塔架倾斜监测系统及方法与流程

1.本技术涉及形变监测技术领域，特别是涉及一种塔架倾斜监测系统及方法。


背景技术：

2.目前，塔架常用来支撑和抬高输电线路、避雷线以及其他导线，将其与其他附件以及地面建筑物之间保持安全距离。我国土地广袤，塔架及线路敷设难免途经地势复杂的偏远地区，极易由于地基沉陷、环境侵蚀等原因造成塔架的变形倾斜，而且除以上自然环境原因外，工程施工、煤矿开采等人为原因也时有发生。因此对塔架进行监测，及时在早期预见塔架的形变与倾斜，对输电系统的稳定运行十分重要。
3.随着传感器技术和移动通信技术的发展和普及，采用多种传感器对自然气象量、塔架拉力等状态进行采集后，综合计算塔架出倾斜程度再通过移动通信网络进行传输的方法得到广泛应用。但由于采用的传感器类型与数量众多，装置复杂，一旦某个传感器故障就无法实现准确测量，导致塔架倾斜检测失败。并且在一些移动信号无法覆盖的地区，也存在数据传输困难的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对塔架倾斜监测不准确与所在位置信号弱的问题，提供一种塔架倾斜监测系统及方法。
5.一种塔架倾斜监测系统，包括监测装置、通讯装置与服务器，所述监测装置、所述通讯装置以及所述服务器均与北斗系统无线通讯，所述监测装置还连接所述通讯装置，所述监测装置与所述通讯装置设置于塔架，所述服务器设置于远端管理主站；
6.所述监测装置用于根据所述北斗系统的gnss信号获取所述塔架的坐标位置数据，并根据所述坐标位置数据处理得到形变数据，再将所述形变数据转换为北斗短报文，并通过所述通讯装置无线传输至所述北斗系统；所述服务器用于获取所述北斗短报文。
7.在其中一个实施例中，所述监测装置包括gnss天线、定位模块与数据运算模块，所述定位模块通过所述gnss天线与所述北斗系统无线通讯，所述定位模块还连接所述数据运算模块，所述数据运算模块连接所述通讯装置。
8.在其中一个实施例中，所述定位模块包括射频模块、基带信号处理模块、捕获加速模块以及第一处理器，所述射频模块连接所述gnss天线与所述基带信号处理模块，所述基带信号处理模块连接所述捕获加速模块，所述第一处理器连接所述基带信号处理模块、所述捕获加速模块以及所述数据运算模块。
9.在其中一个实施例中，所述数据运算模块包括第二处理器与存储器，所述存储器连接所述第二处理器，所述第二处理器连接所述定位模块与所述通讯装置。
10.在其中一个实施例中，所述通讯装置包括壳体与设置于所述壳体内部的北斗通讯模块与4g通讯模块，所述北斗通讯模块与所述4g通讯模块均连接所述第二处理器，所述北斗通讯模块与所述4g通讯模块还均用于与所述服务器进行无线通讯。
11.在其中一个实施例中，上述塔架倾斜监测系统还包括电源装置，所述电源装置连接所述监测装置与所述通讯装置进行供电。
12.在其中一个实施例中，上述塔架倾斜监测系统还包括箱体与箱门，所述箱体与所述箱门采用密封胶垫连接，所述监测装置、所述通讯装置与所述电源装置均设置于所述箱体内部，所述箱体设置于所述塔架。
13.在其中一个实施例中，提供一种塔架倾斜监测方法，基于上述的塔架倾斜监测系统实现，包括：
14.根据北斗系统的gnss信号获取塔架的坐标位置数据；
15.根据所述坐标位置数据处理得到形变数据；
16.将所述形变数据转换为北斗短报文，并通过所述通讯装置无线传输至所述北斗系统。
17.在其中一个实施例中，所述根据北斗系统的gnss信号获取塔架的坐标位置数据，包括：
18.根据所述gnss信号得到中频信号；
19.根据所述中频信号复制得到载波和伪距信号；
20.根据所述载波和伪距信号获取所述载波和伪距信号的等测量值与导航电文；
21.根据所述载波和伪距信号、所述等测量值与所述导航电文得到坐标位置数据。
22.在其中一个实施例中，所述根据所述坐标位置数据处理得到形变数据，包括：
23.根据周期获得的坐标位置数据处理得到形变数据。
