本发明涉及北斗导航，尤其涉及基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统和监测方法。
背景技术：
1、风力发电塔在建设过程中和使用过程中，在自然因素(如地质运动、强风、暴雨等)和人为因素(如采矿、施工等)的双重作用下，可能会导致塔基下沉、倾斜等变形，对风力发电塔的安全运行产生严重影响。如果塔基沉降幅度过大，可能直接导致整个风力发电站主塔发生倾斜，最终可能导致整个风力发电塔受到破坏。因此，对风电塔基的不均匀沉降进行精确的、自动化的、智能的监测非常重要。
2、目前，已有的风电塔基形变监测方法主要包括以下三类：
3、1、沉降观测法。通过定期测量风电塔基，记录其垂直位移，以评估塔基沉降情况，该方法耗费人力和物力，效率低；巡检间隔时间长，难以及时发现险情；缺乏自动化和智能化功能。
4、2、倾斜测量法。利用精密水准仪或全站仪测量风电塔基的倾斜角度和高程变化，以确定塔基沉降情况，该方法只能检测风电塔基局部的角度变化，无法准确反映塔基整体的沉降；测量误差较大，难以达到毫米级别。
5、3、gps定位法。必须要建设参考站或采用cors系统，通过参考站对风电塔基上的gps流动站进行定位，进一步计算塔基的高程。该方法建设成本较高，而且基于单点定位结果风电塔基不均匀沉降存在一定的误差，因此亟需基于北斗iii姿态测量的风电塔基形变监测系统来改变这一现状。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于北斗iii姿态测量的风电塔基形变监测系统和监测方法。其优点在于能够便捷地、高精度地、自动化地监测风电塔基的沉降情况，从而解决现有方法的不足，提高该领域的技术水平。
2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
3、基于北斗iii姿态测量的风电塔基形变监测系统，包括北斗iii卫星天线、北斗iii姿态测量装置和远程网络服务器；
4、所述北斗iii卫星天线ap，p≤4，分别放置在风电塔基四个拐角上，以a4为主天线，与a1构成基线b1，与a2构成b2，与a3构成b3，北斗iii卫星天线接收北斗iii卫星的射频载波信号，并送至所述北斗iii姿态测量装置；基线bq，q≤3，在水平面上的投影为b′q；
5、所述北斗iii姿态测量装置包括北斗iii板卡dp和无线通信模块；北斗iii板卡dp与北斗iii卫星天线ap连接；北斗iii板卡dp用于解析北斗iii卫星天线ap接收到的射频载波信号，得到北斗iii信号载波相位、北斗iii卫星高度角、北斗iii卫星方位角等数据，并通过无线通信模块发送至远程网络服务器；
6、所述远程网络服务器将接收到的北斗iii信号载波相位、北斗iii卫星高度角、北斗iii卫星方位角，代入风电塔基上基线bq的姿态角数学模型中，并采用改进开普勒优化算法进行求解，从而得到所述基线bq的姿态角，进而得到风电塔基的不均匀沉降情况。
7、基于北斗iii姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，包括以下步骤：
8、步骤一：定义bq的航向角α是投影b′q与正北方向之间的夹角，α的范围为0°～360°；定义bq的俯仰角β是bq与b′q之间的夹角，β的范围为-90°～90°；
9、布置北斗iii卫星天线与北斗iii姿态测量装置；在风电塔基的四个拐角分别布置一个北斗iii卫星天线ap，以a4为基准，与其它三天线a1、a2、a3构成三条基线b1、b2、b3；
10、四个天线的馈线连接至一台北斗iii姿态测量装置，分别接收n颗北斗iii卫星的m个历元的射频载波信号，n≥4，m≥4；
11、步骤二：解析并发送北斗iii卫星的射频载波信号；
12、通过北斗iii板卡dp解析ap接收到的基线信号，得到n颗北斗iii卫星的m个历元的北斗载波相位、北斗卫星高度角和北斗卫星方位角，并分别记为其中，表示ap解析得到的第i颗北斗iii卫星在第k个历元时北斗iii载波相位；表示ap解析得到的第i颗北斗iii卫星在第k个历元时北斗iii卫星高度角；表示ap解析得到的第i颗北斗iii卫星在第k个历元时北斗iii卫星方位角，将解析的数据通过无线通信模块发送至远程网络服务器；
13、步骤三：在远程网络服务器上采用改进开普勒优化算法解算三条基线的载波相位双差观测方程；
14、获得a4和aq在第k个历元时接收到的第i颗北斗iii卫星的载波相位单差获得a4和aq在第k个历元时接收到的第j颗北斗ⅲ卫星的载波相位单差获得载波相位双差方程；建立bq的姿态角数学模型；
15、使用改进开普勒优化算法对所述姿态角数学模型进行求解，得到所述bq的姿态角；设置改进开普勒优化算法的搜索空间为d维，设第1维为航向角α，范围设置为[0°,360°]；设第2维为所述俯仰角β，范围设置为[-90°,90°]；设置所述算法的迭代次数为t，最大迭代次数为nimax，1≤t≤nimax；并初始化迭代次数t＝1；
16、在d维搜索，随机分布q个行星，表示优化问题的决策变量，公式如下：
17、
18、式中，表示搜索空间中第b维的第a个行星，a＝1,…,q；和分别表示搜索空间中第b维的第a个行星的上界和下界。初始化轨道偏心率ea和轨道周期ta：
