（2020年度“华苏杯”获奖论文二等奖）融合北斗与惯导定位的杆塔形变监测装置设计

王 钦 王国庆 钟永良 薛俊伟

1.中通服咨询设计研究院有限公司；2.广州医科大学

0 引言

北斗卫星导航系统历经多年发展，逐渐成为信息化时代不可或缺的空间信息基础设施。2020年是北斗系统建设的收官之年，全球系统第55颗组网卫星于6月成功发射并定点，标志着我国拥有自主知识产权的全球卫星导航定位系统能够更加深刻而广泛地服务人们的生活。在新冠疫情抗疫物资配送、2020珠峰高程测量、智慧高速车辆监控、农业无人驾驶导航机械、地质灾害监测预警等许多领域中，北斗已经逐渐替代国外导航系统，发挥了重要作用。

第五代移动通信新空口技术（5G New Radio，5G NR）作为新基建中助推社会向数字化、信息化和智能化结构调整和转型升级的关键技术，设计实现了满足超多设备、超高密度、极低时延、极大速率和更广范围的通信能力。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可以平滑升级于现有的蜂窝网络之上，能充分利旧原有的网络设备和其他资产，减少网络的重复建设，在物联网技术中广受行业支持。5G针对更加广泛的通信场景和广域互联的需求，提供了更好的支撑，其中包括物联网与北斗导航应用的智慧融合。这种创新融合将会在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧农业、智慧交通、防灾预警、消费产品等方面发挥更大的作用。

在通信、电力、建筑等行业，通信杆塔、电力杆塔、市政灯杆、施工塔吊等设施的稳定关系到安全生产的进行。大量地处偏远地区的杆塔设施需要经受恶劣的地质、天气、人为等因素的影响，需要时刻关注杆塔的振动、倾倒情况，通过及时干预来避免重大损失。特别是近期发生的虎门大桥较长时间、较大振幅的涡振事件，要求运维部门完善自动监测系统预警机制，降低可能的事故概率。

传统的杆塔形变监测方式过分依赖人力，无法实现自动化在线监测；一些新型的卫星定位监测系统，一般使用将要退网的通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service ，GPRS）进行数据传输，并且测量形变的精度不高。融合北斗与惯导定位的杆塔形变监测装置，同时采用北斗卫星和微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）惯性导航传感器采集到的姿态数据，联合计算塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载等杆塔健康状态数据，并使用NB-IoT和5G NR互为备份的多模网络进行信息传输，对杆塔健康状态进行高精度、全天候、自动化、可视化的监测，符合未来发展趋势。

1 系统设计

1.1 系统框架设计

融合北斗与惯导定位的杆塔形变监测装置，主要包括北斗卫星监测点设备、惯导定位传感监测装置、空间数据预处理平台、多模物联网通信模块、太阳能电池、电源管理模块、输入输出面板和后台数据监测平台。

卫星监测数据和惯导定位传感监测装置采集到的杆塔形变融合数据，首先转发至空间数据预处理平台。透明传输的原始数据经过空间数据预处理平台进行预处理后，通过多模物联网通信模块发送到后台数据监测平台。其中，太阳能电池与电源管理模块相连，用于为监测装置中北斗卫星监测点设备、惯导定位传感监测装置和空间数据预处理平台的供电。为满足室外环境需求，设计采用第三代钙钛矿太阳能电池，具有高光电转化效率、高效能和高安全性，储能电池组为工业用18650钛酸锂电池组，结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长无人管理自动监测的时间。输入输出面板用于设备安装、调试和维护时的手动控制，并能通过LED灯指示监测装置当前的工作状态。杆塔形变监测装置系统整体框图如图1所示。

