王宇 汪鵬 圖布信

摘?要：為提升桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)的精度，設(shè)計(jì)基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；谛l(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)方程和衛(wèi)星軌道編隊(duì)方式，采用衛(wèi)星編隊(duì)定位技術(shù)定位桿塔物理位置，根據(jù)在線綜合監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)置的傾角傳感器，實(shí)時(shí)采集桿塔傾斜角數(shù)據(jù)，計(jì)算桿塔傾斜度，并向CMA傳輸計(jì)算數(shù)據(jù)，判斷綜合傾斜度是否超出閾值，在超出閾值時(shí)及時(shí)預(yù)警，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包壓縮傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)衛(wèi)星間距為2?km時(shí)，誤碼率最低，且隨著衛(wèi)星數(shù)目的增加，誤碼率增長緩慢;塔架傾角最大誤差僅為0.19°，監(jiān)測(cè)精度高。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星編隊(duì);桿塔狀態(tài);在線綜合檢測(cè);傾角傳感器;斜度;監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站

中圖分類號(hào)：TM75??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design?of?Online?Comprehensive?Monitoring?System

for?Tower?Status?Based?on?Satellite?Formation

WANG?Yu，?WANG?Peng，?TU?Buxin

（Inner?Mongolia?Power?Research?Institute，Hohhot，Inner?Mongolia?010020，China）

Abstract：In?order?to?improve?the?accuracy?of?online?comprehensive?monitoring?of?tower?status，?an?online?comprehensive?monitoring?system?based?on?satellite?formation?is?designed.?Based?on?the?dynamic?equation?of?satellite?orbit?and?the?formation?mode?of?satellite?orbit，?the?physical?position?of?the?tower?is?located?by?using?the?satellite?formation?positioning?technology.?According?to?the?builtin?inclination?sensor?of?the?online?integrated?monitoring?device，?the?tower?inclination?angle?data?is?collected?in?real?time?to?calculate?the?tower?inclination，?and?the?calculation?data?is?transmitted?to?CMA?to?judge?whether?the?comprehensive?inclination?exceeds?the?threshold，?and?the?early?warning?is?timely?when?it?exceeds?the?threshold，?Through?GPRS?network，?the?monitoring?data?is?packaged?and?compressed?to?the?monitoring?center?to?realize?the?online?comprehensive?monitoring?of?tower?status.?The?experimental?results?show?that?when?the?distance?between?satellites?is?2?km，?the?bit?error?rate?is?the?lowest，?and?with?the?increase?of?the?number?of?satellites，?the?bit?error?rate?increases?slowly;?The?maximum?error?of?tower?inclination?is?only?0.19?°，?The?monitoring?accuracy?is?high.

Key?words：satellite?formation;?tower?status;?online?comprehensive?detection;?inclination?sensor;?slope;?monitoring?reference?station

伴隨著我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和國家基礎(chǔ)增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，目前我國已能為全國29個(gè)省提供厘米級(jí)高精度定位服務(wù)[1]。但在電網(wǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，逐步采用自主可控的高精度服務(wù)來取代前期?GPS（Global?Positioning?System，全球定位系統(tǒng)）服務(wù)，符合國家戰(zhàn)略的大趨勢(shì)。電力巡線和智能電網(wǎng)運(yùn)營等業(yè)務(wù)對(duì)高精度位置服務(wù)有著強(qiáng)烈的需求[2-5]。所以構(gòu)建高精度專有服務(wù)平臺(tái)，開發(fā)基于平臺(tái)的高精度應(yīng)用，可以在很大程度上滿足國家戰(zhàn)略、企業(yè)發(fā)展以及電力實(shí)際的業(yè)務(wù)需求[6-7]。

針對(duì)這一問題，陳文燦等[8]、侯慧等[9]開發(fā)了基于空間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的輸電桿塔工況在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了輸電桿塔塔腳腐蝕現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測(cè)桿塔工況，但檢測(cè)精度不高，有時(shí)會(huì)丟失監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

衛(wèi)星高精度定位相關(guān)技術(shù)不斷推陳出新，比較熱門的有星基定位、航測(cè)后處理、形變監(jiān)測(cè)、多頻定位等，高精度定位業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)如下：覆蓋范圍廣的地基增強(qiáng)站，大容量接入能力，高精度地圖技術(shù)，軟件定義接收機(jī)的?SDR，高精度手機(jī)，自動(dòng)駕駛/輔助駕駛，云端一體化技術(shù)。因此，本文提出了基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過衛(wèi)星編隊(duì)模型的設(shè)計(jì)，使桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加完善。