19、ea＝rand[0,1]
20、ta＝|r|
21、式中，ea是第a个行星的轨道偏心率，ta是第a个行星的轨道周期，r是正态分布的随机数。
22、计算行星速度：速度关系可由下列方程表示：
23、
24、其中，va(t)表示第a个行星在t时的速度，是0到1之间随机向量。xx和xy表示从总体中随机选择的解；φ表示xa的旋转方向，定义如下
25、
26、表示第a个行星在t时刻xs(xs表示太阳)和xa之间的欧氏距离进行归一化，定义如下
27、
28、式中ra(t)表示第a个行星在t时刻xs与xa之间的距离，r(t)表示xs与x的距离；
29、更新行星位置；行星位置更新模型如下：
30、
31、其中，xa(t+1)是第a个行星在t+1时的新位置，是第a个行星到达新位置所需的速度，fga(t)表示t时的万有引力：
32、
33、r1是在0和1之间随机生成的值，μ(t)是t时的万有引力常数，和表示太阳质量和第a个行星质量的归一化值；
34、更新与太阳的距离：位置更新模型：
35、
36、其中ω是加速因子，h是控制时刻t太阳与当前行星之间距离的自适应因子，定义如下：
37、
38、式中，η为从1到＝2的线性递减因子，定义如下：
39、η＝(c＝1)×r+1
40、其中c是一个循环控制参数，定义如下：
41、
42、最佳太阳位置；通过下列公式确保行星和太阳的最佳位置：
43、
44、t+1≥nimax时，获得的群体最优位置xa，new(t+1)即为bq姿态角数学模型的最优解；xa，new(t+1)在2维搜索空间中的分量和分别为所述算法求解得到bq的航向角αq和俯仰角βq；
45、步骤四：分析风电塔基的不均匀沉降情况；
46、基于步骤三分布求出三条基线的航向角、俯仰角，以主天线a4为基准点，求出其它三天线的高程hq：
47、hq＝l4qsinβq
48、其中a4为基准点η4＝0，将ηp进行排列组合做差求最大值：
49、δs＝max(|ηp-ηq|),p≠q
50、将最大高度差与s0进行比较判断是否发生不均匀沉降：
51、
52、式中，s0为风电塔基不均匀沉降的行业阈值，λ为最终判断结果，当λ＝1时最大高度差超过s0，发生不均匀沉降，否则，没有发生。
53、本发明进一步设置为，所述步骤三中第i颗北斗ⅲ卫星的载波相位单差的表达式为：
54、本发明进一步设置为，所述步骤三中第j颗北斗ⅲ卫星的载波相位单差的表达式为：
55、本发明进一步设置为，所述步骤三中载波相位双差方程为：
56、
57、式中，表示a4和aq在第k个历元时接收到的第i颗和第j颗北斗ⅲ卫星的载波相位双差；l4q为bq的长度；λ为射频载波信号的波长；为bq的相位双差整周模糊度；ε为随机观测噪声。
58、本发明进一步设置为，所述步骤三中bq的姿态角数学模型为：
59、
60、本发明进一步设置为，所述步骤三中ea是一个介于0到1之间的值，是为了赋予算法随机特性而提出。
61、本发明进一步设置为，所述步骤三中c在整个优化过程中，在t个周期内从-1逐渐减小到-2。
62、本发明的有益效果为：
63、1、本发明方法测量精度高。利用n颗北斗iii卫星在m个历元下的射频载波信号，建立基线bq姿态角数学模型，具备了很强的约束条件，保证了算法求解基线bq姿态角的精确性；同时采用改进开普勒优化算法求解基线bq姿态角数学模型，具有较高的求解效率，能准确反映塔基的沉降情况；
64、2、本发明系统智能化。在本监测系统中，数据的采集、传输和处理是自动完成的，实现了对风电塔基沉降情况的实时监测和预警，数据处理方法具有智能性；
65、3、本发明系统布设成本低。在本监测方法中，只需在风电塔基四个拐角分别布置四个北斗iii卫星天线构成基线b1、b2、b3，且只需要一个北斗iii姿态测量装置与四个天线相连，无需建设参考站或采用cors系统，系统布设更便捷。
1.基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统，其特征在于，包括北斗ⅲ卫星天线、北斗ⅲ姿态测量装置和远程网络服务器；
2.如权利要求1所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中第i颗北斗ⅲ卫星的载波相位单差的表达式为：
4.根据权利要求3所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中第j颗北斗ⅲ卫星的载波相位单差的表达式为：
5.根据权利要求4所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中载波相位双差方程为：
6.根据权利要求5所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中bq的姿态角数学模型为：
7.根据权利要求2所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中ea是一个介于0到1之间的值，是为了赋予算法随机特性而提出。
8.根据权利要求7所述的基于北斗ⅲ姿态测量的风电塔基形变监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤三中c在整个优化过程中，在t个周期内从-1逐渐减小到-2。
