本發(fā)明涉及北斗導(dǎo)航，尤其涉及基于北斗ⅲ姿態(tài)測(cè)量的風(fēng)電塔筒傾斜度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、地質(zhì)活動(dòng)、極端天氣以及人為操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，?jīng)常導(dǎo)致風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的傾斜甚至倒塌，這些事件不僅可能對(duì)人員安全構(gòu)成威脅，還會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了確保風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性，對(duì)風(fēng)電塔筒的傾斜度進(jìn)行精確控制是至關(guān)重要的。超出規(guī)定的安全傾斜參數(shù)范圍，不僅需要及時(shí)告警，還需盡快采取相應(yīng)的維修措施。因此，建立一個(gè)精確、自動(dòng)化、智能化的風(fēng)電塔筒傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是行業(yè)內(nèi)的緊迫需求。

2、當(dāng)前用于監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒傾斜的方法主要分為以下幾類：

3、1、人工視覺(jué)巡檢：這是最傳統(tǒng)的方法，依靠巡檢人員定期檢查塔筒的傾斜狀態(tài)。這種方法不僅耗時(shí)耗力，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

4、2、傾角傳感器檢測(cè)：這類方法通過(guò)安裝在塔筒上的傾角傳感器來(lái)測(cè)量其傾斜角度。盡管這種方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但通常只能提供局部信息，且受限于傳感器的精度和穩(wěn)定性。

5、3、基于全球定位系統(tǒng)(gps)的監(jiān)測(cè)：通過(guò)在塔筒上安裝gps接收器，可以計(jì)算出其空間位置的變化，從而推導(dǎo)出塔筒的傾斜度。這種方法雖然較為精確，但建設(shè)和維護(hù)成本較高，尤其是在需要構(gòu)建或使用復(fù)雜的參考站網(wǎng)絡(luò)時(shí)。

6、鑒于上述方法的局限性，開(kāi)發(fā)綜合的、低成本且高效的傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠不斷監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒的實(shí)時(shí)傾斜狀態(tài)，并在第一時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于風(fēng)能行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的基于北斗ⅲ姿態(tài)測(cè)量的風(fēng)電塔筒傾斜度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠便捷地、高精度地、自動(dòng)化地監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒的傾斜度，從而解決現(xiàn)有方法的不足，提高該領(lǐng)域的技術(shù)水平。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、基于北斗ⅲ姿態(tài)測(cè)量的風(fēng)電塔筒傾斜度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括兩個(gè)北斗ⅲ衛(wèi)星天線、北斗ⅲ接收機(jī)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；

4、兩個(gè)所述北斗ⅲ衛(wèi)星天線包括天線a和天線b，并分別放置在風(fēng)電塔筒的頂端，將連接兩個(gè)天線的直線段定義為基線j；天線a和天線b接收射頻載波信號(hào)，并送至北斗ⅲ接收機(jī)；

5、所述北斗ⅲ接收機(jī)由北斗板卡a'、北斗板卡b'和無(wú)線通信模塊組成；板卡a'和板卡b'分別與天線a和天線b連接，并解析天線a和天線b接收到的射頻載波信號(hào)，得到載波相位衛(wèi)星高度角h和衛(wèi)星方位角p，最后通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；

6、所述遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將接收到的載波相位衛(wèi)星高度角h和衛(wèi)星方位角p代入塔筒基線j的姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型中，并采用改進(jìn)型混沌博弈算法進(jìn)行求解，從而得到所述基線j的姿態(tài)角，進(jìn)而得到所述風(fēng)電塔筒的傾斜度。

7、基于北斗ⅲ姿態(tài)測(cè)量的風(fēng)電塔筒傾斜度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

8、步驟一：設(shè)基線j在水平面上的投影為j'，定義投影j'與正北方向之間的夾角為基線j的航向角α，航向角α的取值范圍是0～360度；定義基線j和投影j'之間的夾角為基線j的俯仰角β，俯仰角β的取值范圍是-90～+90度；接收并解析北斗ⅲ衛(wèi)星的射頻載波信號(hào)；天線a和天線b分別接收n顆北斗ⅲ衛(wèi)星的m個(gè)歷元的射頻載波信號(hào)，n≥4,m≥4，并發(fā)送至北斗接收機(jī)；

9、北斗板卡a'和北斗板卡b'分別解析天線a和天線b接收到的射頻載波信號(hào)，得到n顆北斗ⅲ衛(wèi)星的m個(gè)歷元的載波相位、衛(wèi)星高度角和衛(wèi)星方位角，并分別記為其中，和分別表示北斗板卡a'解析得到的第i顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位，衛(wèi)星高度角和衛(wèi)星方位角；

10、和分別表示北斗板卡b'解析得到的第i顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位，衛(wèi)星高度角和衛(wèi)星方位角；

11、步驟二：建立塔筒上基線j的姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型；

12、獲得載波相位單差方程；計(jì)算天線a和天線b在第i顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位差計(jì)算天線a和天線b在第j顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位差計(jì)算載波相位雙差；建立基線j的姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型；