1?基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1中，基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)控中心以及監(jiān)測(cè)移動(dòng)站。監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)安裝在輸電塔上。監(jiān)測(cè)基站利用衛(wèi)星編隊(duì)定位各塔的物理坐標(biāo)，并通過射頻網(wǎng)絡(luò)與周邊監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)共享。通過射頻鏈路接收監(jiān)控基站的共享位置，對(duì)塔臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將GPRS（General?packet?radio?service，通用無線分組業(yè)務(wù)）網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包壓縮到監(jiān)控中心。利用衛(wèi)星編隊(duì)定位技術(shù)對(duì)塔架進(jìn)行精確定位，監(jiān)測(cè)塔架的位移狀態(tài)。為了獲取塔架的姿態(tài)信息，在監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)上設(shè)計(jì)了在線綜合監(jiān)測(cè)裝置。采用高精度傾角傳感器進(jìn)行在線綜合監(jiān)測(cè)，使管理人員能夠及時(shí)了解輸電線路的運(yùn)行狀況[10]，盡量避免因鐵塔位移、傾斜、下沉等引起的事故，實(shí)現(xiàn)輸電線路的數(shù)字化、自動(dòng)化管理。

1.2基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔定位

1.2.1?軌道動(dòng)力學(xué)方程—道動(dòng)力學(xué)方程

Hill方程即參考星與伴隨星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，當(dāng)存在外界攝動(dòng)影響時(shí)，假設(shè)參考星的半長軸大于伴隨星與參考星距離，在航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系下，Hill方程表示為：

公式（1）中，其他作用力具有合理的加速度（伴隨星與參考星除地球中心引力以外的），在軸上的分量依次用fx、fy以及fz描述。

由于監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站采用衛(wèi)星編隊(duì)實(shí)現(xiàn)桿塔的定位，衛(wèi)星基線長度以及基線的測(cè)量方式都可以由衛(wèi)星編隊(duì)方式?jīng)Q定，不同的編隊(duì)形式，產(chǎn)生不同的攝動(dòng)影響，為減小攝動(dòng)影響，需選擇比較穩(wěn)定的編隊(duì)方式，因此，設(shè)質(zhì)心軌道坐標(biāo)處于原點(diǎn)位置，保證Hill方程在外界攝動(dòng)影響下，不被修改，Hill方程轉(zhuǎn)換為：

1.2.2?編隊(duì)軌道設(shè)計(jì)模型

水平編隊(duì)、空間圓編隊(duì)、沿航向編隊(duì)以及串行編隊(duì)是衛(wèi)星編隊(duì)中常用的四種編隊(duì)飛行方式。其中，最簡單的一種方式是串行編隊(duì)方式，這種方法是指參考航天器和伴隨航天器按一定順序在同一軌道上運(yùn)行，具有運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[11-13]。

此刻，Hill方程在相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性退化為固定點(diǎn)時(shí)，可表示為：

公式（3）中，y0為初始條件。

1.2.3?編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)定位的RDOP描述

相對(duì)定位精度衰減因子（RDOP）是基于幾何精度衰減因子（GDOP）概念提出的。目前，鐵塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用“時(shí)測(cè)距離”的定位監(jiān)測(cè)方式。當(dāng)單點(diǎn)定位或絕對(duì)定位開始時(shí)，精度衰減系數(shù)和用戶的等效測(cè)距誤差可以同時(shí)確定其精度[14]。DOP可以反映導(dǎo)航衛(wèi)星的空間幾何分布，即獲取低軌衛(wèi)星和導(dǎo)航星座的軌道參數(shù)。

在絕對(duì)定位中，當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星m顆可見，可以線性化處理非線性偽距觀測(cè)方程，表示為：

公式（5）中，xj，yj，zjTj=1，…，m表示低軌衛(wèi)星的星載荷接收機(jī)概略位置與衛(wèi)星j之間的單位方向矢量，LOS（Line?of?Sight）表示伴隨星與參考星矢量距離

將元素全是1的m維矢量設(shè)為em，m顆導(dǎo)航衛(wèi)星LOS矢量建造的矩陣設(shè)為Am，則：

Hm=Am，…，em（6）

需要了解某一個(gè)接收機(jī)的絕對(duì)位置，確定實(shí)際的相對(duì)定位，設(shè)A為接收機(jī)，若在同一時(shí)刻獲得測(cè)量，為獲得雙差方程，將其中的第m顆衛(wèi)星當(dāng)作參考衛(wèi)星，可得公式為：

通過公式（8），可將DOP求解出來：

公式（9）中，下標(biāo)DD表示雙差，tr（°）表示矩陣的跡。因?yàn)殓姴畋浑p差消除，所以，相對(duì)的時(shí)間精度衰弱因子并不存在。

1.3?桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)裝置

1.3.1?硬件設(shè)計(jì)

