CN111707232A - 一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，包括铁塔、摄像头、反光板、天线一、天线二、天线三、天线四，所述铁塔的顶部四个方向上分别设有天线一、天线二、天线三、天线四，铁塔的底部设有摄像头，摄像头的镜头方向上设有反光板，反光板的上方垂直位置设有激光发射器，激光发射器安装在铁塔的上部，摄像头、反光板和激光发射器的位置关系满足激光发射器发射的激光束经过反光板后被摄像头捕捉，铁塔的内部设有预警系统；本发明的有益效果是：1、利用北斗差分定位技术，高精度测量铁塔姿态和沉降。2、四个天线的配合使用，实现铁塔多位置融合解算，进行指数滤波，消除数据的抖动，提高铁塔形变模块建立的准确性。

Description

一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体是一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置。

背景技术

近年来，随着国家高铁网络建设和应用规模的不断扩大，铁路无线通信技术的快速发展，铁塔越来越多的应用于铁路通信，成为高铁高效和安全运行的有力保障。目前，对铁塔运行状态检测采用计划周期巡检方法，这些是非常必要的安全防护手段。但相对于实时监测的需求来说，上述手段不容易及时发现问题，且存在一定的主观性，并且某些参数人工实测困难，存在一定的安全隐患与不足，从而需要一种新的方法来解决当前运行现状中存在的隐患以及目前采取措施存在的不足。

本发明提出一种基于北斗卫星技术实现的铁塔预警装置，用于解决现有技术的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，包括铁塔、摄像头、反光板、天线一、天线二、天线三、天线四，所述铁塔的顶部四个方向上分别设有天线一、天线二、天线三、天线四，铁塔的底部设有摄像头，摄像头的镜头方向上设有反光板，反光板的上方垂直位置设有激光发射器，激光发射器安装在铁塔的上部，摄像头、反光板和激光发射器的位置关系满足激光发射器发射的激光束经过反光板后被摄像头捕捉，铁塔的内部设有预警系统。

作为本发明的进一步技术方案：所述预警系统包括天线部分、后台监控平台、监控预警主机和激光监控模块，监控预警主机分别连接天线部分、后台监控平台和激光监控模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述监控预警主机包括路由器、ARM主控芯片及外设、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块，ARM主控芯片及外设分别连接路由器、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述激光监控模块包括激光模块和监控摄像头，激光模块与ARM主控芯片连接，监控摄像头与路由器连接。

作为本发明的进一步技术方案：所述天线部分包括四个独立的天线。

作为本发明的进一步技术方案：所述GNSS接收机有四个，分别连接独立的天线。

作为本发明的进一步技术方案：所述后台监控平台内部设有差分定位基准站和数据接收存储模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、利用北斗差分定位技术，高精度测量铁塔姿态和沉降。2、四个天线的配合使用，实现铁塔多位置融合解算，进行指数滤波，消除数据的抖动，提高铁塔形变模块建立的准确性。3、实现远端监控，设定预警阈值，远端控制和监控铁塔。4、结合激光射线的直射，将空间相对定位和绝对垂线相结合，测量铁塔姿态的同时，可以验证铁塔姿态测量的正确性，防止误预警。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明的系统硬件连接框架示意图。

图中：天线一-1、天线二-2、天线三-3、天线四-4、摄像头-5、反光板-6、激光发射器-7、铁塔-8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，实施例1：一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，包括铁塔8、摄像头5、反光板6、天线一1、天线二2、天线三3、天线四4，所述铁塔8的顶部四个方向上分别设有天线一1、天线二2、天线三3、天线四4，铁塔8的底部设有摄像头5，摄像头5的镜头方向上设有反光板6，反光板6的上方垂直位置设有激光发射器7，激光发射器7安装在铁塔8的上部，摄像头5、反光板6和激光发射器7的位置关系满足激光发射器7发射的激光束经过反光板6后被摄像头5捕捉，铁塔8的内部设有预警系统。通过在每个铁塔上需安装四台高精度北斗卫星导航测量接收天线，搭建铁塔多位置点的定位信息采集模型，其中天线三3和天线四4沿着铁塔的中垂线方向分别安装在顶部和顶部偏下位置，两台天线之间的高度固定，天线三3和天线四4用于垂直方向的姿态测量。天线一1、天线二2天线分别对称架设在两组通信天线的后端，架设方向垂直于铁塔的中垂线，两个天线之间的距离固定，天线一1、天线二2用于水平方向的姿态测量。配合差分定位技术(RTK)，四个观测点可以得到精准位置，后台监控平台通过将四组定位数据进行融合解算，最终得到姿态测量值，通过理论分析给出铁塔预警所需的各项沉降、倾斜等指标，得以判断铁塔变形程度。同时搭建在塔顶的激光模块可发射绿色可见激光，从塔顶的中垂线直射塔底中心的反光板，通过摄像头观测反光板上激光光斑的位移变化，并分析光斑位移范围规律，辅助验证铁塔形变预警，修正由北斗定位计算的铁塔形变模型。

