專利名稱：基于gps的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，特別是引入同步擾動(dòng)隨機(jī)逼近SPSA算法后，更能滿足對(duì)輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
輸電導(dǎo)線舞動(dòng)能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，是個(gè)世界性的難題！國(guó)內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)30年代就開始對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了一定的成果，目前使用的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是采用如下監(jiān)測(cè)方法
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)監(jiān)測(cè)方法、基于傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)方法、視頻圖像技術(shù)監(jiān)測(cè)方法。上述方法存在的問(wèn)題包括I、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)監(jiān)測(cè)僅限于輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的理論研究，無(wú)法在工程實(shí)踐中應(yīng)用；2、基于傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)很明顯，只有在輸電導(dǎo)線上布置數(shù)量較多的傳感器，才能得到較多的數(shù)據(jù)，導(dǎo)線舞動(dòng)曲線擬合的才好，而布置在輸電導(dǎo)線上的傳感器本身可能破壞導(dǎo)線舞動(dòng)模型，成為安全隱患，可操作性差；3、視頻圖像技術(shù)監(jiān)測(cè)的圖像傳輸率低，視頻信號(hào)容易失真，動(dòng)態(tài)性能差；攝像頭容易被積雪覆蓋，夜晚受光線影響不能正常工作，無(wú)法對(duì)輸電導(dǎo)線進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)性好、動(dòng)態(tài)性能好、技術(shù)水平高、能夠全天候工作的基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是包括衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、衛(wèi)星信號(hào)解析模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無(wú)線通信模塊和電源管理模塊；所述衛(wèi)星信號(hào)接收模塊是由固定在絕緣子串上或懸掛于樣本導(dǎo)線正下方的GPS天線A和GPS天線B組成，用于接收來(lái)自衛(wèi)星的射頻載波信號(hào)；所述衛(wèi)星信號(hào)解析模塊是由GPS接收板A和GPS接收板B組成，用于解析來(lái)自衛(wèi)星的射頻載波信號(hào)，得到衛(wèi)星的載波相位Φ、衛(wèi)星的高度角H、衛(wèi)星的方位角Ω ；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊由DSP處理芯片組成，用于解析樣本導(dǎo)線L的姿態(tài)角，所述對(duì)于樣本導(dǎo)線L的姿態(tài)角的解析是基于相位雙差觀測(cè)方程構(gòu)造樣本導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，采用同步擾動(dòng)隨機(jī)逼近SPSA算法解析出樣本導(dǎo)線的姿態(tài)角；所述樣本導(dǎo)線L的姿態(tài)角是以樣本導(dǎo)線航向角α和樣本導(dǎo)線俯仰角β表征；
所述鍵盤和液晶顯示模塊分別用來(lái)輸入和顯示樣本導(dǎo)線靜態(tài)時(shí)的姿態(tài)角；并實(shí)時(shí)顯示樣本導(dǎo)線的實(shí)時(shí)姿態(tài)角；所述GSM無(wú)線通信模塊用于向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送樣本導(dǎo)線的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，所述監(jiān)測(cè)中心通過(guò)所述GSM無(wú)線通信模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)的設(shè)置；選取位于輸電線路鐵塔塔頭一端、處在GPS天線A和GPS天線B之間的一段輸電導(dǎo)線為樣本導(dǎo)線L。本發(fā)明基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)是定義 樣本導(dǎo)線L在水平面上的投影為樣本導(dǎo)線投影L'；樣本導(dǎo)線投影L'位于正北方向?yàn)榱愣龋哉狈较驗(yàn)槠鹗?，按起始后向東的順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)的角度為樣本導(dǎo)線航向角α，所述樣本導(dǎo)線航向角α為O 360度；樣本導(dǎo)線L與樣本導(dǎo)線投影L'之間的夾角為樣本導(dǎo)線俯仰角β，所述樣本導(dǎo)線俯仰角β為-90 +90度；所述監(jiān)測(cè)方法按如下步驟進(jìn)行a、建立樣本導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型以GPS接收板A和GPS接收板B分別獲取一組衛(wèi)星載波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為衛(wèi)星的一個(gè)歷元；假設(shè)，GPS天線A和GPS天線B都能接收到衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的載波信號(hào)，則GPS接收板A和GPS接收板B對(duì)同一時(shí)刻觀測(cè)的衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的載波相位雙差以式⑴所示的
相位雙差觀測(cè)方程表達(dá)
Δ2Φ『2 = — {sin j8(sin W - sin Hy)+ cos / [cos H' cos^' - a)- cos H 7 cos(oy - a)|} + Nu + εν (I)
X式(I)中，I為樣本導(dǎo)線長(zhǎng)度，長(zhǎng)度范圍為廣3米，λ為射頻載波的波長(zhǎng)，Hi和屮分別是衛(wèi)星i和衛(wèi)星j對(duì)樣本導(dǎo)線L的載波平面的高度角，和N分別是衛(wèi)星i和j對(duì)樣本導(dǎo)線L的載波平面的方位角，為相位雙差整周模糊度，ε iJ為觀測(cè)噪聲，且ε iJ是均值為零的高斯白噪聲；因此，式(2)的數(shù)學(xué)期望是整數(shù)
Nif + Sff = ^mf2 --{sin 辦(sin Hi - sin Hj) 4-cos/3[cosHi cos(iV -a)-coscos(oy -a)\$ (2)
X那么，式(3)的函數(shù)值為1，cos{2n{NtJ + = (3)cos[2^(A2Of2 —■-{sin ^(sinH7 - sin Hy )+ cos ^[cosH' cos(il, -a)-cosHy cos(q7 -a)]}] = 1
X式(3)中，樣本導(dǎo)線航向角a和樣本導(dǎo)線俯仰角β未知，選取a和β使得等式