為了獲取傾角傳感器監(jiān)測(cè)傾斜角數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了塔架傾斜角監(jiān)測(cè)裝置計(jì)算塔架傾斜角，并將數(shù)據(jù)傳輸給CMA（模塊化平臺(tái)）。該裝置的組成如圖2所示。

圖2中，桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)裝置主要包括控制單元、電源、RS485通訊和傾角傳感器。在塔架2/3的橫擔(dān)上安裝了兩軸傾角傳感器，可以采集垂直和水平方向的傾角，并通過RS485傳輸給系統(tǒng)控制單元。對(duì)于采集到的傾斜角，控制單元通過塔架傾斜角計(jì)算模塊計(jì)算出塔架傾斜角，然后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給CMA，傳輸過程中采用GPRS/CDMA/WiFi/3G/光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

1.3.2?軟件設(shè)計(jì)

（1）桿塔傾斜度計(jì)算原理

在系統(tǒng)中，在2/3桿塔高度處及頂部安裝雙軸傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓運(yùn)行中的桿塔橫向角以及順向角，對(duì)于綜合傾斜度G，采用空間直角坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，并存儲(chǔ)在主控制器中。

通過G描述綜合傾斜度，Gt描述橫向傾斜度，Gd描述順向傾斜度，由如下公式（10）、公式（11）、公式（12）表示：

當(dāng)不同桿塔的高度不同時(shí)，H與桿塔允許傾斜度的乘積是其最大允許傾斜范圍。當(dāng)計(jì)算得到桿塔綜合傾斜度G后，可對(duì)各桿塔綜合傾斜度G的報(bào)警閾值、預(yù)警閾值、提示閾值、正常值進(jìn)行設(shè)定。

（2）軟件流程圖

為使系統(tǒng)的功率損耗降低，設(shè)定手動(dòng)或定時(shí)形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[15]。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定事件時(shí)，傾角傳感器向系統(tǒng)控制單元傳送順向傾角與橫向傾角數(shù)據(jù)，并計(jì)算順向傾斜度與橫向傾斜度，判斷綜合傾斜度G是否超出閾值，依據(jù)判斷結(jié)果，決定是否執(zhí)行報(bào)警。

2?實(shí)驗(yàn)分析

為分析本文系統(tǒng)的性能，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某電網(wǎng)公司中，對(duì)該公司管轄區(qū)域內(nèi)的桿塔狀態(tài)進(jìn)行在線綜合監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)正式應(yīng)用之前，對(duì)系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行測(cè)試，分析具體功能是否正確運(yùn)行，是否達(dá)到預(yù)期的假設(shè)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表2可知，通過該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出7號(hào)線3號(hào)線桿水平擺動(dòng)傾斜度在7級(jí)風(fēng)力情況下最小，沿線擺動(dòng)變化略大于水平擺動(dòng)的變化，而在9級(jí)東南風(fēng)力情況下，5號(hào)線桿的擺動(dòng)傾斜度最大。

在衛(wèi)星間平均距離分別為2?km、4?km、6?km三種情況下，對(duì)本文系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在不同衛(wèi)星間距離的情況下，隨著衛(wèi)星個(gè)數(shù)的增加，誤碼率上升，當(dāng)衛(wèi)星間距離為6?km時(shí)，本文系統(tǒng)的誤碼率最高，衛(wèi)星距離為2?km時(shí)，本文系統(tǒng)的誤碼率最低。

選取文獻(xiàn)[8]的輸電桿塔塔腳腐蝕現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、文獻(xiàn)[9]的基于空間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)下輸電桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為本文的對(duì)比系統(tǒng)，分析誤碼率與衛(wèi)星個(gè)數(shù)的關(guān)系，分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著衛(wèi)星個(gè)數(shù)的增加，不同系統(tǒng)的誤碼率也隨之增加，但本文系統(tǒng)的誤碼率始終低于文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)。

通過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)角度，對(duì)不同系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的桿塔角度誤差進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，不同系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的桿塔傾斜角度存在的誤差不同，文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)的最大誤差為0.47°，文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的最大誤差為0.66°，但本文系統(tǒng)的最大誤差只有0.19°，同時(shí)，本文系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的角度誤差始終低于文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)，因此，本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度可以滿足對(duì)桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)的需求。

3?結(jié)?論

設(shè)計(jì)了基于衛(wèi)星編隊(duì)的桿塔狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用在線綜合監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)置的傾角傳感器實(shí)時(shí)采集塔架傾角數(shù)據(jù)，當(dāng)綜合傾斜角超過閾值時(shí)，及時(shí)預(yù)警，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包壓縮，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵塔狀態(tài)的在線綜合監(jiān)測(cè)，有助于技術(shù)人員在第一時(shí)間掌握輸電塔的運(yùn)行情況，在發(fā)生意外時(shí)及時(shí)并準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行搶修。

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