（2020年度“華蘇杯”獲獎(jiǎng)?wù)撐亩泉?jiǎng)）融合北斗與慣導(dǎo)定位的桿塔形變監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

王 欽 王國(guó)慶 鐘永良 薛俊偉

1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司；2.廣州醫(yī)科大學(xué)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歷經(jīng)多年發(fā)展，逐漸成為信息化時(shí)代不可或缺的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。2020年是北斗系統(tǒng)建設(shè)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(diǎn)，標(biāo)志著我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠更加深刻而廣泛地服務(wù)人們的生活。在新冠疫情抗疫物資配送、2020珠峰高程測(cè)量、智慧高速車輛監(jiān)控、農(nóng)業(yè)無人駕駛導(dǎo)航機(jī)械、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等許多領(lǐng)域中，北斗已經(jīng)逐漸替代國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)揮了重要作用。

第五代移動(dòng)通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）作為新基建中助推社會(huì)向數(shù)字化、信息化和智能化結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了滿足超多設(shè)備、超高密度、極低時(shí)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(jí)于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上，能充分利舊原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他資產(chǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中廣受行業(yè)支持。5G針對(duì)更加廣泛的通信場(chǎng)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(dǎo)航應(yīng)用的智慧融合。這種創(chuàng)新融合將會(huì)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(zāi)預(yù)警、消費(fèi)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(shè)施的穩(wěn)定關(guān)系到安全生產(chǎn)的進(jìn)行。大量地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的桿塔設(shè)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(shí)刻關(guān)注桿塔的振動(dòng)、傾倒情況，通過及時(shí)干預(yù)來避免重大損失。特別是近期發(fā)生的虎門大橋較長(zhǎng)時(shí)間、較大振幅的渦振事件，要求運(yùn)維部門完善自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制，降低可能的事故概率。

傳統(tǒng)的桿塔形變監(jiān)測(cè)方式過分依賴人力，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)；一些新型的衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一般使用將要退網(wǎng)的通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service ，GPRS）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且測(cè)量形變的精度不高。融合北斗與慣導(dǎo)定位的桿塔形變監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)采用北斗衛(wèi)星和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）慣性導(dǎo)航傳感器采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)，聯(lián)合計(jì)算塔基沉降、桿塔傾角、結(jié)構(gòu)風(fēng)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(luò)進(jìn)行信息傳輸，對(duì)桿塔健康狀態(tài)進(jìn)行高精度、全天候、自動(dòng)化、可視化的監(jiān)測(cè)，符合未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

融合北斗與慣導(dǎo)定位的桿塔形變監(jiān)測(cè)裝置，主要包括北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備、慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置、空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)、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(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置采集到的桿塔形變?nèi)诤蠑?shù)據(jù)，首先轉(zhuǎn)發(fā)至空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)。透明傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)經(jīng)過空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)進(jìn)行預(yù)處理后，通過多模物聯(lián)網(wǎng)通信模塊發(fā)送到后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。其中，太陽能電池與電源管理模塊相連，用于為監(jiān)測(cè)裝置中北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備、慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置和空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)的供電。為滿足室外環(huán)境需求，設(shè)計(jì)采用第三代鈣鈦礦太陽能電池，具有高光電轉(zhuǎn)化效率、高效能和高安全性，儲(chǔ)能電池組為工業(yè)用18650鈦酸鋰電池組，結(jié)合低功耗器件、芯片和模塊的使用，延長(zhǎng)無人管理自動(dòng)監(jiān)測(cè)的時(shí)間。輸入輸出面板用于設(shè)備安裝、調(diào)試和維護(hù)時(shí)的手動(dòng)控制，并能通過LED燈指示監(jiān)測(cè)裝置當(dāng)前的工作狀態(tài)。桿塔形變監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)整體框架

