［秦 嶺］

通信鐵塔安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

［秦 嶺］

通信鐵塔 質(zhì)量檢測(cè) 全站儀 三維坐標(biāo)法 GPS VB軟件

秦 嶺

上海市通信管理局，碩士研究生，助理研究員，從事通信技術(shù)管理與研究工作。

1 引言

隨著“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略在全國(guó)范圍內(nèi)全面實(shí)施，我國(guó)三家基礎(chǔ)電信企業(yè)（中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通）于2015年均進(jìn)入4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大年。根據(jù)工業(yè)和信息化部于年初召開“寬帶中國(guó)”2015專項(xiàng)行動(dòng)動(dòng)員部署電視電話會(huì)議發(fā)布的信息，2015年全國(guó)將新建超過(guò)60萬(wàn)個(gè)4G移動(dòng)通信基站。僅以上海市為例，根據(jù)上海市通信管理局發(fā)布的《上海市2015年移動(dòng)通信基站建設(shè)計(jì)劃》中的數(shù)據(jù)，2015年上海各基礎(chǔ)電信企業(yè)共將建設(shè)移動(dòng)通信基站7490個(gè)，通信行業(yè)面臨巨大的鐵塔基站建設(shè)任務(wù)。

而通信鐵塔作為一種具有使用功能及有限壽命的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)產(chǎn)品，在投入使用前需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，在使用過(guò)程中也需要進(jìn)行定期檢測(cè)與維護(hù)。現(xiàn)如今移動(dòng)通信鐵塔的檢測(cè)在客觀上也存在一些問題：（1）通信鐵塔數(shù)量巨大，分布范圍廣而零散。通信鐵塔通常建在荒郊野外和農(nóng)村地區(qū)，處于無(wú)人看管、常年承受風(fēng)吹日曬雨淋的環(huán)境，造成傳統(tǒng)方式的鐵塔檢測(cè)面臨人少不足的問題；（2）隨著近年來(lái)移動(dòng)基站建設(shè)數(shù)量的激增，部分建設(shè)單位的建設(shè)和維護(hù)部門在思想上“重建設(shè)速度、輕質(zhì)量檢測(cè)”；（3）傳統(tǒng)的鐵塔檢測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)工效率低下，建設(shè)部門缺乏系統(tǒng)化檢測(cè)所必須的技術(shù)與儀器。

隨著我國(guó)4G網(wǎng)絡(luò)大發(fā)展的逐漸提速，移動(dòng)通信基站工程的施工、管理工作量也隨之增加，勢(shì)必需要依靠管理體系的科學(xué)化和技術(shù)進(jìn)步提供支撐。目前對(duì)通信鐵塔質(zhì)量驗(yàn)收普遍仍依靠驗(yàn)收人員爬上鐵塔對(duì)其主要質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行手工測(cè)量或者是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行目測(cè)等方法，因而存在著一定的危險(xiǎn)性和測(cè)量結(jié)果的不確定性，同時(shí)也存在著現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率低，檢測(cè)速度慢等不足之處。

針對(duì)以上情況，并依據(jù)工信部關(guān)于《通信鐵塔基礎(chǔ)工程質(zhì)量及技術(shù)驗(yàn)收規(guī)范》中所述及的通信鐵塔施工工程的驗(yàn)收要求，我們提出了研發(fā)通信鐵塔安裝質(zhì)量校正驗(yàn)收系統(tǒng)的技術(shù)方案。該系統(tǒng)包括改進(jìn)型的全站儀主機(jī)、平板電腦、測(cè)試和分析系統(tǒng)軟件?？蓽?zhǔn)確、方便地對(duì)鐵塔安裝工程中的鐵塔高度、鐵塔垂直偏移、天線俯仰角、天線方位角等主要質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，其樣機(jī)實(shí)物圖如圖1。

圖1樣機(jī)實(shí)物圖

針對(duì)通信鐵塔安裝質(zhì)量驗(yàn)收的特殊性，本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的全站儀進(jìn)行了改進(jìn)，特別是對(duì)其分劃板、部分電路進(jìn)行改裝和改進(jìn)，利用VB軟件編寫了專門的配套軟件。本測(cè)試系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)全站儀復(fù)雜的測(cè)量步驟，將全站儀僅當(dāng)著望遠(yuǎn)鏡使用，利用自編的軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)主機(jī)在鐵塔上測(cè)試特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并根據(jù)理論建模定量的計(jì)算出鐵塔驗(yàn)收中所需的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。另一方面，本系統(tǒng)配備了實(shí)時(shí)GPS采集模塊，可對(duì)每一個(gè)地理信息進(jìn)行定位，利用無(wú)線發(fā)射接收模塊通過(guò)GPRS系統(tǒng)可直接將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳送到相關(guān)管理部門的接收系統(tǒng)。

