通信铁塔安装质量检测系统的设计与应用

［秦 岭］

通信铁塔安装质量检测系统的设计与应用

［秦 岭］

通信铁塔 质量检测 全站仪 三维坐标法 GPS VB软件

秦 岭

上海市通信管理局，硕士研究生，助理研究员，从事通信技术管理与研究工作。

1 引言

随着“宽带中国”战略在全国范围内全面实施，我国三家基础电信企业（中国电信、中国移动和中国联通）于2015年均进入4G移动网络建设大年。根据工业和信息化部于年初召开“宽带中国”2015专项行动动员部署电视电话会议发布的信息，2015年全国将新建超过60万个4G移动通信基站。仅以上海市为例，根据上海市通信管理局发布的《上海市2015年移动通信基站建设计划》中的数据，2015年上海各基础电信企业共将建设移动通信基站7490个，通信行业面临巨大的铁塔基站建设任务。

而通信铁塔作为一种具有使用功能及有限寿命的钢结构工业产品，在投入使用前需要进行严格的检测，在使用过程中也需要进行定期检测与维护。现如今移动通信铁塔的检测在客观上也存在一些问题：（1）通信铁塔数量巨大，分布范围广而零散。通信铁塔通常建在荒郊野外和农村地区，处于无人看管、常年承受风吹日晒雨淋的环境，造成传统方式的铁塔检测面临人少不足的问题；（2）随着近年来移动基站建设数量的激增，部分建设单位的建设和维护部门在思想上“重建设速度、轻质量检测”；（3）传统的铁塔检测方式费时费工效率低下，建设部门缺乏系统化检测所必须的技术与仪器。

随着我国4G网络大发展的逐渐提速，移动通信基站工程的施工、管理工作量也随之增加，势必需要依靠管理体系的科学化和技术进步提供支撑。目前对通信铁塔质量验收普遍仍依靠验收人员爬上铁塔对其主要质量指标进行手工测量或者是根据经验进行目测等方法，因而存在着一定的危险性和测量结果的不确定性，同时也存在着现场检测效率低，检测速度慢等不足之处。

针对以上情况，并依据工信部关于《通信铁塔基础工程质量及技术验收规范》中所述及的通信铁塔施工工程的验收要求，我们提出了研发通信铁塔安装质量校正验收系统的技术方案。该系统包括改进型的全站仪主机、平板电脑、测试和分析系统软件。可准确、方便地对铁塔安装工程中的铁塔高度、铁塔垂直偏移、天线俯仰角、天线方位角等主要质量指标进行现场检测和数据分析，其样机实物图如图1。

图1样机实物图

针对通信铁塔安装质量验收的特殊性，本系统对传统的全站仪进行了改进，特别是对其分划板、部分电路进行改装和改进，利用VB软件编写了专门的配套软件。本测试系统摒弃了传统全站仪复杂的测量步骤，将全站仪仅当着望远镜使用，利用自编的软件来驱动主机在铁塔上测试特征点的三维坐标，并根据理论建模定量的计算出铁塔验收中所需的技术参数和指标。另一方面，本系统配备了实时GPS采集模块，可对每一个地理信息进行定位，利用无线发射接收模块通过GPRS系统可直接将现场检测数据远距离传送到相关管理部门的接收系统。

本系统结合了全站仪和平板电脑的优点，具有测试精度高、测量误差小，数据处理快、安全可靠、功能齐全等优点，实现了通信铁塔安装质量校正验收工作的数字化和智能化，推动了通信铁塔安装工程质量验收方法的技术进步。

2 设计思想

（1）本方案采用具有取特征点功能的全站仪主机、三脚架、平板电脑、软件等组成，利用自编软件直接驱动硬件，即将全站仪对准测试点后，只需点击鼠标就可完成测量和分析工作。本测试系统利用数据库技术克服了全站仪存储数据时出现的操作复杂、存储容量小等问题。

（2）本方案采用平板电脑与主机和三脚架配用，既方便又实用，利用VB软件可实时记录和处理数据，且利用软件带有强大的数据库功能，可实现历史数据的调用和查看。

3 检测原理

该系统通过软件驱动全站仪主机，全站仪的测量模式选用距离测量模式，随便可获得三个原始数据：斜距、水平角、天顶距（即垂直角）。

斜距（SAC）：全站仪主机物镜到所测点的直线距离。

水平角：目标方向与初始置零方向（该系统以正北方向为初始置零方向）两相交直线之间的夹角在水平面上的投影。角值（0°～360°）

天顶距（垂直角）（βAC）：目标方向与天顶方向的夹角称为天顶距，本系统中也称垂直角，其测量原理如图2。

图2 全站仪测量原理示意图

方位角（αAC）：由直线一端的基本方向起，顺时针方向至正北方向（也就是Y轴正方向）范围（0°～360°），正方位角与反方位角是+或-180度关系。

竖直角，目标方向与水平方向之间的夹角，称为竖角。

平距（DAC）是平行于水准面的直线距离，全站仪测量距离和高程的原理可成图为直角三角形，平距是直角边中的一条，高程是另一条，斜距（SAC）是直角三角形的斜边，三者只要有两个已知就可以求算另一个。另外，垂直角（βAC）和坐标方位角（αAC）。

