周航帆，傅 寧，馬 軍，劉宇翔，劉 昊

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

電力供給在我國實現(xiàn)經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中有著不可估量的作用，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力產(chǎn)業(yè)也不斷壯大，電力桿塔作為我國電力傳輸網(wǎng)絡中必不可少的基本工程，對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)令人十分擔憂，主要有兩個方面的原因?qū)е聴U塔傾斜甚至倒塌[2-4]：一、自然因素，包括長期定向風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)災害，以及在經(jīng)過一些復雜的區(qū)域如重覆冰區(qū)域?qū)е聴U塔本體發(fā)生異常甚至是導線斷裂等；二、人為因素，例如桿塔施工質(zhì)量不過關，地質(zhì)不均勻或者是桿塔周圍建筑施工導致的地基松動等。這些突發(fā)情況都會發(fā)生輸電線路中斷，對人民生活和建設都造成極大的影響。如果進行人為的巡檢，存在像“周期長”、“反饋慢”、“效率低”等現(xiàn)象，無法及時發(fā)覺桿塔傾斜會造成事態(tài)進一步惡劣。因此，對鐵塔傾斜進行實時監(jiān)測，具有非常重要的意義。

1 現(xiàn)狀與概述

1.1 現(xiàn)有的監(jiān)測方式與通信方式分析

當前常用的桿塔監(jiān)測方式有：

（1）高精度傳感器。這類物理學類的傳感器有傾斜儀、位移傳感器、微氣象傳感器、風速風向傳感器、應力傳感器等。該方法具有能夠高質(zhì)量的獲取局部相對的變形信息和外部信息，且能夠全天候、不間斷的觀測的優(yōu)點。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雜，以及只能觀測局部的形變，無法獲得桿塔三維具體形變和具體位置信息[5]；

（2）常規(guī)大地測量。例如經(jīng)緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等建立變形監(jiān)測網(wǎng)，進行周期性的變形觀測。這種方法具有測量精度高、資料可靠等優(yōu)點，但又有觀測工作量大、效率低、受氣候影響大、無法實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和測量過程的自動化，并要求監(jiān)測點與基點通視等缺點，這些缺點對變形監(jiān)測有非常不利的影響，沒辦法建立長期監(jiān)測系統(tǒng)[6]；

（3）北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。利用高精度北斗接收機以及差分定位的方式，能夠獲得毫米級的定位精度，建立三維觀測網(wǎng)絡相對簡單，還具有自動化程度高、不間斷觀測的優(yōu)點，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。在移動信號覆蓋區(qū)域使用廣泛，成本低，使用簡單，但是在移動信號盲區(qū)不能正常的進行通信；

（2）無線網(wǎng)橋或中繼器。主要彌補在偏遠山區(qū)沒有移動信號的缺陷，通過無線網(wǎng)橋搭建起監(jiān)測點到覆蓋移動通信信號地方之間的橋梁。

1.2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢

綜上所述，隨著北斗高精度定位的不斷成熟，北斗自動化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在滑坡體、工程、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應用并取得很好的效益?？梢岳帽倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)來建設一套穩(wěn)定、安全、可靠的桿塔監(jiān)測系統(tǒng)。北斗導航系統(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，使得北斗在形變監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛的應用[7-9]。因此，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建立的桿塔監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)揮其卓越的性能，為桿塔安全帶來極大的保障。

2 桿塔監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框架

北斗桿塔監(jiān)測系統(tǒng)有五個部分組成，電源管理、檢測采集、數(shù)據(jù)傳輸、前置接入和后臺管理。檢測采集系統(tǒng)中的北斗接收機通過移動通信技術或者作為備用通道的無線網(wǎng)橋傳輸至前置接入系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)解算，隨后將各個桿塔高精度的位置偏移量等接入到后臺業(yè)務管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對桿塔的監(jiān)測及預警。

圖1 桿塔監(jiān)測系統(tǒng)框架

2.2 北斗高精度定位技術

如圖2所示，北斗基準站和安裝在各個監(jiān)測點的監(jiān)測站中的每個北斗高精度接收機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、偽距等原始觀測量，通過4G路由器以及備用的無線網(wǎng)橋等通訊設備傳送到本地服務器的控制中心，控制中心根據(jù)每臺北斗接收機對應的IP地址、端口等區(qū)分好，本地服務器再進行結算，得到相應的位置偏移量等數(shù)據(jù)，對不同管理人員進行預警和告知。

