基於gps的輸電導線舞動監測系統及監測方法

2023-11-06 13:42:02

專利名稱：基於gps的輸電導線舞動監測系統及監測方法
技術領域：
本發明涉及基於GPS的輸電導線舞動監測系統及監測方法，特別是引入同步擾動 隨機逼近SPSA算法後，更能滿足對輸電導線舞動的實時監測。
背景技術：
輸電導線舞動能造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響，是個世界性的難題！國 內外學者自20世紀30年代就開始對導線舞動進行了大量的實驗和理論研究，取得了一定 的成果，目前使用的輸電導線舞動監測系統主要是採用如下監測方法計算機仿真技術監測方法、基於傳感器技術監測方法、視頻圖像技術監測方法。上 述方法存在的問題包括1、計算機仿真技術監測僅限於輸電導線舞動的理論研究，無法在工程實踐中應 用；2、基於傳感器技術監測的缺點很明顯，只有在輸電導線上布置數量較多的傳感 器，才能得到較多的數據，導線舞動曲線擬合的才好，而布置在輸電導線上的傳感器本身可 能破壞導線舞動模型，成為安全隱患，可操作性差；3、視頻圖像技術監測的圖像傳輸率低，視頻信號容易失真，動態性能差；攝像頭容 易被積雪覆蓋，夜晚受光線影響不能正常工作，無法對輸電導線進行全天候的監測。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種可實現性好、動態性能好、 技術水平高、能夠全天候工作的基於GPS的輸電導線舞動監測系統及監測方法。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明基於GPS的輸電導線舞動監測系統的特點是包括衛星信號接收模塊、衛星 信號解析模塊、數位訊號處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無線通信模塊和電源管理模 塊；所述衛星信號接收模塊是由固定在絕緣子串上或懸掛於樣本導線正下方的GPS 天線A和GPS天線B組成，用於接收來自衛星的射頻載波信號；所述衛星信號解析模塊是由GPS接收板A和GPS接收板B組成，用於解析來自衛 星的射頻載波信號，得到衛星的載波相位Φ、衛星的高度角H、衛星的方位角Ω ；所述數位訊號處理模塊由DSP處理晶片組成，用於解析樣本導線L的姿態角，所述 對於樣本導線L的姿態角的解析是基於相位雙差觀測方程構造樣本導線舞動的數學模型， 採用同步擾動隨機逼近SPSA算法解析出樣本導線的姿態角；所述樣本導線L的姿態角是以 樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β表徵；所述鍵盤和液晶顯示模塊分別用來輸入和顯示樣本導線靜態時的姿態角；並實時 顯示樣本導線的實時姿態角；所述GSM無線通信模塊用於向監測中心發送樣本導線的實時姿態角，所述監測中心通過所述GSM無線通信模塊對系統進行遠程參數的設置；選取位於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 導線為樣本導線L。本發明基於GPS的輸電導線舞動監測系統的監測方法的特點是定義樣本導線L在水平面上的投影為樣本導線投影L'；樣本導線投影L'位於正北方向為零度，以正北方向為起始，按起始後向東的順時 針方向偏轉的角度為樣本導線航向角α，所述樣本導線航向角α為0 360度；樣本導線L與樣本導線投影L'之間的夾角為樣本導線俯仰角β，所述樣本導線 俯仰角β為-90 +90度； 所述監測方法按如下步驟進行a、建立樣本導線舞動的數學模型以GPS接收板A和GPS接收板B分別獲取一組衛星載波信號所對應的時刻為衛星 的一個曆元；假設，GPS天線A和GPS天線B都能接收到衛星i和衛星j的載波信號，則GPS接 收板A和GPS接收板B對同一時刻觀測的衛星i和衛星j的載波相位雙差以式⑴所示的
相位雙差觀測方程表達
權利要求
基於GPS的輸電導線舞動監測系統，其特徵是所述系統包括有衛星信號接收模塊、衛星信號解析模塊、數位訊號處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無線通信模塊和電源管理模塊；所述衛星信號接收模塊是由固定在絕緣子串上或懸掛於樣本導線正下方的GPS天線A(1)和GPS天線B(2)組成，用於接收來自衛星的射頻載波信號；所述衛星信號解析模塊是由GPS接收板A和GPS接收板B組成，用於解析來自衛星的射頻載波信號，得到衛星的載波相位Φ、衛星的高度角H、衛星的方位角Ω；所述數位訊號處理模塊由DSP處理晶片組成，用於解析樣本導線L(3)的姿態角，所述對於樣本導線L(3)的姿態角的解析是基於相位雙差觀測方程構造樣本導線舞動的數學模型，採用同步擾動隨機逼近SPSA算法解析出樣本導線的姿態角；所述樣本導線L(3)的姿態角是以樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β表徵；所述鍵盤和液晶顯示模塊分別用來輸入和顯示樣本導線靜態時的姿態角；並實時顯示樣本導線的實時姿態角；所述GSM無線通信模塊用於向監測中心發送樣本導線的實時姿態角，所述監測中心通過所述GSM無線通信模塊對系統進行遠程參數的設置；選取位於輸電線路鐵塔塔頭一端、處在GPS天線A(1)和GPS天線B(2)之間的一段輸電導線為樣本導線L(3)。
