专利名称：基于gps的输电导线舞动监测系统及监测方法
技术领域：
本发明涉及基于GPS的输电导线舞动监测系统及监测方法，特别是引入同步扰动 随机逼近SPSA算法后，更能满足对输电导线舞动的实时监测。
背景技术：
输电导线舞动能造成巨大的经济损失和严重的社会影响，是个世界性的难题！国 内外学者自20世纪30年代就开始对导线舞动进行了大量的实验和理论研究，取得了一定 的成果，目前使用的输电导线舞动监测系统主要是采用如下监测方法计算机仿真技术监测方法、基于传感器技术监测方法、视频图像技术监测方法。上 述方法存在的问题包括1、计算机仿真技术监测仅限于输电导线舞动的理论研究，无法在工程实践中应 用；2、基于传感器技术监测的缺点很明显，只有在输电导线上布置数量较多的传感 器，才能得到较多的数据，导线舞动曲线拟合的才好，而布置在输电导线上的传感器本身可 能破坏导线舞动模型，成为安全隐患，可操作性差；3、视频图像技术监测的图像传输率低，视频信号容易失真，动态性能差；摄像头容 易被积雪覆盖，夜晚受光线影响不能正常工作，无法对输电导线进行全天候的监测。

发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种可实现性好、动态性能好、 技术水平高、能够全天候工作的基于GPS的输电导线舞动监测系统及监测方法。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明基于GPS的输电导线舞动监测系统的特点是包括卫星信号接收模块、卫星 信号解析模块、数字信号处理模块、键盘和液晶显示模块、GSM无线通信模块和电源管理模 块；所述卫星信号接收模块是由固定在绝缘子串上或悬挂于样本导线正下方的GPS 天线A和GPS天线B组成，用于接收来自卫星的射频载波信号；所述卫星信号解析模块是由GPS接收板A和GPS接收板B组成，用于解析来自卫 星的射频载波信号，得到卫星的载波相位Φ、卫星的高度角H、卫星的方位角Ω ；所述数字信号处理模块由DSP处理芯片组成，用于解析样本导线L的姿态角，所述 对于样本导线L的姿态角的解析是基于相位双差观测方程构造样本导线舞动的数学模型， 采用同步扰动随机逼近SPSA算法解析出样本导线的姿态角；所述样本导线L的姿态角是以 样本导线航向角α和样本导线俯仰角β表征；所述键盘和液晶显示模块分别用来输入和显示样本导线静态时的姿态角；并实时 显示样本导线的实时姿态角；所述GSM无线通信模块用于向监测中心发送样本导线的实时姿态角，所述监测中心通过所述GSM无线通信模块对系统进行远程参数的设置；选取位于输电线路铁塔塔头一端、处在GPS天线A和GPS天线B之间的一段输电 导线为样本导线L。本发明基于GPS的输电导线舞动监测系统的监测方法的特点是定义样本导线L在水平面上的投影为样本导线投影L'；样本导线投影L'位于正北方向为零度，以正北方向为起始，按起始后向东的顺时 针方向偏转的角度为样本导线航向角α，所述样本导线航向角α为0 360度；样本导线L与样本导线投影L'之间的夹角为样本导线俯仰角β，所述样本导线 俯仰角β为-90 +90度； 所述监测方法按如下步骤进行a、建立样本导线舞动的数学模型以GPS接收板A和GPS接收板B分别获取一组卫星载波信号所对应的时刻为卫星 的一个历元；假设，GPS天线A和GPS天线B都能接收到卫星i和卫星j的载波信号，则GPS接 收板A和GPS接收板B对同一时刻观测的卫星i和卫星j的载波相位双差以式⑴所示的
相位双差观测方程表达
权利要求
基于GPS的输电导线舞动监测系统，其特征是所述系统包括有卫星信号接收模块、卫星信号解析模块、数字信号处理模块、键盘和液晶显示模块、GSM无线通信模块和电源管理模块；所述卫星信号接收模块是由固定在绝缘子串上或悬挂于样本导线正下方的GPS天线A(1)和GPS天线B(2)组成，用于接收来自卫星的射频载波信号；所述卫星信号解析模块是由GPS接收板A和GPS接收板B组成，用于解析来自卫星的射频载波信号，得到卫星的载波相位Φ、卫星的高度角H、卫星的方位角Ω；所述数字信号处理模块由DSP处理芯片组成，用于解析样本导线L(3)的姿态角，所述对于样本导线L(3)的姿态角的解析是基于相位双差观测方程构造样本导线舞动的数学模型，采用同步扰动随机逼近SPSA算法解析出样本导线的姿态角；所述样本导线L(3)的姿态角是以样本导线航向角α和样本导线俯仰角β表征；所述键盘和液晶显示模块分别用来输入和显示样本导线静态时的姿态角；并实时显示样本导线的实时姿态角；所述GSM无线通信模块用于向监测中心发送样本导线的实时姿态角，所述监测中心通过所述GSM无线通信模块对系统进行远程参数的设置；选取位于输电线路铁塔塔头一端、处在GPS天线A(1)和GPS天线B(2)之间的一段输电导线为样本导线L(3)。