13、步驟三：提出改進(jìn)型混沌博弈算法求解數(shù)學(xué)模型，得到基線j的姿態(tài)角；

14、設(shè)置改進(jìn)型混沌博弈算法的搜索空間為d(d＝1,2)維，第d維的上下界為(xmin,d,xmax,d)；其中第一維是航向角α，第二維是俯仰角β；設(shè)算法的最大迭代次數(shù)為tmax，算法找到全局最優(yōu)解的迭代次數(shù)為t，1≤t≤tmax；初始化迭代次數(shù)t＝1；

15、隨機(jī)產(chǎn)生z個(gè)第t代搜索空間中的合格種子，構(gòu)成第t代搜索空間中的候選解集xz(t)；

16、xz(t)＝[xpq(t)]

17、xpq(t)＝xmin,q+rand()×(xmax,q-xmin,q)

18、式中，xpq(t)表示第p個(gè)合格種子每個(gè)維度q的位置(1<p<z)，

19、式中，xmax,q和xmin,q分別是解空間在第q維度上的最大值和最小值，rand()是一個(gè)生成介于0-1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)函數(shù)；

20、計(jì)算z個(gè)候選解基于初始合格種子的基線j姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型finessp,t(α,β)＝fp,t(xpq(t))；并判斷第t代搜索空間中的最優(yōu)候選解位置xo(t)；

21、xo(t)＝[xo,d(t)]

22、式中,xo,d(t)表述最優(yōu)候選解中第d個(gè)維度搜索空間上的個(gè)體最優(yōu)值；

23、計(jì)算第t代搜索空間中的候選解平均組mg(t)；

24、

25、根據(jù)第t代搜索空間中的最優(yōu)候選解位置xo(t)，候選解平均組mg(t)和每個(gè)合格種子建立謝爾賓斯基三角形；在三角形內(nèi)部根據(jù)式(10)進(jìn)行加權(quán)，從而獲取z個(gè)第t+1代搜索空間中的合格種子xz(t+1)；

26、xz(t+1)＝xz(t)+θi+ψi×(xo(t)-φi×mg(t))

27、式中，θi，ψi，φi分別表示控制移動(dòng)限制和選擇方向的隨機(jī)數(shù)；

28、重新計(jì)算z個(gè)候選解在第t+1代合格種子的基線j姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型finessp,t+1(α,β)＝fp,t+1(xpq(t))；并和fitnessp,t(α,β)進(jìn)行比較，若新候選解的適應(yīng)值大于原候選解，則替換為新候選解，否則，則保留原候選解；

29、將t+1賦值給t，并判斷t<tmax是否成立，若成立，則執(zhí)行上述步驟；否則迭代完成，獲得的群體最優(yōu)位置xo(tmax)＝[xo,d(tmax)]即為基線j姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解；xo,1(tmax)和xo,2(tmax)分別為算法求解得到的基線j的航向角α和俯仰角β；

30、步驟四：計(jì)算得風(fēng)電塔筒的傾斜度；

31、已知基線j初始安裝時(shí)的航向角α(0)和俯仰角β(0)，以及步驟三求解得到的基線j當(dāng)前的航向角α和俯仰角β，分別獲得塔筒的水平扭轉(zhuǎn)角δα和傾斜角δβ；進(jìn)一步計(jì)算可得風(fēng)電塔筒的傾斜度η。

32、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟二中天線a和天線b在第i顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位差的表達(dá)式為：

33、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟二中天線a和天線b在第j顆衛(wèi)星在第k個(gè)歷元時(shí)的載波相位差的表達(dá)式為：

34、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟二中載波相位雙差的表達(dá)式為：式中，表示載波相位雙差；lab為所述基線j的長(zhǎng)度；λ為所述射頻載波信號(hào)的波長(zhǎng)；為相位雙差整周模糊度；ε為隨機(jī)觀測(cè)噪聲。

35、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟二中基線j的姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型為：

36、

37、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟四中塔筒的水平扭轉(zhuǎn)角δα的計(jì)算公式為：δα＝α-α(0)；塔筒的傾斜角δβ的表達(dá)式為：

38、δβ＝β-β(0)。

39、本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所述步驟四中風(fēng)電塔筒的傾斜度η的計(jì)算公式為：η＝tan(δβ)。

40、本發(fā)明的有益效果為：

41、1、系統(tǒng)部署簡(jiǎn)便：利用北斗ⅲ系統(tǒng)的高精度定位能力，僅在風(fēng)電塔筒頂部安裝兩個(gè)衛(wèi)星天線即可快速構(gòu)建監(jiān)測(cè)基線，簡(jiǎn)化了設(shè)備安裝和維護(hù)過(guò)程。

42、2、全面反映塔筒傾斜：兩個(gè)天線之間的距離設(shè)置，使基線姿態(tài)能準(zhǔn)確反映塔筒的整體傾斜情況，提供了更為全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

43、3、測(cè)量精度高：通過(guò)北斗ⅲ衛(wèi)星信號(hào)和高精度的姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型，以及改進(jìn)型混沌博弈等先進(jìn)計(jì)算方法，本系統(tǒng)能夠高效準(zhǔn)確地計(jì)算塔筒傾斜度。

44、4、實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能預(yù)警功能，極大程度地提高了風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)速度。