2.—種權利要求1所述的基於GPS的輸電導線舞動監測系統的監測方法，其特徵是 定義樣本導線L(3)在水平面上的投影為樣本導線投影L'；樣本導線投影L'位於正北方向為零度，以正北方向為起始，按起始後向東的順時針方 向偏轉的角度為樣本導線航向角α，所述樣本導線航向角α為0 360度；樣本導線L與樣本導線投影L'之間的夾角為樣本導線俯仰角β，所述樣本導線俯仰 角β為-90 +90度；所述監測方法按如下步驟進行 a、建立樣本導線舞動的數學模型以GPS接收板A和GPS接收板B分別獲取一組衛星載波信號所對應的時刻為衛星的一 個曆元；假設，GPS天線A和GPS天線B都能接收到衛星i和衛星j的載波信號，則GPS接收板 A和GPS接收板B對同一時刻觀測的衛星i和衛星j的載波相位雙差以式⑴所示的相位 雙差觀測方程表達A2Of2 = —{sin / (sinH' - sin H))+cos/ [cos H'cos(Q' - )-cosHy cos(q7 -a)\} + NfJ + X(1)式α)中，1為樣本導線長度，長度範圍為1 3米，λ為射頻載波的波長，莊和莊分 別是衛星i和衛星j對樣本導線L的載波平面的高度角，Qi和分別是衛星i和j對樣 本導線L的載波平面的方位角，N"為相位雙差整周模糊度，ε"為觀測噪聲，且ε"是均值 為零的高斯白噪聲；因此，式(2)的數學期望是整數Nii +εν = A2OiI2 -丄{sin/ (sin/T -sin if7)+cos ^fcosiTi cos(q' -a)-cos Hj cos(nj - )]} (2) X那麼，式⑶的函數值為1， ^γ π^ '' +ff")]= (3)cos[2^(A2 f2 - -{sin / (sinH' - sin Hj)+cos / [cosH' cos(q' -q·)-cos Hj-a》}] = 1λ式(3)中，樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β未知，選取α和β使得等式(3) 成立，則所選取的α和β值分別為樣本導線航向角和樣本導線俯仰角；任意時刻，GPS天線都能接收到至少四顆衛星的載波信號，每顆衛星時刻都在往外發送 載波信號，每顆衛星都有無窮多個曆元；選取η顆衛星、η ^ 4,以及所選η顆衛星中每一顆 衛星的m個曆元、4，構成多約束條件，建立樣本導線舞動的數學模型如式(4)Fitness (a, / ) = Σ X cos[2^(A2Of2 -丄{sin "(sin H' - sin Hy)r4、k=\ i=2義^ -『+ cos y0[cos H' cos(q' - a)- cos H". cos(q7 - a)]}]b、採用SPSA算法解析樣本導線姿態角屍(α β) = Fitness A) + 講 x O _ 1)(5)'2 χ w χ ( - 1)根據式(5)，使函數F (a，β)值達到最小的一組(a，β)為樣本導線姿態角的最優解； 則確立函數F(a，β)為待優化的目標函數，按以下過程對樣本導線姿態角進行優化選定樣本導線靜態時的姿態角(a (0)，β (0))，作為算法的一組初始迭代點，在對樣本 導線姿態角進行同步擾動的過程中，通過(_1，1)兩點分布分別確定樣本導線航向角α和 樣本導線俯仰角β擾動的方向擾動幅度c(k)為c ( A: ) 二 ~~-———(6)(k + \)τ 「其中，k是算法當前的迭代次數，算法的預期迭代次數為NC max ^ 10 ； τ是常量，根據經驗取τ = 0. 101 ；c是常量，為樣本導線姿態角的首次擾動幅度，取c = c(0) =5；擾動後的兩個目標函數值為F(6 (k)+c(k)X Ak),F(6 (k)-c(k) XAk)其中θ (k) = (α (k)，β (k))，表示算法的第k次迭代點；由(7)式 s(k)= F(0(k)+ c(fc)x Ak)-F(e(k)~ c(k)x Ak)(7)J2xc(k)x Ak得到當前樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β的估計梯度；根據式(8)和式(9) 得到下次迭代的樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β a(k)=-——-(8) W (k + A + l)p其中，A是常量，根據經驗取A=預期迭代次數Χ10%;Ρ為常量，取P = 0.602;a為常量；θ (k+1) = θ (k)-a(k)g(k)(9)令θ (1)-θ (0) = μ為一常量，表示算法第一次迭代的步長，根據經驗取μ =5，聯立 (7) (8) (9)三式得到常量a的值；第一次迭代點為θ⑴=θ (0)-a(0) Xg(O)；3按式(7) (8) (9)繼續迭代，達到預期迭代次數，則停止迭代；迭代的最終結果為樣本導 線姿態角即樣本導線航向角α和樣本導線俯仰角β。
全文摘要
本發明公開了一種基於GPS的輸電導線舞動監測系統及監測方法，其特徵是系統包括衛星信號接收模塊、衛星信號解析模塊、數位訊號處理模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、GSM無線通信模塊和電源管理模塊。本發明監測系統中以兩個GPS天線固定在絕緣子串上或懸掛於樣本導線正下方，監測系統中其它部分均固定在輸電線路鐵塔塔頭上，對導線舞動模型不會產生影響。本發明方法可實現性好、動態性能好、技術水平高、能夠全天候工作。
文檔編號G01S19/53GK101975565SQ20101050851
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者唐樹青, 夏娜, 汪濤, 王浩, 蔣建國, 齊美彬 申請人:合肥工業大學