24.上述塔架倾斜监测系统及方法，通过集定位与监测一体的监测装置，根据北斗系统的定位信号获取塔架的精确坐标位置数据，并通过坐标位置数据处理推算出塔架的形变数据，然后将形变数据采用北斗通讯的方式传输回远端管理主站，不仅对塔架倾斜形变的监测精度高，结构简单，且数据传输效率高，不受地形限制，提高了对塔架倾斜形变等情况的监测效果，便于总体上指挥调度与统筹管理。
附图说明
25.图1为一实施例中塔架倾斜监测系统的系统框图；
26.图2为一实施例中定位模块的拓扑图；
27.图3为一实施例中定位模块对应的方法流程图；
28.图4为一实施例中通讯装置的结构图；
29.图5为一实施例中塔架倾斜监测方法的流程图；
30.图6为另一实施例中塔架倾斜监测方法的流程图。
具体实施方式
31.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
33.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
34.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
35.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
36.在一个实施例中，提供一种应用于对塔架的早期形变及倾斜进行准确监测的一种塔架倾斜监测系统，如图1所示，包括监测装置110、通讯装置120与服务器130，监测装置110、通讯装置120以及服务器130均与北斗系统无线通讯，监测装置110还连接通讯装置120，监测装置110与通讯装置120设置于塔架，服务器130设置于远端管理主站。监测装置110用于根据北斗系统的gnss信号获取塔架的坐标位置数据，并根据坐标位置数据处理得到形变数据，再将形变数据转换为北斗短报文，并通过通讯装置120无线传输至北斗系统；服务器130用于获取北斗短报文。
37.具体地，监测装置110与通讯装置120设置于塔架的高处，具体设置的位置并不唯一，例如可以设置于塔架顶部。为了使监测效果更准确，需要将监测装置110与通讯装置120采用螺钉等器件固定于塔架上，尽量能与塔架保持同样的位移。可选地，监测装置110与通讯装置120之间的数据传输可采用无线通信连接，也可以采用有线的方方式连接通信。服务器130放置于远端管理主站，用于接收监测得到的形变数据，并根据形变数据进行分析预测，在发现被测塔架有形变、倾斜严重的情况时，及早采取应变措施。
38.其中，监测装置110为基于北斗三号高精度定位技术的定位监测传感器，可采用一定的监测频率对塔架进行厘米级的高精度实时定位，再通过多次获得的坐标位置数据计算得到形变数据，实现塔架的形变及倾斜的监测。
39.具体地，监测装置110先与北斗系统中的北斗卫星无线通讯获取gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)信号；再经过滤波放大、数模转换等信号处理后得到数据中频信号；再将数据中频信号进行基带数字信号处理，复制出与接收到的gnss信号一致的本地载波和伪距信号；再通过上述本地载波和伪距信号实现对北斗系统中bds/gps/glonass/galileo卫星的捕获与跟踪，并从中获取伪距和载波相位的等测量值及解调出的导航电文；最后通过高精度的定位算法对上述载波、伪距信号、等测量值与导航电文进行处理，得到监测装置110所在位置的厘米级高精度坐标位置数据。可以理解，监测装置110所在位置的厘米级高精度坐标位置数据即为塔架所在位置的厘米级高精度坐标位置数据。其中，坐标位置数据包括经纬度数据以及海拔高度数据。
40.进一步地，监测装置110在通过一定的监测频率得到所在位置的坐标位置数据后，还用于根据多个坐标位置数据处理得到形变数据。其中，监测频率的设定值并不唯一，可根据实际需要设定。另外，形变数据为毫米级的经纬度数据的变化值以及海拔高度数据变化
