一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法与流程

1.本发明专利涉及新能源风力发电领域，具体涉及一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法。


背景技术：

2.随着我国风电行业的大力发展，我国的陆上风电基础设计也暴露出越来越多的问题，风机摇摆、脱网、倒塌等安全事故时有发生。而风机塔筒作为支撑系统和叶片的支撑，风轮、机舱、塔筒的重量必须由其下的风机基础承受，有阵风和自然风作用下形成的力矩，还有由于顶部机舱的重心不在塔筒中心线上，产生偏心荷载，一定的力矩施加在基础上，从而造成风机塔筒倾斜，因此，对风机塔筒的倾斜度进行监测，可以对风机塔筒结构的损伤程度作出评价，同时为分析风机基础损伤和破坏原因、改进设计、为后期结构加固改造、为新建风机建立完善的健康检测系统和对减轻灾害损失具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法，用于实现通过对风机塔筒倾斜监测，为风力发电机的安全稳定运行提供保障。
4.本发明公开了一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法，该方法包括以下步骤：
5.步骤1所述风机塔筒、系统移动站上安装北斗采集单元，所述无线网关、系统基准站建立在地面开阔处；
6.步骤2确定系统移动站、系统基准站的初始坐标和风机塔筒倾斜度初始值；
7.步骤3每隔相同时间利用北斗差分定位技术解算一次系统移动站坐标从而获得风机塔筒倾斜度并通过无线网关传送至监测后台；
8.步骤4将步骤3中解算的风机塔筒倾斜度值与初始值对比，得到当前变动值；
9.步骤5监测后台对风机塔筒倾斜度变动值进行分析并作出评价。
10.进一步地，根据北斗采集单元接收北斗卫星采集的位置信息和风机塔筒的空间坐标数据经无线网关处理计算得到北斗采集单元到北斗卫星i的理论距离、第n个系统基准站与北斗卫星i的伪距，具体为：
11.北斗采集单元到北斗卫星i的理论距离为：
[0012][0013]
其中(x0，y0，z0)为系统基准站的地理三维坐标，(xi，yi，zi)为第i颗北斗卫星的地理三维坐标，
[0014]
第n个系统基准站与北斗卫星i的伪距为：
[0015]
[0016]
其中i为第i颗北斗卫星，n为第n个系统基准站，为系统基站与北斗卫星的伪距，c为光速，为系统基准站到北斗卫星的理论距离，为北斗卫星的时钟偏差值，为系统基准站接收机的时钟偏差值，为对流层延迟，为电离层延迟，为卫星星历的误差。
[0017]
进一步地，根据系统移动站修正坐标、利用最小二乘法原理、伪距差分线性组合模型得到风机塔筒倾斜度，具体为：
[0018][0019][0020][0021]
其中，(xa，ya，za)，(xb，yb，zb)，(xc，yc，zc)分别为系统移动站a,b,c的三维坐标；)分别为系统移动站a,b,c的三维坐标；分别为系统移动站的修正三维坐标；
[0022]
利用最小二乘法原理对上式进行线性数据拟合，即可求出k1、k2、k3、m1、m2、m3、n1、n2、n3的值；
[0023]
利用综合伪距改正修正系统移动站i，系统移动站i修正后的xi、yi、zi为：
[0024][0025][0026][0027]
其中xa，ya，za，xb，yb，zb是已知的，是已知的，是可测的，k1、k2、k3、m1、m2、m3的值可求解，所以可以通过伪距差分线性组合模型求解出xi，yi，zi的值，即可经过监测后台处理后可以得出高精度的风机塔筒倾斜度。
[0028]
进一步地，所述北斗采集单元采集的数据，通过北斗差分定位模块对数据进行处理，解算得到定位信息后，经过卡尔曼滤波后发送给无线网关。
[0029]
北斗采集单元2采用超低功耗技术，电源模块2-4为高密度大容量锂电池供电，可以实现全年不断电实时监测，监测准确度高。数据的采集通过北斗rtk模块2-3接收北斗卫星发送的地理位置信息，将地理位置信息通过微处理器2-1进行滤波处理，然后将数据通433mhz通信模块2-2传输至无线网关1；