因此，测量主机测出被测目标点C的斜距（SAC），垂直角（AC），坐标方位角（AC），可通过下列公式算出目标点的空间三维坐标。

由下式可先计算平距（DAC）：

因而可算出C点三维坐标为

其中，（XA，YA，ZA）为主机所在位置的三维坐标。在铁塔上选取任意两点可根据式（2）计算出三维坐标，则可求出空间任意两点的距离和给出空间直线方程，因而也可求出空间任意两条直线之间的夹角。

通信铁塔验收中所需的铁塔垂直偏移、天线俯仰角、天线方位角与天线上沿与水平面的夹角、铁塔高度等主要质量指标其特征点的选取和理论建模如下：

图3为通信铁塔三维模拟示意图，在图3中利用主机选取7个特征点，通过这7个特征点的三维坐标数据可分别求出铁塔垂直偏移、天线俯仰角、天线方位角、天线上沿与水平面的夹角、铁塔安装高度等。

图3通信铁塔

（1） 铁塔高度

设第6点坐标为（X6，Y6，Z6），第7点坐标为（X7，Y7，Z7）。

（2）铁塔垂直偏移

设在铁塔上任意两个位置选取中心线上的两点，其第1点坐标为（X1，Y1，Z1），第2点坐标为（X2，Y2，Z2），如图3，可根据公式（2）求出铁塔垂直偏移。

铁塔偏离竖直线的角度为：

铁塔垂直偏移为：

（3）天线俯仰角

设在天线上任意两个位置选取两点，取点条件为保证两点连线平行于天线侧棱。其第3点坐标为（X3，Y3，Z3），第4点坐标为（X4，Y4，Z4），如图3，可根据公式（3）求出天线俯仰角。

天线俯仰角为：

（4）天线方位角

设在天线上3号点右侧任意位置取点，取点条件为保证两点连线平行天线于顶棱。其第5点坐标为（X5，Y5，Z5），如图3，可根据公式（4）求出天线方位角。

天线方位角为：

图4为通信铁塔安装质量检测系统架构图：

图4检测系统架构

图4中1为全站仪主机、2为平板电脑、3为无线发射接收模块、4为GPS地理采集模块。

系统采用VB语言平台自行研发的检测软件，测试界面如图5。在测试界面的上部选择好铁塔编号和天线编号，根据所测铁塔的类型合理选择检测方案。

4 仪器主要技术参数

（1）角度测量

①测角方式：光电增量式

②光栅盘直径（水平、竖直）79mm

图5测试界面图

③精度 2"级

（2）距离测量

①测程 300m

②精度 ±（3mm+ 2ppm·D）

（3）使用环境

工作环境温度 －20°～+45°C

5 结束语

根据上述设计思想与工作原理，我们与江苏省一高校研究机构合作已经研发出第一代样机，并已经成功地应用于通信铁塔的铁塔高度、铁塔垂直偏移、天线俯仰角、天线方位角等主要技术参数现场检测，与依靠验收人员爬上铁塔的手工检测结果相比较，在同样满足工程检测精度的前提下，本系统的检测速度明显提高，更重要的是提高了现场检测人员的人身安全系数、减小了检测工作量。目前，我们正在根据现场检测情况对第一代样机进行改造与完善，努力使其在技术层面逐步成熟，使之早日成为替代传统人工检测方法的通信铁塔新型检测仪器，为通信铁塔安装质量的现场检测验收工作提供有力的技术支持。

1上海市通信管理局.上海市2015年移动通信基站建设计划.2015年4月

2陶本才，徐卫兵，乔植朋.用VisualBasic实现全站仪数据转换.科技资讯，2007，（28）:88～89

3汪涛.相位激光测距技术的研究.激光与红外，2007，（1）:29～31

4杨坤涛.激光测试原理与技术［M ］.武汉:华中科技大学出版社，1999，126- 135

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.016

2016-08-30）

根据工信部关于通信铁塔安装施工质量有关标准要求，在对国内通信铁塔安装质量测试的方法进行深入调研的基础上提出了以全站仪为技术平台、结合平板电脑和GPS地理采集模块及专用检测软件应用技术的通信铁塔安装质量检测系统设计方案。主要工作在于尝试并设计了以全站仪为工作平台，利用其三维坐标法进行建模，采用平板电脑并借助于VB软件编写了一整套专门的测试软件，对标定环境中关键影响因素进行了定量研究，同时还对全站仪硬件部分做了必要的改进，设计了专门的标定装置，使该系统成功地应用于通信铁塔的铁塔高度、铁塔垂直偏移、天线俯仰角、天线方位角、铁塔的地理信息等主要技术参数现场检测。