图1 监测装置系统整体框架

1.2 北斗和惯导融合定位

北斗卫星监测点设备由接收机和接收天线组成，根据测得的卫星差分数据对被测量物体定位。接收机用于接收和处理北斗三号卫星定位数据，接收天线用于将卫星信号聚集以提升接收信号质量。最新的北斗三号卫星星座创造性地使用了星间通信测量链路来实现相控阵星间链路，实现卫星互联互通，进一步提升了不依赖于地面系统的卫星独立测距、导航和通信能力。这也是继双向短信息服务之外，北斗定位系统相比于其它导航系统独有的特色功能。

惯导定位传感监测装置用于获取被测量物体的惯性姿态数据。通过MEMS微机械陀螺仪数字化输出的加速度、角速度、磁数据的变化得到杆塔形变数据。传感监测装置主要包含传感器监测单元、传感器接口模块、协处理器模块。协处理器模块分别与传感器监测单元、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连，处理和多模物联网通信模块相连的惯导定位传感监测装置交互数据，进行时钟同步管理。传感器监测单元选用InvenSense公司九轴MEMS惯性传感器MPU9250开发，内部集成16位高精度模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和数字运动处理器，可以直接向外输出完整的九轴传感器融合演算数据，便于实现姿态解算。该传感器主要优点是体积小、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，具有取代传统机械传感器的趋势。如图2所示。

图2 监测装置主要硬件构成

1.3 空间数据预处理平台

空间数据预处理平台包括主控制模块和通用外围设备接口模块，将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和惯导定位传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，并最终将数据通过多模物联网通信模块发到后台。预处理平台只对原始数据进行简单数据清洗，粗略进行姿态解析判断杆塔形变，而不做复杂数学解算。主控制模块使用德州仪器低功耗MSP430F169微控制器，分别与射频核心模块和通用外围设备接口模块相连，原始数据经过预处理后，经过全球用户识别卡（Universal Subscriber Identity Module，USIM）接口和射频核心模块发送到云端。主控制模块在将信号预处理完成并传到射频核心模块后，直到下一次接收到新的数据或其他唤醒指令前，都将处于睡眠状态，从而降低空间数据预处理平台的功耗水平。

1.4 多模物联网通信模块

多模物联网通信模块集成NB-IoT和5G NR通信能力，包括射频核心模块和天线。射频核心模块中封装了NB-IoT和5G NR集成模组，互为通信稳定性备份。分别使用BC28 NBIoT模组和RG500Q 5G NR模组（内含高通公司X55 5G调制解调器），两者连接组成无线通信模块。射频核心模块具体包括数字锁相环、DSP调制解调器、静态随机存取存储器、只读存储器和放大器。DSP调制解调器负责对物联网通信的收发信号进行数字信号处理，静态随机存取存储器用来存取无线通信串行数据，放大器用于对射频信号进行功率放大并与天线相连。

图3 多模物联网通信模块连接方式

其中，设计使用型号为AC-Q7035-N4的多频天线，可满足-40℃到80℃的工作环境，用于稳定地将预处理信号发送到基站并传至后台，并通过多模网络接收后台数据监测平台传来的控制信息。

1.5 后台数据监测平台

后台数据监测平台和空间数据预处理平台连接，用于对前端预处理数据进行融合姿态解算处理。后台服务器有强大的计算能力，对惯导定位传感监测装置测得的惯性导航数据和北斗卫星监测点设备测得的卫星差分数据进行校验后，通过融合定位软件的解算得到杆塔形变最终的精确结果。同时，对异常情况进行预警并及时发送给维护人员，保障安全生产。长期存储的数据可以生成可视化数据报表，用于直观监测、研究杆塔健康状态。监测装置可以通过接收后台发送的远程控制信息执行程序升级、故障自检、简单修复等功能。

