基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統設計

王宇 汪鵬 圖布信

摘?要：為提升桿塔狀態在線綜合監測的精度，設計基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統。基于衛星軌道動力學方程和衛星軌道編隊方式，采用衛星編隊定位技術定位桿塔物理位置，根據在線綜合監測裝置內置的傾角傳感器，實時采集桿塔傾斜角數據，計算桿塔傾斜度，并向CMA傳輸計算數據，判斷綜合傾斜度是否超出閾值，在超出閾值時及時預警，并通過GPRS網絡將監測數據打包壓縮傳輸至監控中心，實現桿塔狀態在線綜合監測。實驗結果表明，當衛星間距為2?km時，誤碼率最低，且隨著衛星數目的增加，誤碼率增長緩慢;塔架傾角最大誤差僅為0.19°，監測精度高。

關鍵詞：衛星編隊;桿塔狀態;在線綜合檢測;傾角傳感器;斜度;監測基準站

中圖分類號：TM75??????文獻標識碼：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

伴隨著我國衛星導航系統和國家基礎增強系統的建設，目前我國已能為全國29個省提供厘米級高精度定位服務[1]。但在電網實際業務應用中，逐步采用自主可控的高精度服務來取代前期?GPS（Global?Positioning?System，全球定位系統）服務，符合國家戰略的大趨勢。電力巡線和智能電網運營等業務對高精度位置服務有著強烈的需求[2-5]。所以構建高精度專有服務平臺，開發基于平臺的高精度應用，可以在很大程度上滿足國家戰略、企業發展以及電力實際的業務需求[6-7]。

針對這一問題，陳文燦等[8]、侯慧等[9]開發了基于空間多源異構數據的輸電桿塔工況在線監測系統，研究了輸電桿塔塔腳腐蝕現場實時監測系統，結果表明，該系統能夠有效地監測桿塔工況，但檢測精度不高，有時會丟失監測目標。

衛星高精度定位相關技術不斷推陳出新，比較熱門的有星基定位、航測后處理、形變監測、多頻定位等，高精度定位業務發展趨勢如下：覆蓋范圍廣的地基增強站，大容量接入能力，高精度地圖技術，軟件定義接收機的?SDR，高精度手機，自動駕駛/輔助駕駛，云端一體化技術。因此，本文提出了基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統設計方案，并通過衛星編隊模型的設計，使桿塔狀態在線綜合監測系統更加完善。

1?基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統設計

1.1?系統總體結構

圖1中，基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統包含監測基準站、監控中心以及監測移動站。監測移動臺安裝在輸電塔上。監測基站利用衛星編隊定位各塔的物理坐標，并通過射頻網絡與周邊監測移動臺共享。通過射頻鏈路接收監控基站的共享位置，對塔臺的現場姿態進行監控，并將GPRS（General?packet?radio?service，通用無線分組業務）網絡將數據打包壓縮到監控中心。利用衛星編隊定位技術對塔架進行精確定位，監測塔架的位移狀態。為了獲取塔架的姿態信息，在監測移動臺上設計了在線綜合監測裝置。采用高精度傾角傳感器進行在線綜合監測，使管理人員能夠及時了解輸電線路的運行狀況[10]，盡量避免因鐵塔位移、傾斜、下沉等引起的事故，實現輸電線路的數字化、自動化管理。

1.2基于衛星編隊的桿塔定位

1.2.1?軌道動力學方程—道動力學方程

Hill方程即參考星與伴隨星之間的相對運動方程，當存在外界攝動影響時，假設參考星的半長軸大于伴隨星與參考星距離，在航天器質心軌道坐標系下，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。

由于監測基準站采用衛星編隊實現桿塔的定位，衛星基線長度以及基線的測量方式都可以由衛星編隊方式決定，不同的編隊形式，產生不同的攝動影響，為減小攝動影響，需選擇比較穩定的編隊方式，因此，設質心軌道坐標處于原點位置，保證Hill方程在外界攝動影響下，不被修改，Hill方程轉換為：

1.2.2?編隊軌道設計模型

水平編隊、空間圓編隊、沿航向編隊以及串行編隊是衛星編隊中常用的四種編隊飛行方式。其中，最簡單的一種方式是串行編隊方式，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行，具有運行穩定的優點[11-13]。

此刻，Hill方程在相對運動特性退化為固定點時，可表示為：

公式（3）中，y0為初始條件。

1.2.3?編隊衛星相對定位的RDOP描述

相對定位精度衰減因子（RDOP）是基于幾何精度衰減因子（GDOP）概念提出的。目前，鐵塔狀態在線綜合監測系統通常采用“時測距離”的定位監測方式。當單點定位或絕對定位開始時，精度衰減系數和用戶的等效測距誤差可以同時確定其精度[14]。DOP可以反映導航衛星的空間幾何分布，即獲取低軌衛星和導航星座的軌道參數。