[0030]
无线网关1通过433mhz通信模块1-2接收滤波后的数据进行数据解算、然后通过4g通信模块1-3传输至后台，实现了实时监测系统移动站状态并接收系统基准站传输的差分校正量，以得到更为精确的风机塔筒倾斜的轨迹坐标。然后通过通讯模块传输给监测后台，监测后台将数据存储后从中提取出坐标信息建立倾斜轨迹，更为准确的风机塔筒倾斜。
[0031]
由于无线网关1承担着数据处理与传输的作用，需要的功耗较大，因此其电源模块1-4采用锂电池加太阳能板双重供电方式。
[0032]
优选地，为了保证网络传输的有效和可靠，在传输部分对4g模块进行复用，采用双
sim卡的复用模式，如果长时间连接不上内网，将采取公网传输接口将数据传输至平台，此部分功能可以选用。
[0033]
本技术涉及新能源风力发电领域，公开了一种基于北斗查分定位的风机塔筒倾斜在线监测系统及方法。该系统包括北斗采集单元、无线网关，其中，北斗采集单元用于接收坐标信息，
[0034]
无线网关主要用于接收北斗采集单元接收滤波后的数据进行数据解算、加密和打包传输以及失败重传，传输至内网平台，北斗采集单元包括北斗导航接收机和北斗差分定位模块，北斗接收机用于获取待处理信息，北斗导航接收器采集卫星信号，北斗差分定位模块对信号进行处理，解算得到定位信息后，经过卡尔曼滤波后发送给无线网关。
[0035]
本技术提供的风机塔筒倾斜在线监测系统可以对风机塔筒进行实时的监测，实时掌握风机塔筒的定位和倾斜度状态，及时对风机塔筒结构的损伤程度作出评价，同时为分析风机基础损伤和破坏原因、改进设计、为后期结构加固改造、为新建风机建立完善的健康检测系统和对减轻灾害损失具有重要意义。
附图说明
[0036]
图1是本发明北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法的流程图；
[0037]
图2是本发明中基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜监测装置结构框图；
[0038]
图3是本发明一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜在线监测系统框图；
[0039]
图4是本发明工作原理布局图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前“后”、“左”、“右”、“竖、直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0041]
图中，1.无线网关，1-1.微处理器，1-2.433mhz通信模块，1-3.4g通信模块，1-4.电源模块；2.北斗采集单元，2-1.微处理器，2-2.433mhz通信模块，2-3.北斗rtk模块，2-4.电源模块。
[0042]
本发明一种基于北斗差分定位的风机塔筒倾斜监测系统框图，如图1所示，本系统包含有北斗采集单元2和无线网关1。本系统是基于北斗卫星定位系统差分技术来监测风机塔筒倾斜的方法，该方法基于北斗差分定位原理，通过北斗卫星实时获取系统移动站和系统基站的空间位置信息，得到风机塔筒的空间位置信息，系统移动站将得到的风机塔筒空间位置数据传输给监测后台，监测后台将上传的数据进行存储，并从存储的数据提取出定位信息中风机塔筒的经度、维度和高度三维空间信息转换成风机塔筒倾斜度。采用基于载波相位差分的风机塔筒倾斜度算法，使得风机塔筒倾斜度状况监测准确。
[0043]
北斗采集单元2采用超低功耗技术，电源模块2-4为高密度大容量锂电池供电，可
以实现全年不断电实时监测，监测准确度高。数据的采集通过北斗rtk模块2-3接收北斗卫星发送的地理位置信息，将地理位置信息通过微处理器2-1进行滤波处理，然后将数据通过433mhz通信模块2-2传输至无线网关1；
[0044]
无线网关1通过433mhz通信模块1-2接收滤波后的数据进行数据解算、然后通过4g通信模块1-3传输至后台，实现了实时监测系统移动站状态并接收系统基准站传输的差分校正量，以得到更为精确的风机塔筒倾斜的轨迹坐标。然后通过通讯模块传输给监测后台，测后台将数据存储后从中提取出坐标信息建立倾斜轨迹，更为准确的风机塔筒倾斜。