2.—种权利要求1所述的基于GPS的输电导线舞动监测系统的监测方法，其特征是 定义样本导线L(3)在水平面上的投影为样本导线投影L'；样本导线投影L'位于正北方向为零度，以正北方向为起始，按起始后向东的顺时针方 向偏转的角度为样本导线航向角α，所述样本导线航向角α为0 360度；样本导线L与样本导线投影L'之间的夹角为样本导线俯仰角β，所述样本导线俯仰 角β为-90 +90度；所述监测方法按如下步骤进行 a、建立样本导线舞动的数学模型以GPS接收板A和GPS接收板B分别获取一组卫星载波信号所对应的时刻为卫星的一 个历元；假设，GPS天线A和GPS天线B都能接收到卫星i和卫星j的载波信号，则GPS接收板 A和GPS接收板B对同一时刻观测的卫星i和卫星j的载波相位双差以式⑴所示的相位 双差观测方程表达A2Of2 = —{sin / (sinH' - sin H))+cos/ [cos H'cos(Q' - )-cosHy cos(q7 -a)\} + NfJ + X(1)式α)中，1为样本导线长度，长度范围为1 3米，λ为射频载波的波长，庄和庄分 别是卫星i和卫星j对样本导线L的载波平面的高度角，Qi和分别是卫星i和j对样 本导线L的载波平面的方位角，N"为相位双差整周模糊度，ε"为观测噪声，且ε"是均值 为零的高斯白噪声；因此，式(2)的数学期望是整数Nii +εν = A2OiI2 -丄{sin/ (sin/T -sin if7)+cos ^fcosiTi cos(q' -a)-cos Hj cos(nj - )]} (2) X那么，式⑶的函数值为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，样本导线航向角α和样本导线俯仰角β未知，选取α和β使得等式(3) 成立，则所选取的α和β值分别为样本导线航向角和样本导线俯仰角；任意时刻，GPS天线都能接收到至少四颗卫星的载波信号，每颗卫星时刻都在往外发送 载波信号，每颗卫星都有无穷多个历元；选取η颗卫星、η ^ 4,以及所选η颗卫星中每一颗 卫星的m个历元、4，构成多约束条件，建立样本导线舞动的数学模型如式(4)Fitness (a, / ) = Σ X cos[2^(A2Of2 -丄{sin "(sin H' - sin Hy)r4、k=\ i=2义^ -‘+ cos y0[cos H' cos(q' - a)- cos H". cos(q7 - a)]}]b、采用SPSA算法解析样本导线姿态角尸(α β) = Fitness A) + 讲 x O _ 1)(5)'2 χ w χ ( - 1)根据式(5)，使函数F (a，β)值达到最小的一组(a，β)为样本导线姿态角的最优解； 则确立函数F(a，β)为待优化的目标函数，按以下过程对样本导线姿态角进行优化选定样本导线静态时的姿态角(a (0)，β (0))，作为算法的一组初始迭代点，在对样本 导线姿态角进行同步扰动的过程中，通过(_1，1)两点分布分别确定样本导线航向角α和 样本导线俯仰角β扰动的方向扰动幅度c(k)为c ( A: ) 二 ~~-———(6)(k + \)τ “其中，k是算法当前的迭代次数，算法的预期迭代次数为NC max ^ 10 ； τ是常量，根据经验取τ = 0. 101 ；c是常量，为样本导线姿态角的首次扰动幅度，取c = c(0) =5；扰动后的两个目标函数值为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次迭代点；由(7)式 s(k)= F(0(k)+ c(fc)x Ak)-F(e(k)~ c(k)x Ak)(7)J2xc(k)x Ak得到当前样本导线航向角α和样本导线俯仰角β的估计梯度；根据式(8)和式(9) 得到下次迭代的样本导线航向角α和样本导线俯仰角β a(k)=-——-(8) W (k + A + l)p其中，A是常量，根据经验取A=预期迭代次数Χ10%;Ρ为常量，取P = 0.602;a为常量；θ (k+1) = θ (k)-a(k)g(k)(9)令θ (1)-θ (0) = μ为一常量，表示算法第一次迭代的步长，根据经验取μ =5，联立 (7) (8) (9)三式得到常量a的值；第一次迭代点为θ⑴=θ (0)-a(0) Xg(O)；3按式(7) (8) (9)继续迭代，达到预期迭代次数，则停止迭代；迭代的最终结果为样本导 线姿态角即样本导线航向角α和样本导线俯仰角β。
全文摘要
本发明公开了一种基于GPS的输电导线舞动监测系统及监测方法，其特征是系统包括卫星信号接收模块、卫星信号解析模块、数字信号处理模块、键盘和液晶显示模块、GSM无线通信模块和电源管理模块。本发明监测系统中以两个GPS天线固定在绝缘子串上或悬挂于样本导线正下方，监测系统中其它部分均固定在输电线路铁塔塔头上，对导线舞动模型不会产生影响。本发明方法可实现性好、动态性能好、技术水平高、能够全天候工作。
文档编号G01S19/53GK101975565SQ20101050851
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者唐树青, 夏娜, 汪涛, 王浩, 蒋建国, 齐美彬 申请人:合肥工业大学