(3)成立，則所選取的a和β值分別為樣本導(dǎo)線航向角和樣本導(dǎo)線俯仰角；任意時(shí)刻，GPS天線都能接收到至少四顆衛(wèi)星的載波信號(hào)，每顆衛(wèi)星時(shí)刻都在往外發(fā)送載波信號(hào)，每顆衛(wèi)星都有無(wú)窮多個(gè)歷元；選取η顆衛(wèi)星、n ^ 4,以及所選η顆衛(wèi)星中每一顆衛(wèi)星的m個(gè)歷元、m3 4，構(gòu)成多約束條件，建立樣本導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型如式(4)Ffiness^a^β^ = ^^cos[2^(A2 f2 - —{sin0(sinH,-sinHy)廠、
1=1 /=2λ '7W
權(quán)利要求
1.一種基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，其特征是所述基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括有衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、衛(wèi)星信號(hào)解析模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無(wú)線通信模塊和電源管理模塊； 所述衛(wèi)星信號(hào)接收模塊是由固定在絕緣子串上或懸掛于樣本導(dǎo)線L(3)正下方的GPS天線A (I)和GPS天線B (2)組成，用于接收來(lái)自衛(wèi)星的射頻載波信號(hào)； 所述衛(wèi)星信號(hào)解析模塊是由GPS接收板A和GPS接收板B組成，用于解析來(lái)自衛(wèi)星的射頻載波信號(hào)，得到衛(wèi)星的載波相位Φ、衛(wèi)星的高度角H、衛(wèi)星的方位角Ω ； 所述數(shù)字信號(hào)處理模塊由DSP處理芯片組成，用于解析樣本導(dǎo)線L (3)的姿態(tài)角，所述對(duì)于樣本導(dǎo)線L (3)的姿態(tài)角的解析是基于相位雙差觀測(cè)方程構(gòu)造樣本導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，采用同步擾動(dòng)隨機(jī)逼近SPSA算法解析出樣本導(dǎo)線L(3)的姿態(tài)角；所述樣本導(dǎo)線L (3) 的姿態(tài)角是以樣本導(dǎo)線航向角α和樣本導(dǎo)線俯仰角β表征； 所述鍵盤和液晶顯示模塊分別用來(lái)輸入和顯示樣本導(dǎo)線L(3)靜態(tài)時(shí)的姿態(tài)角；并實(shí)時(shí)顯示樣本導(dǎo)線L (3)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角； 所述GSM無(wú)線通信模塊用于向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送樣本導(dǎo)線L(3)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，所述監(jiān)測(cè)中心通過(guò)所述GSM無(wú)線通信模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)的設(shè)置； 選取位于輸電線路鐵塔塔頭一端、處在GPS天線A (I)和GPS天線B (2)之間的一段輸電導(dǎo)線為樣本導(dǎo)線L (3)； 所述基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是 定義 樣本導(dǎo)線L (3)在水平面上的投影為樣本導(dǎo)線投影L'； 樣本導(dǎo)線投影L'位于正北方向?yàn)榱愣龋哉狈较驗(yàn)槠鹗?，按起始后向東的順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)的角度為樣本導(dǎo)線航向角α，所述樣本導(dǎo)線航向角α為O 360度； 樣本導(dǎo)線L(3)與樣本導(dǎo)線投影L'之間的夾角為樣本導(dǎo)線俯仰角β，所述樣本導(dǎo)線俯仰角β為-90 +90度； 所述監(jiān)測(cè)方法按如下步驟進(jìn)行 a、建立樣本導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 以GPS接收板A和GPS接收板B分別獲取一組衛(wèi)星載波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為衛(wèi)星的一個(gè)歷元； 假設(shè)，GPS天線A和GPS天線B都能接收到衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的載波信號(hào)，則GPS接收板A和GPS接收板B對(duì)同一時(shí)刻觀測(cè)的衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的載波相位雙差以式⑴所示的相位雙差觀測(cè)方程表達(dá)Δ2Φ^ = — (sin / (sin W - sin Hy)+ cos /3 [cos『(^(Ω, - a)- cos H7 cos^iJ — aj} + Nv + εν (I)X 式(I)中，I為樣本導(dǎo)線L(3)長(zhǎng)度，長(zhǎng)度范圍為f 3米，λ為射頻載波的波長(zhǎng)，Hi和莊_分別是衛(wèi)星i和衛(wèi)星j對(duì)樣本導(dǎo)線L(3)的載波平面的高度角，01和Ω」分別是衛(wèi)星i和j對(duì)樣本導(dǎo)線L(3)的載波平面的方位角，N〃為相位雙差整周模糊度，ε 〃為觀測(cè)噪聲，且eij是均值為零的高斯白噪聲；因此，式(2)的數(shù)學(xué)期望是整數(shù) Nlj +Sij = Δ2Φ[2 _■- {sin fi(sin Hr - sin Hj)+ cos /3[cos H7 005(0." - a)- cos Hj cos(n7 -a)] } (2) ~ A 那么，式⑶的函數(shù)值為1，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于GPS的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，其特征是系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、衛(wèi)星信號(hào)解析模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無(wú)線通信模塊和電源管理模塊。本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中以兩個(gè)GPS天線固定在絕緣子串上或懸掛于樣本導(dǎo)線正下方，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中其它部分均固定在輸電線路鐵塔塔頭上，對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)模型不會(huì)產(chǎn)生影響。本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)性好、動(dòng)態(tài)性能好、技術(shù)水平高、能夠全天候工作。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102721401SQ201210208479
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者唐樹青, 夏娜, 汪濤, 王浩, 蔣建國(guó), 齊美彬 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)