[0045]
由于无线网关1承担着数据处理与传输的作用，需要的功耗较大，因此其电源模块1-4采用锂电池加太阳能板双重供电方式。
[0046]
本发明具体按以下步骤实施：
[0047]
步骤1所述北斗采集单元、系统移动站安装在风机塔筒上，所述无线网关、系统基准站建立在地面开阔处；
[0048]
步骤2确定系统移动站、系统基准站的初始坐标和风机塔筒倾斜度初始值；
[0049]
步骤3每隔相同时间利用北斗差分定位技术解算一次系统移动站坐标从而获得风机塔筒倾斜度并通过无线网关传送至监测后台；
[0050]
步骤4将步骤3中解算的风机塔筒倾斜度值与初始值对比，得到当前变动值；
[0051]
步骤5监测后台对风机塔筒倾斜度变动值进行分析并作出评价。
[0052]
在具体实施例中，北斗采集单元实时接收北斗卫星采集的位置坐标信息，同时北斗采集单元实时采集风机塔筒的空间坐标。北斗采集单元2采用超低功耗技术，电源模块2-4为高密度大容量锂电池供电，可以实现全年不断电实时监测，监测准确度高，数据的采集通过北斗rtk模块2-3接收北斗卫星发送的地理位置信息，将地理位置信息通过微处理器2-1进行滤波处理，然后将数据通过433mhz通信模块2-2传输至无线网关1；监测后台用于监测北斗采集单元采集数据的动态，并根据数据动态做出相应的指令示下：
[0053]
若监测后台没有发出“查看运行状态”的指令，微控制器每隔2小时向北斗采集单元下发采集命令；若监测后台发出“查看运行状态”的指令，微控制器立即向北斗采集单元下发采集命令。无线网关对采集到的数据进行预处理，然后将数据打包发送至监测后台。无线网关包括微控制器、通信模块、蓄电池、太阳能光伏板等。无线网关接收北斗采集单元接收滤波后的数据进行数据解算、加密和打包传输以及失败重传，传输至内网平台。无线网关1通过433mhz通信模块1-2接收滤波后的数据进行数据解算、然后通过4g通信模块1-3传输至后台，实现了实时监测系统移动站状态并接收系统基准站传输的差分校正量，以得到更为精确的风机塔筒倾斜的轨迹坐标，然后通过通讯模块传输给监测后台，同时为了保证网络传输的有效和可靠，在传输部分对4g模块进行复用，采用双sim卡的复用模式，如果长时间连接不上内网，将采取公网传输接口将数据传输至平台，此部分功能可以选用。
[0054]
北斗采集单元到北斗卫星i的理论距离为：
[0055][0056]
其中(x0，y0，z0)为系统基准站的地理三维坐标，(xi，yi，zi)为第i颗北斗卫星的地理三维坐标。
[0057]
第n个系统基准站与北斗卫星i的伪距为：
[0058][0059]
其中i为第i颗北斗卫星，n为第n个系统基准站，为系统基站与北斗卫星的伪距，c为光速，为系统基准站到北斗卫星的理论距离，为北斗卫星的时钟偏差值，为系统基准站接收机的时钟偏差值，为对流层延迟，为电离层延迟，为卫星星历的误差。
[0060]
进一步地，根据系统移动站修正坐标、利用最小二乘法原理、伪距差分线性组合模型得到风机塔筒倾斜度，具体为：
[0061][0062][0063][0064]
其中，(xa，ya，za)，(xb，yb，zb)，(xc，yc，zc)分别为系统移动站a,b,c的三维坐标；)分别为系统移动站a,b,c的三维坐标；分别为系统移动站的修正三维坐标；
[0065]
利用最小二乘法原理对上式进行线性数据拟合，即可求出k1、k2、k3、m1、m2、m3、n1、n2、n3的值；
[0066]
利用综合伪距改正修正系统移动站i，系统移动站i修正后的xi、yi、zi为：
[0067][0068][0069][0070]
其中xa，ya，za，xb，yb，zb是已知的，是已知的，是可测的，k1、k2、k3、m1、m2、m3的值可求解，所以可以通过伪距差分线性组合模型求解出xi，yi，zi的值，即可经过监测后台处理后可以得出高精度的风机塔筒倾斜度。
[0071]