圖2 北斗高精度定位監(jiān)測方案

北斗高精度定位技術的核心在于差分定位，目前在大多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)中使用的是載波相位差分技術（即RTK技術）[10]，RTK定位技術就是基于載波相位觀測量的定位技術?；鶞收緦⒆约核@得的載波相位觀測值、偽距以及站坐標，通過數(shù)據(jù)通信鏈發(fā)送到后臺處理中心，監(jiān)測站同樣也同步地發(fā)送自己的載波相位觀測值、偽距，后臺控制中心將各個監(jiān)測站以及基準站的原始數(shù)據(jù)進行完好性檢查以及網(wǎng)絡誤差模型建立，其中包括電離層誤差模型、對流層誤差模型、衛(wèi)星軌道模型等，可以達到動態(tài)“厘米級”、靜態(tài)“毫米級”定位[11]。

基站接收到的第i顆北斗衛(wèi)星的載波相位觀測量可寫為：

式中，λ北斗的載波波長為第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、對流層延時、電離層延時、多路徑誤差以及接收機噪聲。

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

一般基準站與監(jiān)測點的距離不超過30km，因此星歷誤差、電離層延時、對流層延時可看作一致，差分后的殘差非常小，基本可以忽略，多路徑誤差可以通過抗多徑效應的扼流圈天線去除，接收機鐘差與接收機噪聲在使用同一款接收機的情況下也可以忽略，Δφ（i）作為載波相位差分修正項在后臺位置解算時修正監(jiān)測站的原始觀測量，因此可以得到監(jiān)測站的載波相位觀測量：

式中，為監(jiān)測站到衛(wèi)星的距離；Nr為監(jiān)測站載波相位整周模糊度。因此，在經(jīng)過差分處理后的載波相位觀測量，如果實現(xiàn)了整周模糊度解算，就可以達到厘米級甚至是毫米級的定位精度[12-14]。

3 RTKLIB的應用

3.1 RTKLIB的介紹

RTKLIB是由東京海洋大學開發(fā)的開源程序包，支持多個GNSS的標準以及精準定位算法；能夠支持多種GNSS實時和后處理的模式，例如動態(tài)RTK、靜態(tài)RTK、PPP等；提供許多庫函數(shù)和接口函數(shù)，為從事監(jiān)測行業(yè)提供了一個很好的開發(fā)平臺。在本文提出的桿塔監(jiān)測系統(tǒng)中，采用RTKLIB框架來對桿塔進行實時監(jiān)測。

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++設計，無法滿足跨平臺需求。因此，在本系統(tǒng)中對這些問題進行一一修復，改進了北斗星歷讀取功能，同時也在Qt5上重新設計GUI滿足跨平臺需求。

3.2 基于RTKLIB軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計包含了四個模塊：文件讀取、偽距單點定位、RTK定位解算以及結果輸出。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的基礎上通過修改頻率的優(yōu)先級增加了讀取北斗觀測文件，并增加了北斗廣播星歷讀取函數(shù)；偽距單點定位功能中主要是將基準站進行多次定位取得平均值，并得到衛(wèi)星坐標和鐘差信息，組成雙差觀測方程；在RTK解算流程中，在RTKLIB基礎上添加了DCB改正；在結果輸出中，在RTKLIB基礎上增加了參考框架、衛(wèi)星系統(tǒng)、時間、定位狀態(tài)以及精度指標等內(nèi)容的輸出。

4 結束語

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

圖4 監(jiān)測站施工完成效果圖

圖5 監(jiān)測站選址及效果圖

該桿塔監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程。本監(jiān)測系統(tǒng)的作用是成為一個功能強大并能真正長期用于結構損傷和狀態(tài)評估，滿足固體建筑物管理和運營的需要，同時又具經(jīng)濟效益的結構健康安全監(jiān)控系統(tǒng)。在實際使用過程中，可以對電力桿塔進行長期并且有效的監(jiān)測。

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