵和城市軌道交通、特高壓、新能源充電樁、人工智能、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新基建七大領域。

新基建需要大量的桿塔來部署智能設施，人工巡檢的成本和效率難以控制。融合北斗與慣導定位的桿塔形變監(jiān)測裝置，使用具有高光電轉化效率的第三代鈣鈦礦太陽能電池，結合低功耗器件、芯片和模塊的使用，延長了無人管理自動監(jiān)測的時間。通過空間數(shù)據(jù)處理和后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺量化監(jiān)測業(yè)務應用，為工程建設和運維人員提供快速識別和解決問題的有效依據(jù)，利用NB-IoT和5G NR互為備份的多模網(wǎng)絡實現(xiàn)桿體監(jiān)測裝置之間穩(wěn)定的廣域互聯(lián)，優(yōu)化了監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸機制，降低人工監(jiān)測的誤差和成本。連續(xù)測量的大量數(shù)據(jù)，在進行融合計算后，可以實現(xiàn)精度在毫米以下的定位數(shù)據(jù)并形成可視化報告，方便更深層次的研究。