1.2 北斗和慣導(dǎo)融合定位

北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備由接收機(jī)和接收天線組成，根據(jù)測(cè)得的衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)被測(cè)量物體定位。接收機(jī)用于接收和處理北斗三號(hào)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，接收天線用于將衛(wèi)星信號(hào)聚集以提升接收信號(hào)質(zhì)量。最新的北斗三號(hào)衛(wèi)星星座創(chuàng)造性地使用了星間通信測(cè)量鏈路來實(shí)現(xiàn)相控陣星間鏈路，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)互通，進(jìn)一步提升了不依賴于地面系統(tǒng)的衛(wèi)星獨(dú)立測(cè)距、導(dǎo)航和通信能力。這也是繼雙向短信息服務(wù)之外，北斗定位系統(tǒng)相比于其它導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)有的特色功能。

慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置用于獲取被測(cè)量物體的慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過MEMS微機(jī)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(cè)裝置主要包含傳感器監(jiān)測(cè)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(cè)單元、通用外圍設(shè)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(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置交互數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)鐘同步管理。傳感器監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算。該傳感器主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)械傳感器的趨勢(shì)。如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置主要硬件構(gòu)成

1.3 空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)

空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)包括主控制模塊和通用外圍設(shè)備接口模塊，將北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備測(cè)得的差分?jǐn)?shù)據(jù)和慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置獲取的慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合預(yù)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(tái)。預(yù)處理平臺(tái)只對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)清洗，粗略進(jìn)行姿態(tài)解析判斷桿塔形變，而不做復(fù)雜數(shù)學(xué)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(shè)備接口模塊相連，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，經(jīng)過全球用戶識(shí)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(hào)預(yù)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(yù)處理平臺(tái)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(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器和放大器。DSP調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信的收發(fā)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器用來存取無線通信串行數(shù)據(jù)，放大器用于對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)使用型號(hào)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(yù)處理信號(hào)發(fā)送到基站并傳至后臺(tái)，并通過多模網(wǎng)絡(luò)接收后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳來的控制信息。

1.5 后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和空間數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)連接，用于對(duì)前端預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行融合姿態(tài)解算處理。后臺(tái)服務(wù)器有強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)慣導(dǎo)定位傳感監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)和北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備測(cè)得的衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后，通過融合定位軟件的解算得到桿塔形變最終的精確結(jié)果。同時(shí)，對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警并及時(shí)發(fā)送給維護(hù)人員，保障安全生產(chǎn)。長(zhǎng)期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以生成可視化數(shù)據(jù)報(bào)表，用于直觀監(jiān)測(cè)、研究桿塔健康狀態(tài)。監(jiān)測(cè)裝置可以通過接收后臺(tái)發(fā)送的遠(yuǎn)程控制信息執(zhí)行程序升級(jí)、故障自檢、簡(jiǎn)單修復(fù)等功能。

后臺(tái)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到融合處理的桿塔形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而判斷桿塔健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)過程是通過融合坐標(biāo)系中迭代求解四元數(shù)微分方程，解算四元數(shù)矩陣進(jìn)行姿態(tài)解析。包括：根據(jù)預(yù)處理融合的衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)與慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備輸出的衛(wèi)星差分?jǐn)?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(jī)械陀螺儀坐標(biāo)系中，將北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行差分定位沿x、y、z軸向的桿塔位移變量計(jì)為vecb=(xb，yb，zb)，修正系數(shù)為l，同一時(shí)刻，當(dāng)微機(jī)械陀螺儀跟隨桿塔的形變而發(fā)生正相關(guān)的位置移動(dòng)時(shí)，經(jīng)后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)計(jì)算得到位移變量vecm=(xm，ym，zm)，修正系數(shù)為δ，結(jié)合兩個(gè)測(cè)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(jì)算機(jī)不斷迭代，從而判斷桿塔位移方向、傾角等健康狀態(tài)。