本系統(tǒng)結(jié)合了全站儀和平板電腦的優(yōu)點(diǎn)，具有測(cè)試精度高、測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)處理快、安全可靠、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通信鐵塔安裝質(zhì)量校正驗(yàn)收工作的數(shù)字化和智能化，推動(dòng)了通信鐵塔安裝工程質(zhì)量驗(yàn)收方法的技術(shù)進(jìn)步。

2 設(shè)計(jì)思想

（1）本方案采用具有取特征點(diǎn)功能的全站儀主機(jī)、三腳架、平板電腦、軟件等組成，利用自編軟件直接驅(qū)動(dòng)硬件，即將全站儀對(duì)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)后，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可完成測(cè)量和分析工作。本測(cè)試系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)克服了全站儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的操作復(fù)雜、存儲(chǔ)容量小等問題。

（2）本方案采用平板電腦與主機(jī)和三腳架配用，既方便又實(shí)用，利用VB軟件可實(shí)時(shí)記錄和處理數(shù)據(jù)，且利用軟件帶有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和查看。

3 檢測(cè)原理

該系統(tǒng)通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)全站儀主機(jī)，全站儀的測(cè)量模式選用距離測(cè)量模式，隨便可獲得三個(gè)原始數(shù)據(jù)：斜距、水平角、天頂距（即垂直角）。

斜距（SAC）：全站儀主機(jī)物鏡到所測(cè)點(diǎn)的直線距離。

水平角：目標(biāo)方向與初始置零方向（該系統(tǒng)以正北方向?yàn)槌跏贾昧惴较颍﹥上嘟恢本€之間的夾角在水平面上的投影。角值（0°～360°）

天頂距（垂直角）（βAC）：目標(biāo)方向與天頂方向的夾角稱為天頂距，本系統(tǒng)中也稱垂直角，其測(cè)量原理如圖2。

圖2 全站儀測(cè)量原理示意圖

方位角（αAC）：由直線一端的基本方向起，順時(shí)針方向至正北方向（也就是Y軸正方向）范圍（0°～360°），正方位角與反方位角是+或-180度關(guān)系。

豎直角，目標(biāo)方向與水平方向之間的夾角，稱為豎角。

平距（DAC）是平行于水準(zhǔn)面的直線距離，全站儀測(cè)量距離和高程的原理可成圖為直角三角形，平距是直角邊中的一條，高程是另一條，斜距（SAC）是直角三角形的斜邊，三者只要有兩個(gè)已知就可以求算另一個(gè)。另外，垂直角（βAC）和坐標(biāo)方位角（αAC）。

因此，測(cè)量主機(jī)測(cè)出被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)C的斜距（SAC），垂直角（AC），坐標(biāo)方位角（AC），可通過(guò)下列公式算出目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

由下式可先計(jì)算平距（DAC）：

因而可算出C點(diǎn)三維坐標(biāo)為

其中，（XA，YA，ZA）為主機(jī)所在位置的三維坐標(biāo)。在鐵塔上選取任意兩點(diǎn)可根據(jù)式（2）計(jì)算出三維坐標(biāo)，則可求出空間任意兩點(diǎn)的距離和給出空間直線方程，因而也可求出空間任意兩條直線之間的夾角。

通信鐵塔驗(yàn)收中所需的鐵塔垂直偏移、天線俯仰角、天線方位角與天線上沿與水平面的夾角、鐵塔高度等主要質(zhì)量指標(biāo)其特征點(diǎn)的選取和理論建模如下：

圖3為通信鐵塔三維模擬示意圖，在圖3中利用主機(jī)選取7個(gè)特征點(diǎn)，通過(guò)這7個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)可分別求出鐵塔垂直偏移、天線俯仰角、天線方位角、天線上沿與水平面的夾角、鐵塔安裝高度等。

圖3通信鐵塔

（1） 鐵塔高度

設(shè)第6點(diǎn)坐標(biāo)為（X6，Y6，Z6），第7點(diǎn)坐標(biāo)為（X7，Y7，Z7）。

（2）鐵塔垂直偏移

設(shè)在鐵塔上任意兩個(gè)位置選取中心線上的兩點(diǎn)，其第1點(diǎn)坐標(biāo)為（X1，Y1，Z1），第2點(diǎn)坐標(biāo)為（X2，Y2，Z2），如圖3，可根據(jù)公式（2）求出鐵塔垂直偏移。