值。可以理解，根据不同时间跨度得到的坐标位置数据可对应计算得到不同时期的塔架的形变数据，例如，采用上一监测周期得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到单次形变数据；采用上一周得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到周形变数据；采用上一月得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到月形变数据。依次类推，监测装置110所得到的坐标位置数据不仅能监测塔架因意外导致的形变与倾斜问题，还能通过长时间数据的累积掌握塔架在使用中缓慢形成的形变与倾斜，解决形变与倾斜不易肉眼察觉的问题。
41.更进一步地，监测装置110还用于对上述得到的坐标位置数据与形变数据转换为北斗短报文，再通过通讯装置120反馈至远端管理主站的服务器130。具体地，通讯装置120与服务器130均与北斗系统无线通信，实现坐标位置数据与形变数据的传输。通讯装置120将包含监测装置110的编号、坐标位置数据与形变数据的北斗短报文加密后，发出通讯申请信号，通过北斗卫星转发入站，地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经北斗卫星广播给远端管理主站的服务器130，远端管理主站的服务器130接收出站信号，解调解密出站电文后接收到通讯装置120发送的北斗短报文，完成通讯。
42.上述塔架倾斜监测系统，通过集定位与监测一体的监测装置110，根据北斗系统的定位信号获取塔架的精确坐标位置数据，并通过坐标位置数据处理推算出塔架的形变数据，然后将形变数据采用北斗通讯的方式传输回远端管理主站，不仅对塔架倾斜形变的监测精度高，结构简单，且数据传输效率高，不受地形限制，提高了对塔架倾斜形变等情况的监测效果，便于总体上指挥调度与统筹管理。
43.在一个实施例中，监测装置110包括gnss天线、定位模块与数据运算模块，定位模块通过gnss天线与北斗系统无线通讯，定位模块还连接数据运算模块，数据运算模块连接通讯装置120。
44.具体地，监测装置110的定位模块用于通过gnss天线连接北斗系统的北斗卫星获取gnss信号，实现对塔架的厘米级的高精度实时定位，得到塔架的坐标位置数据。进一步地，监测装置110的数据运算模块连接定位模块，并根据定位模块在一定监测频率下连续得到的坐标位置数据，处理得到形变数据。数据运算模块在得到形变数据后通过有线或无线的方式发送至通讯装置120进行传输至服务器130。
45.在一个实施例中，如图2所示，定位模块包括射频模块、基带信号处理模块、捕获加速模块以及第一处理器，射频模块连接gnss天线与基带信号处理模块，基带信号处理模块连接捕获加速模块，第一处理器连接基带信号处理模块、捕获加速模块以及数据运算模块。
46.具体地，射频模块包括前置滤波器、前置放大器、振荡器以及模数(a/d)转换器。北斗卫星的gnss信号通过gnss天线输入射频模块，前置滤波器和前置放大器的滤波放大后，与本机振荡器产生的本振信号进行下变频得到中频信号，最后通过模数(a/d)转换器转换成的数字中频信号rf，在射频模块的前端将数字中频信号rf输送进入基带信号处理模块。
47.进一步地，基带信号处理模块根据接收到的数字中频信号rf，复制出接收到的gnss信号一致的本地载波和伪距信号，并将其输入至捕获加速模块，捕获加速模块进而实现bds/gps/glonass/galileo卫星的捕获与跟踪，并从中获取伪距和载波相位的等测量值及解调出的导航电文。再将基带信号处理模块输出的伪距及载波信号、捕获加速模块获取
的多普勒观测值及导航电文等信息发送至第一处理器，第一处理器通过嵌入于处理器内的高精度定位算法进行处理，得到监测装置110所在塔架的实时厘米级高精度的坐标位置数据。图3所示为定位模块的算法流程图，可以理解，图中每一列为一个处理模块，第一列为选定位置最佳的卫星，第二列为开始接受和处理卫星提供坐标，第三列为计算和比对观测值坐标，第四列为输出。