使用方法如下：安装好设备，启动系统，通过安装在塔顶的北斗卫星导航高精度天线，接收器接收卫星导航信号，分为两组(一组用于姿态测量，另一组用于沉降测量)的的数据和自身定位通过串口发送至主机，主机解析数据后，可以获得精确坐标数据并上传到后台服务器。后台服务器将四组定位数据进行融合解算，将这些数据通过转化为测量角度和测量位移数据，通过平滑的方式得到精确地数据，从而实现姿态和沉降高精度测量。监控中心根据数据模拟出铁塔正常的姿态和沉降模型，并设置预警阈值，一旦姿态和沉降数据超过阈值，监控中心可以通过打开摄像头进行实际观察激光光斑在反光板的位置，从而验证铁塔是否产生倾斜或沉降。

实施例2，在实施例1的基础上，如图2所示，预警系统包括天线部分、后台监控平台、监控预警主机和激光监控模块，监控预警主机分别连接天线部分、后台监控平台和激光监控模块。监控预警主机包括路由器、ARM主控芯片及外设、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块，ARM主控芯片及外设分别连接路由器、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块，GNSS接收机有四个，分别连接独立的天线，监控主机主要用于定位信息采集、激光模块控制、摄像头图像采集和数据上传，北斗卫星导航接收机接收卫星导航信号，提取出卫星导航电文、时间、伪距和载波相位等测量信息，并将这些信息通过串口传送给数据处理机，主控芯片接收卫星导航接收机数据，利用这些数据实现水平和垂直方向的姿态测量，并将姿态测量的结果通过通信设备预留的网口传送到监控中心。同时控制激光模块的关闭，并将摄像头的图像传输到后台监控中心，实现反光板光斑的实时画面上传。激光监控模块包括激光模块和监控摄像头，激光模块与ARM主控芯片连接，监控摄像头与路由器连接，激光监控部分主要控制摄像头将塔顶激光模块直射到反光板的光斑上传到后台监控平台。后台监控平台实时监控激光光斑的移动轨迹，分析光斑移动的正态分布，排除因为风速等外界原因所引发的误报警，最终通过与实时动态定位相结合，能够更为准确验证是否出现铁塔倾斜。天线部分包括四个独立的天线，用于接收北斗双频信号和GPS双频信号。天线内含低噪声放大器，将信号放大后，传送给姿态测量主机。天线采用高精度测量型天线，配合差分定位基准站(RTK)，满足厘米级测量精度。天线底部留有标准安装接口，便于施工安装。后台监控平台内部设有差分定位基准站和数据接收存储模块，后台监控平台是将铁塔的所有信息进行汇总分析，主要包括差分定位基准站和多位置点融合解算后处理算法，在北斗卫星导航系统，采用差分定位(RTK)核心技术和高可靠的载波跟踪算法适应各种环境变换，提供高质量定位结果。差分定位基准站提高北斗定位精度，利用载波相位的观测值实现实时动态定位。实时动态定位通过北斗短报文通信将位置数据发送到远程监控服务器，通过铁塔监测判定策略及时发现倾斜铁塔可以实现铁塔关键位置的实时厘米级坐标计算，进行铁塔姿态测量时，测量天线1的基线矢量并进行长时间(大于300s)的平均和基于指数滤波的平滑处理，将得到的结果作为基准矢量；实时测量天线2的基线矢量，并利用点积公式求解其与基准矢量的夹角，并对夹角的计算结果再次进行平均和基于指数滤波的平滑处理，得到最终姿态测量值。

角度测量过程如下：

其中：

基准向量，

测量向量

基线矢量的平滑步骤：

求均值

其中，x_i是单次是测量结果，n为测量次数，所有的单次测量是独立同分布的随机变量，测量方差为D(x_i)，则

取100次结果进行平均，得到的均值的标准差是单次测量标准差的十分之一。

指数滤波

取均值后，仍需对结果进行指数滤波，消除数据的小抖动，进一步提高静态测量精度。

本系统进行沉降测量时，测量天线三3天线的基线矢量，并进行长时间(大于300s)的平均和基于指数滤波的平滑处理，将平滑结果作为参考基准；实时测量天线四4基线矢量，求解其与参考基准的高程和水平变化值，并对计算结果再次进行平均和基于指数滤波的平滑处理，得到最终的沉降测量值。其算法与水平姿态测量算法同理。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，包括铁塔（8）、摄像头（5）、反光板（6）、天线一（1）、天线二（2）、天线三（3）、天线四（4），其特征在于，所述铁塔（8）的顶部四个方向上分别设有天线一（1）、天线二（2）、天线三（3）、天线四（4），铁塔（8）的底部设有摄像头（5），摄像头（5）的镜头方向上设有反光板（6），反光板（6）的上方垂直位置设有激光发射器（7），激光发射器（7）安装在铁塔（8）的上部，摄像头（5）、反光板（6）和激光发射器（7）的位置关系满足激光发射器（7）发射的激光束经过反光板（6）后被摄像头（5）捕捉，铁塔（8）的内部设有预警系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述预警系统包括天线部分、后台监控平台、监控预警主机和激光监控模块，监控预警主机分别连接天线部分、后台监控平台和激光监控模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述监控预警主机包括路由器、ARM主控芯片及外设、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块，ARM主控芯片及外设分别连接路由器、GNSS接收机、电源模块和电源转换模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述激光监控模块包括激光模块和监控摄像头，激光模块与ARM主控芯片连接，监控摄像头与路由器连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述天线部分包括四个独立的天线。

6.根据权利要求4所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述GNSS接收机有四个，分别连接独立的天线。

7.根据权利要求4所述的一种基于北斗定位多点解算的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述后台监控平台内部设有差分定位基准站和数据接收存储模块。

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