后台接收数据并进行处理，得到融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态，实现过程是通过融合坐标系中迭代求解四元数微分方程，解算四元数矩阵进行姿态解析。包括：根据预处理融合的卫星差分数据与惯性姿态数据，计算北斗卫星监测点设备输出的卫星差分数据中包括的杆塔差分定位位移变量，在惯性传感器微机械陀螺仪坐标系中，将北斗卫星监测点设备进行差分定位沿x、y、z轴向的杆塔位移变量计为vecb=(xb，yb，zb)，修正系数为l，同一时刻，当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动时，经后台数据监测平台计算得到位移变量vecm=(xm，ym，zm)，修正系数为δ，结合两个测量数据，得到杆塔形变的融合数据为vec=δ·vecm+l·vecb，通过计算机不断迭代，从而判断杆塔位移方向、倾角等健康状态。

2 结果分析

方案进行了两个通信基站杆塔健康状态监测，得到测试数据如下。

监测点A：粤北山站单杆塔。地势陡峭，属南亚热带季风气候区，一年内除冬季外均有较多天的强风等恶劣天气。监测装置安装于通信杆塔离地高34米处抱杆，U型螺栓固定。维护人员按要求需要每周核查数据，但谎报情况较为严重。监测装置安装后，杆塔健康状态监控数据实现全天候的无人值守统计，数据更为真实和准确，减轻了人力消耗。太阳能供电系统可以满足监测装置在外部电源故障情况下的良好运行。

监测点B：广州城区楼面铁塔。属南亚热带海洋性季风气候区，冬春季经常有大风天气，夏季多雨炎热。监测装置安装于离地面47米高处的铁塔钢架上，U型螺栓固定。该物业进入困难，维护人员需要很多时间预约业主合适的上站日期，严重影响工作进度。监测装置安装后，维护人员可以实时远程监控杆塔健康状态数据。太阳能供电系统为监测装置的良好运行提供稳定的后备电源。

通过对5月份历史数据的分析，绘制每天的平均风力、最高风速、杆塔倾角均值等信息如图4，其中（a）、（c）反映整月监测信息，（b）、（d）反映某一时点开始一分钟内杆塔形变位移与倾角变化信息。试验中，在杆塔上同时安装了可离线检测和存储形变数据的陀螺仪检测模块，要求维护人员至少每隔两天巡查站点一次，并记录当时的站点环境和杆塔情况。

图4 监测结果分析

经抽取装置记录的连续监测数据，对比人工记录的时点数据，发现两者误差很小。结果表明，数据的精确性、稳定性符合预期，无人值守也节约了大量的人力成本。后期如果实现网络切片和边缘计算等功能的扩展性接入，将能够直接把后台的计算开销下沉到离监测装置更近的基站处，后台只需要进行简单的结果接收、存储和分析，降低姿态解算、异常预警等功能的时延。而对于无人值守的全自动监测，异常预警功能的模型依赖于数据量和学习时间，会随着监测时间、数据累积的增加而更准确。监测装置具有运行安全、体积小巧、安装简单、稳定工作、超低功耗的优点，利用太阳能充电，结合低功耗监测装置和物联网设备，最大限度地实现无人值守的长期自动监测。

3 结束语

5G网络的大规模建设、北斗卫星导航系统的完善和MEMS微电子技术的快速发展，使各种创新应用可以克服之前技术的不足，推动行业智能化程度进一步提升。更广泛地，以5G技术融合北斗系统为基础的应用，将直接赋能基站建设、城际高铁和城市轨道交通、特高压、新能源充电桩、人工智能、大数据中心、工业互联网等新基建七大领域。

新基建需要大量的杆塔来部署智能设施，人工巡检的成本和效率难以控制。融合北斗与惯导定位的杆塔形变监测装置，使用具有高光电转化效率的第三代钙钛矿太阳能电池，结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长了无人管理自动监测的时间。通过空间数据处理和后台数据监测平台量化监测业务应用，为工程建设和运维人员提供快速识别和解决问题的有效依据，利用NB-IoT和5G NR互为备份的多模网络实现杆体监测装置之间稳定的广域互联，优化了监测数据的传输机制，降低人工监测的误差和成本。连续测量的大量数据，在进行融合计算后，可以实现精度在毫米以下的定位数据并形成可视化报告，方便更深层次的研究。