在实施例机载北斗差分定位系统的测量船应用中，无人机差分定位技术原理是无人机差分定位的关键技术在于实现bds/gps载波相位差分定位。其基本原理是在跟踪目标附近开阔地设置基准站，基准站坐标精确已知。在无人机和测量船上设置流动站，流动站距离基准站数公里之内(即短基线)，且同步接收导航卫星信号。事后对基准站和流动站接收数据进行二次差分处理，最后获得流动站的精确位置。以北斗b1频点为例，某颗北斗卫星发送至接收机的载波相位观测方程为：
[0072]
φ
pi
λ＝ρ
pi
dti dt
p
t
pi-i
pi
n
pi
λ ε
pi
ꢀꢀ
(1)
[0073]
(1)式中：上标p表示卫星编号；下标i表示接收机编号；φ表示载波相位观测量；λ为b1频点载波波长；ρ为卫星至地面接收机之间的几何距离；带有下标的dt表示接收机钟差；带有上标的dt表示卫星钟差；t为对流层延迟误差；i为电离层延迟误差；n为载波相位整
周模糊度；ε为载波相位观测噪声。从式
⑴
可知，载波相位观测方程中存在多种测量误差影响，如卫星钟差、卫星轨道误差、对流层误差、电离层误差和接收机钟差等。由于通过误差建模的方式难以完全反映误差的分布，在实际工作中，根据两个相距不远的接收机同步观测相同卫星具有很强相关的特性，采用两个观测站的观测方程进行线性组合，就可以达到消除或减弱误差源的目的。例如，基准站和流动站接收机同时对两颗卫星进行同步观测，在两个观测站和两个不同卫星的观测方程间依次求差，就可以获得二次差分虚拟观测方程，即双差观测方程。在双差观测方程中，接收机钟差已被消除，一次差分虚拟观测方程中残余下来的电离层和对流层折射误差得到进一步减弱，若忽略观测噪声的影响，在接收机间和卫星间求差得到的双差虚拟观测方程为：
[0074][0075]
从式
⑵
可知，在短基线情况下，只要双差观测方程中的未知量得到确定，流动站就可以给出厘米级的定位精度。如果使用的接收机能够接收双频或三频卫星信号，双差虚拟观测方程将拥有更多的冗余观测量，有利于双差整周模糊度的快速搜索与确定。
[0076]
测量船测控设备精度检测的实现由于基准站可以提供绝对位置坐标，并且可以对测量结果进行检核，所以测量船精度检测工作一般选择在码头进行。通常在地势较高的开阔地布设基准站，在无人机和测量船上设置流动站，其布局如图1所示。测量船测控设备稳定跟踪路径规划好的无人机，基准站和流动站同步记录卫星观测数据。随后将流动站与基准站数据一同进行事后差分处理，数据处理过程中可以选择bds、gps或bds gps 3种方案进行坐标解算，最终获得测量船和无人机带有时间标记的大地测量坐标。在海上时，测量船和无人机没有地面基准站提供数据支持，此时可以采用无基准站的动态差分定位模式，即以测量船为动态参考点，解算测量船至无人机之间的相对位置关系。码头期间之所以设置基准站，主要可以观察测量船和无人机的运动状态，起到数据检核和改进无人机飞行方案设计的目的。
[0077]
综上所述，与现有技术相比，本发明实施例所提出的技术方案的有益技术效果包括：
[0078]
本技术公开了一种基于北斗查分定位的风机塔筒倾斜在线监测方法。该方法包括北斗采集单元、无线网关两部分，其中，北斗采集单元用于接收坐标信息，无线网关主要用于接收北斗采集单元接收滤波后的数据进行数据解算、加密和打包传输以及失败重传，传输至内网平台，北斗采集单元包括北斗导航接收机和北斗差分定位模块，北斗接收机用于获取待处理信息，北斗导航接收器采集卫星信号，北斗差分定位模块对信号进行处理，解算得到定位信息后，经过卡尔曼滤波后发送给无线网关，无线网关1通过433mhz通信模块1-2接收滤波后的数据进行数据解算、然后通过4g通信模块1-3传输至后台，实现了实时监测系统移动站状态并接收系统基准站传输的差分校正量，以得到更为精确的风机塔筒倾斜的轨迹坐标。然后通过通讯模块传输给监测后台，监测后台将数据存储后从中提取出坐标信息建立倾斜轨迹，更为准确的风机塔筒倾斜。
[0079]
该方法对风机塔筒的倾斜度进行监测，可以对风机塔筒结构的损伤程度作出评价，同时为分析风机基础损伤和破坏原因、改进设计、为后期结构加固改造、为新建风机建立完善的健康检测系统和对减轻灾害损失具有重要意义。
[0080]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。