[发明专利]一种输电线路塔基三维位移轨迹高精度监测方法

权利要求书

1.一种输电线路塔基三维位移轨迹高精度监测方法，其特征在于：首先以塔基上表面中心定义坐标系，绘制塔基的初始轨迹；然后采用北斗卫星高精度定位装置测量杆塔基础地表处三维高精度位移向量；采用三维倾斜计测量塔基的倾斜角度与方向；采用指北针测量塔基水平方向的扭转角度，并测量线路走向与CGCS2000坐标系之间的夹角，通过对上述测量数据进行坐标变换与求解，得到塔基各中心点和顶点的位移向量，按照1-4小时的监测周期，重复绘制得到杆塔基础的三维形变轨迹；

所述监测方法具体包括如下步骤：

步骤1：定义O-xyz坐标系，在O-xyz坐标系中，测量北斗天线G的坐标，测量塔基上表面顶点A₁、B₁、C₁、D₁的坐标，确定塔基底面中心点O₂，下表面顶点A₂、B₂、C₂、D₂的坐标，绘制杆塔基础的初始轨迹；

步骤2：采用北斗卫星高精度定位装置定位北斗天线G的坐标，采用指北针测量O-xyz坐标系与CGCS2000坐标系在水平面上的夹角γ，通过坐标变换求解O-xyz坐标系的坐标原点O在CGCS2000坐标系中的坐标；

步骤3：在杆塔基础发生形变时，按照1-4个小时的监测周期，采用北斗卫星高精度定位装置定位北斗天线的坐标G′，采用指北针测量杆塔基础的扭转角度γ′，采用三维倾斜计测量塔基的倾斜角度，通过坐标换算求解坐标原点O′在CGCS2000坐标系中的坐标，再结合步骤2，求解得到坐标原点的位移向量进而得到坐标原点的位移量，即杆塔基础上表面中心点位的位移量；

步骤4：在O-xyz坐标系中，根据塔基底部中心点O₂′相对于O′的相对位置关系，确定塔基底部中心点O₂′的坐标；

步骤5：按照1-4个小时的监测周期，重复步骤3和步骤4，绘制杆塔基础的三维位移形变轨迹；

所述步骤1的具体实施过程为：

步骤1.1：定义O-xyz坐标系：以杆塔基础脚平面中心点为坐标原点O；以线路走向为y轴，大号侧方向为y轴正方向；以垂直于线路走向的方向为x轴，面向大号侧的右侧为x轴正方向；以海拔高度方向为z轴，上方为z轴正方向；

步骤1.2：在O-xyz坐标系中，测量北斗天线G点的坐标为：(x_G，y_G，z_G)^T＝(m，n，h)^T，式中：m，n，h为北斗天线G在x，y，z三个方向上的投影距离；

步骤1.3：测量塔基上表面顶点A₁、B₁、C₁、D₁的坐标分别为(-a，-b，0)^T，(-a，b，0)^T，(a，b，0)^T，(a，-b，0)^T，根据线路设计资料，确定塔基的长度H，进而确定塔基底面中心点O₂为(0，0，-H)^T，下表面顶点A₂、B₂、C₂、D₂的坐标为(-a，-b，-H)^T，(-a，b，-H)^T，(a，b，-H)^T，(a，-b，-H)^T，进而绘制杆塔基础的初始轨迹；

所述步骤2的具体实施过程为：

步骤2.1：采用北斗卫星高精度定位装置定位北斗天线G的坐标，初始坐标为(X_G，Y_G，Z_G)^T，北斗定位坐标系采用CGCS2000坐标系，坐标原点为地球质量中心，X轴为东向，Y轴为北向，Z轴为高程方向；

步骤2.2：采用指北针测量O-xyz坐标系与CGCS2000坐标系在水平面上的夹角γ，y轴相对北向的顺时针方向为正，逆时针方向为负；

步骤2.3：求解O-xyz坐标系的坐标原点O在CGCS2000坐标系中的坐标

式中：m，n，h为北斗天线G在x，y，z三个方向上的投影距离；所述步骤3的具体实施过程为：

步骤3.1：当杆塔基础发生位移沉降后，采用北斗卫星高精度定位装置定位北斗天线G′的坐标(X′_G，Y′_G，Z′_G)^T；

步骤3.2：采用三维倾斜计测量杆塔基础的倾斜度，塔基轴线相对z轴的倾斜度为β₊，相对于x轴的倾斜度为α₊；

步骤3.3：根据球坐标与直角坐标系的变换公式，将北斗天线G相对于塔基中心点O的直角坐标向量变换为球坐标：式中：式中：m，n，h为北斗天线G在x，y，z三个方向上的投影距离；

当塔基发生位移倾斜后，在O-xyz坐标系中，北斗天线G′相对于塔基中心点O′的向量为：式中：β′＝β_G+β₊，α′＝α_G+α₊；

步骤3.4：采用指北针测量杆塔基础轴线相对北向的扭转角度γ′，顺时针方向为正，逆时针方向为负，根据坐标旋转公式，在O-xyz坐标系中，北斗天线G′相对于塔基中心点O′的向量为：

步骤3.5：联合步骤3.1和3.4，求解得到O′点在CGCS2000坐标系中的坐标为：

步骤3.6：联合步骤2.3和3.5，求解得到塔基发生位移后，塔基中心点O′在O-xyz坐标系中的坐标为：式中：为北斗天线G的相对位移向量

步骤3.7：计算得到塔基中心点水平方向的位移量为：三维位移量为：

2.如权利要求1所述的输电线路塔基三维位移轨迹高精度监测方法，其特征在于：所述步骤4的具体实施过程为：

步骤4.1：根据步骤1.3，得到杆塔基础底部中心点O₂′相对于O′的向量为：其球面坐标为：式中：

步骤4.2：当杆塔基础发生倾斜后，根据步骤3.2的测量结果，在O-xyz坐标系中，计算塔基底部中心点O₂′相对于O′的向量为：式中

步骤4.3：当杆塔基础发生旋转后，根据步骤3.4的测量结果，可得塔基轴线相对O-xyz坐标系y轴的扭转角度为在O-xyz坐标系中，对向量进行坐标旋转，得到向量为：结合步骤3.5，可得O₂′在O-xyz坐标系中的坐标为：若杆塔基础未发生扭转，即O₂′在O-xyz坐标系中的坐标可以简化为：

式中：m，n，h为北斗天线G在x，y，z三个方向上的投影距离；

步骤4.4：同理，可得A₁′→B₁′→C₁′→D₁′，A₂′→B₂′→C₂′→D₂′的坐标，即可获得杆塔基础的三维坐标，进而绘制杆塔基础发生位移后的位置。