48.另外，在一个实施例中，定位模块还包括抗干扰模块，抗干扰模块连接基带信号处理模块、捕获加速模块以及第一处理器。基带信号处理模块输出的本地载波和和伪距信号，经过抗干扰模块的处理后，输出至捕获加速模块与第一处理器，使得第一处理器所得到的塔架的坐标位置数据更精准。
49.在一个实施例中，数据运算模块包括第二处理器与存储器，存储器连接第二处理器，第二处理器连接定位模块与通讯装置120。
50.具体地，存储器中可存储第一处理器输出的在一定的监测频率得到监测装置110所在塔架的坐标位置数据。然后第二处理器通过对存储器中存储的多个坐标位置数据处理得到形变数据。再通过连接至通讯装置120发送回服务器130。
51.在一个实施例中，如图4所示，通讯装置120包括壳体以及设置于壳体内部的北斗通讯模块与4g通讯模块，北斗通讯模块与4g通讯模块均连接第二处理器，北斗通讯模块与4g通讯模块还均用于与服务器130进行无线通讯。
52.具体地，北斗通讯模块均连接监测装置110的第二处理器获取坐标位置数据与形变数据的北斗短报文，再通过rdss天线与北斗系统中的北斗卫星建立无线通信，将北斗短报文传输至服务器130。在北斗信号存在的时候，本系统会持续采用北斗通讯的方式与服务器130进行通信，当无北斗信号时，还可在有4g通信条件下时将巡检数据传输至4g通讯模块，再采用4g通讯的方式与服务器130进行通信。
53.进一步地，壳体包括防护罩与底座。防护罩固定于底座上，防护罩与底座之间采用密封胶垫连接。北斗通讯模块包括rdss天线、北斗专用卡以及rdss模块，rdss模块连接监测装置110的第二处理器以及北斗专用卡，rdss模块还通过rdss天线与北斗系统无线通讯。4g通讯模块还配有ic卡，ic卡用于4g通讯模块与服务器130之间的无线通讯通道开启。
54.可选地，通讯装置120还包括固定于底座上的背板、数据pcb板、电源pcb板、航插等器件。具体地，rdss天线设置于背板的上端面，背板的下端面通过绝缘柱固定于数据pcb板的上端面上。北斗专用卡、rdss模块、ic卡以及4g通讯模块也均设置于数据pcb板的上端面，数据pcb板也通过绝缘柱固定于电源pcb板上。电源pcb板上设置有电源模块，电源模块连接北斗通讯模块与4g通讯模块进行供电，电源模块还通过卡板连接外部电源。北斗通讯模块与4g通讯模块可通过航插连接监测装置110的第二处理器。可选地，以上元器件固定于底座上的方式并不唯一，可以是采用螺钉固定在底座上，也可以是采用卡扣固定在底座上，还可以是通过粘合的方式固定，不以此为限定，只要能将其稳定固定即可。
55.在一个实施例中，上述塔架倾斜监测系统还包括电源装置，电源装置连接监测装置110与通讯装置120进行供电。具体地，电源装置的电源可通过连接外部电源获得，也可连接蓄电池或光伏电池等存储式电池获得，获得电源后，电源装置连接检测装置110中的第一处理器及第二处理器等器件供电，电源装置还通过卡板连接通讯装置120的北斗通讯模块与4g通讯模块供电。
56.在一个实施例中，上述塔架倾斜监测系统还包括箱体与箱门，箱体与箱门采用密封胶垫连接，监测装置110、通讯装置120以及电源装置均设置于箱体内部，箱体设置于塔架。具体地，通过将监测装置110、通讯装置120以及电源装置集中放置于一个箱体中，增加箱门，便于维护与管理。再将整个箱体采用螺钉或绑带等方式固定于塔架的高处，例如塔架的顶部，能让监测装置110得到的坐标位置数据真实反应塔架的形变与倾斜，实现对塔架的精准定位。
57.在一个实施例中，如图5所示，提供一种塔架倾斜监测方法，基于上述的塔架倾斜监测系统实现，包括步骤s110～步骤s130。
58.步骤s110：根据北斗系统的gnss信号获取塔架的坐标位置数据。
59.具体地，监测装置与北斗系统中的北斗卫星无线通讯获取gnss信号；再经过滤波放大、数模转换等信号处理后得到数据中频信号；再将数据中频信号进行基带数字信号处理，复制出与接收到的gnss信号一致的本地载波和伪距信号；进而实现对北斗系统中卫星的捕获与跟踪，并从中获取伪距和载波相位的等测量值及解调出的导航电文；最后通过高精度的定位算法对上述载波、伪距信号、等测量值与导航电文进行处理，得到监测装置所在塔架位置的厘米级高精度坐标位置数据。
