[发明专利]基于北斗Ⅱ姿态测量的输电线路杆塔倾斜度监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种基于北斗Ⅱ姿态测量的输电线路杆塔倾斜度监测方法，其特征是包括：

定义天线A和天线B之间的连线为基线J；所述基线J在水平面上的投影为J′；

定义所述基线J的航向角α是所述投影J′与正北方向之间的夹角，所述航向角α的范围为0～360度；

定义所述基线J的俯仰角β是所述基线J与所述投影J′之间的夹角，所述俯仰角β的范围为-90～+90度；

所述输电线路杆塔倾斜度监测方法是按如下步骤进行：

步骤1、接收北斗Ⅱ卫星的射频载波信号；

在所述输电线路杆塔的顶端安装天线A和天线B，分别接收n颗北斗Ⅱ卫星的m个历元的射频载波信号，n≥4，m≥4；

步骤2、解析所述射频载波信号；

在所述输电线路杆塔上布置北斗Ⅱ接收机，与所述天线A和天线B连接；所述北斗Ⅱ接收机包括：北斗板卡A、北斗板卡B和无线通信模块；

所述北斗板卡A解析所述天线A接收到的所述射频载波信号，得到n颗北斗Ⅱ卫星的m个历元的载波相位、卫星高度角和卫星方位角，并分别记为和其中，表示所述北斗板卡A解析得到第i颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时的载波相位；表示所述北斗板卡A解析得到第i颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时的卫星高度角；表示所述北斗板卡A解析得到第i颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时的卫星方位角；

所述北斗板卡B解析所述天线B接收到的所述射频载波信号，得到n颗北斗Ⅱ卫星的m个历元的载波相位，并记为其中，表示所述北斗板卡B解析得到第i颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时的载波相位；

步骤3、建立所述输电线路杆塔上基线J的姿态角数学模型；

步骤3.1、获得载波相位单差方程；

利用式(1)获得所述天线A和天线B在第k个历元时接收到的第i颗北斗Ⅱ卫星的载波相位单差利用式(2)获得所述天线A和天线B在第k个历元时接收到的第j颗北斗Ⅱ卫星的载波相位单差

步骤3.2、利用式(3)获得载波相位双差方程：

式(3)中，表示载波相位双差；l_AB为所述基线J的长度；λ为所述射频载波信号的波长；Η_ik和Η_jk分别是第i颗北斗Ⅱ卫星和第j颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时对基线J的高度角，其中，P_ik和P_jk分别是第i颗北斗Ⅱ卫星和第j颗北斗Ⅱ卫星在第k个历元时对基线J的方位角，其中，为相位双差整周模糊度；ε为随机观测噪声；

步骤3.3、利用式(4)建立所述基线J的姿态角数学模型：

步骤4、提出一种增强协作粒子群算法对所述姿态角数学模型进行求解，得到所述基线J的姿态角；

步骤4.1、设置所述增强协作粒子群算法的搜索空间为d(d＝1,2)维，粒子总数为N，第d维粒子的位置变化范围和速度变化范围分别为[x_d,min,x_d,max]和[v_d,min,v_d,max]；设第1维为所述航向角α，则[x_1,min,x_1,max]设置为[0°,360°]；设第2维为所述俯仰角β，则[x_2,min,x_2,max]设置为[-90°,+90°]；设置所述算法的迭代次数为t，最大迭代次数为NCmax，1≤t≤NCmax；并初始化迭代次数t＝1；

步骤4.2、随机产生第t代粒子群中第i个粒子的初始位置X_i(t)＝[x_id(t)]和初始速度V_i(t)＝[v_id(t)]；x_id(t)和v_id(t)分别表示所述第t代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的位置和速度；x_d,min≤x_id(t)≤x_d,max，v_d,min≤v_id(t)≤v_d,max，i＝1,2,....,N；

步骤4.3、计算第t代粒子群中第i个粒子的适应度值为F_i(t)，得到第t代粒子群中第i个粒子的个体最优位置L_i(t)＝[L_id(t)]；L_id(t)表示所述第t代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的个体最优位置；

步骤4.4、重复步骤4.3，从而获得第t代粒子群中N个粒子的个体最优位置；比较第t代粒子群中N个粒子的个体最优位置的适应度值，从中选出最大适应度值对应的个体最优位置作为第t代粒子群中N个粒子的群体最优位置Lg(t)＝[L_gd(t)]；L_gd(t)表示所述第t代粒子群中N个粒子在第d维搜索空间上的群体最优位置；g＝1,2,...,N；

步骤4.5、按式(5)更新所述第t代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的速度v_id(t)，得到第t+1代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的速度v_id(t+1)：

v_id(t+1)＝w×v_id(t)+c₁×r₁×[L_id(t)-x_id(t)]+c₂×r₂×[L_gd(t)-x_id(t)]+c₃×r₃×[L_cd(t)-x_id(t)] (5)

式(5)中，w为惯性因子；c₁、c₂和c₃为加速因子；r₁、r₂和r₃均为[0,1]之间的随机数；L_cd(t)为所述第t代粒子群在第d维搜索空间上的几何中心，按式(6)进行计算；L_cd(t)作为粒子群的中心对粒子个体的飞行会产生吸引，有利于粒子个体趋向于优化的解，从而增强了粒子间的协作性；在更新过程中，若粒子的速度v_id(t+1)超过所述速度变化范围[v_d,min,v_d,max]，则取边界值；

步骤4.6、按式(7)更新所述第t代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的位置x_id(t)，得到第t+1代粒子群中第i个粒子在第d维搜索空间上的位置x_id(t+1)：

x_id(t+1)＝x_id(t)+v_id(t+1) (7)

更新过程中，若粒子的位置x_id(t+1)超过所述位置变化范围[x_d,min,x_d,max]，则取边界值；

步骤4.7、计算第t+1代粒子群中第i个粒子的适应度值为F_i(t+1)，并与第i个粒子的个体最优位置L_i(t)的适应度值进行比较，将较大适应度值对应的粒子位置作为第t+1代粒子群中第i个粒子的个体最优位置L_i(t+1)；

步骤4.8、重复步骤4.7，从而获得第t+1代粒子群中N个粒子的个体最优位置；比较第t+1代粒子群中N个粒子的个体最优位置的适应度值，从中选出最大适应度值对应的个体最优位置作为第t+1代粒子群中N个粒子的群体最优位置Lg(t+1)；

步骤4.9、将t+1赋值给t，判断t＜NCmax是否成立，若成立，则执行步骤4.5；否则，表示NCmax次迭代完成，获得的群体最优位置Lg(NCmax)＝[L_gd(NCmax)]即为所述基线J姿态角数学模型的最优解；L_g1(NCmax)和L_g2(NCmax)分别为所述算法求解得到的所述基线J的航向角α和俯仰角β；

步骤5、计算得所述输电线路杆塔的倾斜度；

已知所述基线J初始安装时的航向角α(0)和俯仰角β(0)，以及步骤4求解得到的所述基线J当前的航向角α和俯仰角β，利用式(8)和式(9)分别获得所述杆塔的水平扭转角Δα和倾斜角Δβ：

Δα＝α-α(0) (8)

Δβ＝β-β(0) (9)

进一步由式(10)计算可得所述输电线路杆塔的倾斜度η：

η＝tan(Δβ) (10)。