2 結(jié)果分析

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

監(jiān)測(cè)點(diǎn)A：粵北山站單桿塔。地勢(shì)陡峭，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，一年內(nèi)除冬季外均有較多天的強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣。監(jiān)測(cè)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(hù)人員按要求需要每周核查數(shù)據(jù)，但謊報(bào)情況較為嚴(yán)重。監(jiān)測(cè)裝置安裝后，桿塔健康狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全天候的無人值守統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)更為真實(shí)和準(zhǔn)確，減輕了人力消耗。太陽能供電系統(tǒng)可以滿足監(jiān)測(cè)裝置在外部電源故障情況下的良好運(yùn)行。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)B：廣州城區(qū)樓面鐵塔。屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春季經(jīng)常有大風(fēng)天氣，夏季多雨炎熱。監(jiān)測(cè)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(jìn)入困難，維護(hù)人員需要很多時(shí)間預(yù)約業(yè)主合適的上站日期，嚴(yán)重影響工作進(jìn)度。監(jiān)測(cè)裝置安裝后，維護(hù)人員可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)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(cè)裝置的良好運(yùn)行提供穩(wěn)定的后備電源。

通過對(duì)5月份歷史數(shù)據(jù)的分析，繪制每天的平均風(fēng)力、最高風(fēng)速、桿塔傾角均值等信息如圖4，其中（a）、（c）反映整月監(jiān)測(cè)信息，（b）、（d）反映某一時(shí)點(diǎn)開始一分鐘內(nèi)桿塔形變位移與傾角變化信息。試驗(yàn)中，在桿塔上同時(shí)安裝了可離線檢測(cè)和存儲(chǔ)形變數(shù)據(jù)的陀螺儀檢測(cè)模塊，要求維護(hù)人員至少每隔兩天巡查站點(diǎn)一次，并記錄當(dāng)時(shí)的站點(diǎn)環(huán)境和桿塔情況。

圖4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)抽取裝置記錄的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比人工記錄的時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者誤差很小。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性符合預(yù)期，無人值守也節(jié)約了大量的人力成本。后期如果實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算等功能的擴(kuò)展性接入，將能夠直接把后臺(tái)的計(jì)算開銷下沉到離監(jiān)測(cè)裝置更近的基站處，后臺(tái)只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)果接收、存儲(chǔ)和分析，降低姿態(tài)解算、異常預(yù)警等功能的時(shí)延。而對(duì)于無人值守的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，異常預(yù)警功能的模型依賴于數(shù)據(jù)量和學(xué)習(xí)時(shí)間，會(huì)隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間、數(shù)據(jù)累積的增加而更準(zhǔn)確。監(jiān)測(cè)裝置具有運(yùn)行安全、體積小巧、安裝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定工作、超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，利用太陽能充電，結(jié)合低功耗監(jiān)測(cè)裝置和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，最大限度地實(shí)現(xiàn)無人值守的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完善和MEMS微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使各種創(chuàng)新應(yīng)用可以克服之前技術(shù)的不足，推動(dòng)行業(yè)智能化程度進(jìn)一步提升。更廣泛地，以5G技術(shù)融合北斗系統(tǒng)為基礎(chǔ)的應(yīng)用，將直接賦能基站建設(shè)、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(lǐng)域。

新基建需要大量的桿塔來部署智能設(shè)施，人工巡檢的成本和效率難以控制。融合北斗與慣導(dǎo)定位的桿塔形變監(jiān)測(cè)裝置，使用具有高光電轉(zhuǎn)化效率的第三代鈣鈦礦太陽能電池，結(jié)合低功耗器件、芯片和模塊的使用，延長(zhǎng)了無人管理自動(dòng)監(jiān)測(cè)的時(shí)間。通過空間數(shù)據(jù)處理和后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)量化監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，為工程建設(shè)和運(yùn)維人員提供快速識(shí)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(luò)實(shí)現(xiàn)桿體監(jiān)測(cè)裝置之間穩(wěn)定的廣域互聯(lián)，優(yōu)化了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制，降低人工監(jiān)測(cè)的誤差和成本。連續(xù)測(cè)量的大量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行融合計(jì)算后，可以實(shí)現(xiàn)精度在毫米以下的定位數(shù)據(jù)并形成可視化報(bào)告，方便更深層次的研究。