60.步骤s120：根据坐标位置数据处理得到形变数据。
61.具体地，监测装置在通过一定的监测频率得到所在位置的坐标位置数据后，还用于根据多个坐标位置数据处理得到形变数据。
62.步骤s130：将形变数据转换为北斗短报文，并通过通讯装置无线传输至北斗系统。
63.具体地，监测装置对得到的坐标位置数据与形变数据转换为北斗短报文，再通过通讯装置反馈至远端管理主站的服务器。通讯装置将包含监测装置的编号、坐标位置数据与形变数据的北斗短报文加密后，发出通讯申请信号，通过北斗卫星转发入站，地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经北斗卫星广播给远端管理主站的服务器，远端管理主站的服务器接收出站信号，解调解密出站电文后接收到通讯装置发送的北斗短报文，完成通讯。
64.关于塔架倾斜监测方法的具体限定可以参见上文中对于塔架倾斜监测系统的限定，在此不再赘述。
65.在一个实施例中，如图6所示，步骤s110基于监测装置中的定位模块实现，包括步骤s111～步骤s114：
66.步骤s111：根据gnss信号得到中频信号。
67.具体地，北斗卫星的gnss信号通过gnss天线输入射频模块，前置滤波器和前置放大器的滤波放大后，与本机振荡器产生的本振信号进行下变频得到中频信号，最后通过模数(a/d)转换器转换成的数字中频信号rf，在射频模块的前端将数字中频信号rf输送进入基带信号处理模块。
68.步骤s112：根据中频信号复制得到载波和伪距信号。
69.具体地，定位模块中的基带信号处理模块根据接收到的数字中频信号rf，复制出接收到的gnss信号一致的本地载波和伪距信号，并将其输入至捕获加速模块。
70.步骤s113：根据载波和伪距信号获取载波和伪距信号的等测量值与导航电文。
71.具体地，捕获加速模块进而实现bds/gps/glonass/galileo卫星的捕获与跟踪，并
从中获取伪距和载波相位的等测量值及解调出的导航电文。
72.步骤s114：根据载波和伪距信号、等测量值与导航电文得到坐标位置数据。
73.具体地，基带信号处理模块输出的伪距及载波信号、捕获加速模块获取的多普勒观测值及导航电文等信息均发送至定位模块中的第一处理器，第一处理器通过嵌入于处理器内的高精度定位算法进行处理，得到监测装置所在塔架的实时厘米级高精度的坐标位置数据。
74.在一个实施例中，步骤s120基于监测装置中的数据运算模块实现，包括：
75.步骤s121：根据周期获得的坐标位置数据处理得到形变数据。
76.具体地，根据不同时间跨度得到的坐标位置数据可对应计算得到不同时期的塔架的形变数据，例如，采用上一监测周期得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到单次形变数据；采用上一周得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到周形变数据；采用上一月得到的坐标位置数据与当前周期得到的坐标位置数据可计算得到月形变数据。依次类推，监测装置所得到的坐标位置数据不仅能监测塔架因意外导致的形变与倾斜问题，还能通过长时间数据的累积掌握塔架在使用中缓慢形成的形变与倾斜，解决形变与倾斜不易肉眼察觉的问题。
77.在本实施例中，通过集定位与监测一体的监测装置，根据北斗系统的定位信号获取塔架的精确坐标位置数据，并通过坐标位置数据处理推算出塔架的形变数据，然后将形变数据采用北斗通讯的方式传输回远端管理主站，不仅对塔架倾斜形变的监测精度高，结构简单，且数据传输效率高，不受地形限制，提高了对塔架倾斜形变等情况的监测效果，便于总体上指挥调度与统筹管理。
78.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
79.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。