在絕對定位中，當導航衛星m顆可見，可以線性化處理非線性偽距觀測方程，表示為：

公式（5）中，xj，yj，zjTj=1，…，m表示低軌衛星的星載荷接收機概略位置與衛星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維矢量設為em，m顆導航衛星LOS矢量建造的矩陣設為Am，則：

Hm=Am，…，em（6）

需要了解某一個接收機的絕對位置，確定實際的相對定位，設A為接收機，若在同一時刻獲得測量，為獲得雙差方程，將其中的第m顆衛星當作參考衛星，可得公式為：

通過公式（8），可將DOP求解出來：

公式（9）中，下標DD表示雙差，tr（°）表示矩陣的跡。因為鐘差被雙差消除，所以，相對的時間精度衰弱因子并不存在。

1.3?桿塔狀態在線綜合監測裝置

1.3.1?硬件設計

為了獲取傾角傳感器監測傾斜角數據，設計了塔架傾斜角監測裝置計算塔架傾斜角，并將數據傳輸給CMA（模塊化平臺）。該裝置的組成如圖2所示。

圖2中，桿塔狀態在線綜合監測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傳輸給系統控制單元。對于采集到的傾斜角，控制單元通過塔架傾斜角計算模塊計算出塔架傾斜角，然后將計算結果發送給CMA，傳輸過程中采用GPRS/CDMA/WiFi/3G/光纖通信網絡。

1.3.2?軟件設計

（1）桿塔傾斜度計算原理

在系統中，在2/3桿塔高度處及頂部安裝雙軸傾角傳感器，實現全天候、實時監測高壓運行中的桿塔橫向角以及順向角，對于綜合傾斜度G，采用空間直角坐標系進行計算，并存儲在主控制器中。

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：

當不同桿塔的高度不同時，H與桿塔允許傾斜度的乘積是其最大允許傾斜范圍。當計算得到桿塔綜合傾斜度G后，可對各桿塔綜合傾斜度G的報警閾值、預警閾值、提示閾值、正常值進行設定。

（2）軟件流程圖

為使系統的功率損耗降低，設定手動或定時形式對數據進行采集[15]。當到達設定事件時，傾角傳感器向系統控制單元傳送順向傾角與橫向傾角數據，并計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，依據判斷結果，決定是否執行報警。

2?實驗分析

為分析本文系統的性能，將本文系統應用于某電網公司中，對該公司管轄區域內的桿塔狀態進行在線綜合監測。

系統正式應用之前，對系統的功能模塊進行測試，分析具體功能是否正確運行，是否達到預期的假設。測試結果如表1所示。

根據表2可知，通過該系統的實時監測數據，可以看出7號線3號線桿水平擺動傾斜度在7級風力情況下最小，沿線擺動變化略大于水平擺動的變化，而在9級東南風力情況下，5號線桿的擺動傾斜度最大。

在衛星間平均距離分別為2?km、4?km、6?km三種情況下，對本文系統的誤碼率進行分析，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，在不同衛星間距離的情況下，隨著衛星個數的增加，誤碼率上升，當衛星間距離為6?km時，本文系統的誤碼率最高，衛星距離為2?km時，本文系統的誤碼率最低。

選取文獻[8]的輸電桿塔塔腳腐蝕現場實時監測系統、文獻[9]的基于空間多源異構數據的臺風下輸電桿塔監測系統作為本文的對比系統，分析誤碼率與衛星個數的關系，分析結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著衛星個數的增加，不同系統的誤碼率也隨之增加，但本文系統的誤碼率始終低于文獻[8]系統與文獻[9]系統。

通過設定標準角度，對不同系統所監測的桿塔角度誤差進行分析，分析結果如表3所示。

分析表3可知，不同系統監測到的桿塔傾斜角度存在的誤差不同，文獻[8]系統的最大誤差為0.47°，文獻[9]系統的最大誤差為0.66°，但本文系統的最大誤差只有0.19°，同時，本文系統所監測的角度誤差始終低于文獻[8]系統與文獻[9]系統，因此，本文系統的監測精度可以滿足對桿塔狀態在線綜合監測的需求。

3?結?論

設計了基于衛星編隊的桿塔狀態在線綜合監測系統，該系統應用在線綜合監測裝置內置的傾角傳感器實時采集塔架傾角數據，當綜合傾斜角超過閾值時，及時預警，將監測數據打包壓縮，通過GPRS網絡傳輸至監控中心，實現對鐵塔狀態的在線綜合監測，有助于技術人員在第一時間掌握輸電塔的運行情況，在發生意外時及時并準確地對其進行搶修。

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