鐵塔偏離豎直線的角度為：

鐵塔垂直偏移為：

（3）天線俯仰角

設(shè)在天線上任意兩個(gè)位置選取兩點(diǎn)，取點(diǎn)條件為保證兩點(diǎn)連線平行于天線側(cè)棱。其第3點(diǎn)坐標(biāo)為（X3，Y3，Z3），第4點(diǎn)坐標(biāo)為（X4，Y4，Z4），如圖3，可根據(jù)公式（3）求出天線俯仰角。

天線俯仰角為：

（4）天線方位角

設(shè)在天線上3號(hào)點(diǎn)右側(cè)任意位置取點(diǎn)，取點(diǎn)條件為保證兩點(diǎn)連線平行天線于頂棱。其第5點(diǎn)坐標(biāo)為（X5，Y5，Z5），如圖3，可根據(jù)公式（4）求出天線方位角。

天線方位角為：

圖4為通信鐵塔安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖：

圖4檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4中1為全站儀主機(jī)、2為平板電腦、3為無(wú)線發(fā)射接收模塊、4為GPS地理采集模塊。

系統(tǒng)采用VB語(yǔ)言平臺(tái)自行研發(fā)的檢測(cè)軟件，測(cè)試界面如圖5。在測(cè)試界面的上部選擇好鐵塔編號(hào)和天線編號(hào)，根據(jù)所測(cè)鐵塔的類型合理選擇檢測(cè)方案。

4 儀器主要技術(shù)參數(shù)

（1）角度測(cè)量

①測(cè)角方式：光電增量式

②光柵盤直徑（水平、豎直）79mm

圖5測(cè)試界面圖

③精度 2"級(jí)

（2）距離測(cè)量

①測(cè)程 300m

②精度 ±（3mm+ 2ppm·D）

（3）使用環(huán)境

工作環(huán)境溫度 －20°～+45°C

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想與工作原理，我們與江蘇省一高校研究機(jī)構(gòu)合作已經(jīng)研發(fā)出第一代樣機(jī)，并已經(jīng)成功地應(yīng)用于通信鐵塔的鐵塔高度、鐵塔垂直偏移、天線俯仰角、天線方位角等主要技術(shù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，與依靠驗(yàn)收人員爬上鐵塔的手工檢測(cè)結(jié)果相比較，在同樣滿足工程檢測(cè)精度的前提下，本系統(tǒng)的檢測(cè)速度明顯提高，更重要的是提高了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員的人身安全系數(shù)、減小了檢測(cè)工作量。目前，我們正在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況對(duì)第一代樣機(jī)進(jìn)行改造與完善，努力使其在技術(shù)層面逐步成熟，使之早日成為替代傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法的通信鐵塔新型檢測(cè)儀器，為通信鐵塔安裝質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)收工作提供有力的技術(shù)支持。

1上海市通信管理局.上海市2015年移動(dòng)通信基站建設(shè)計(jì)劃.2015年4月

2陶本才，徐衛(wèi)兵，喬植朋.用VisualBasic實(shí)現(xiàn)全站儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.科技資訊，2007，（28）:88～89

3汪濤.相位激光測(cè)距技術(shù)的研究.激光與紅外，2007，（1）:29～31

4楊坤濤.激光測(cè)試原理與技術(shù)［M ］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，1999，126- 135

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.016

2016-08-30）

根據(jù)工信部關(guān)于通信鐵塔安裝施工質(zhì)量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在對(duì)國(guó)內(nèi)通信鐵塔安裝質(zhì)量測(cè)試的方法進(jìn)行深入調(diào)研的基礎(chǔ)上提出了以全站儀為技術(shù)平臺(tái)、結(jié)合平板電腦和GPS地理采集模塊及專用檢測(cè)軟件應(yīng)用技術(shù)的通信鐵塔安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。主要工作在于嘗試并設(shè)計(jì)了以全站儀為工作平臺(tái)，利用其三維坐標(biāo)法進(jìn)行建模，采用平板電腦并借助于VB軟件編寫了一整套專門的測(cè)試軟件，對(duì)標(biāo)定環(huán)境中關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了定量研究，同時(shí)還對(duì)全站儀硬件部分做了必要的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了專門的標(biāo)定裝置，使該系統(tǒng)成功地應(yīng)用于通信鐵塔的鐵塔高度、鐵塔垂直偏移、天線俯仰角、天線方位角、鐵塔的地理信息等主要技術(shù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。