案例基于NBIoT模组实现天线姿态智能采集研究Word格式.docx
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关键字:
NB-IOT、天线姿态、免维护、安装便捷
一、目前现状
天线的主要工参有挂高、俯仰角、方位角、横滚角和位置经纬度等,天线参数的正确性在网络规划和网络优化中具有重要意义,直接影响了基站的电磁覆盖性能。
传统的天线姿态测量主要通过人工测量,日常的维护巡检工作往往不能及时发现安全隐患,高空作业风险大,人工巡检成本高。
人为的确定方位角,干扰因素较多,还要求工程技术人员通过可视的检查在天线的安装架上标识的低精度的刻度标记,识别倾斜度,工程人员的技巧及人工测量方面的误差,会产生不正确或者不稳定的测量结果,无法精确的达到设计要求。
为提高网络优化精度和效率,就需要能够实时监控天线姿态并回传天线工参的技术
二、项目介绍
天线姿态远程采集监控系统技术研究的主要思路是设计一种外部的装置安装在基站天线上,来实时、周期或按需监控测量天线物理参数,通过安装天线姿态跟踪仪测量采集天线位置、方位角、俯仰角等天线物理参数,通过NB-IOT模块进行数据回传至云平台,实现对天线物理参数的实时或按需测量,当天线姿态信息发生异常改变时能够及时发出预警,为精细化网络优化提供准确的天线物理工参,确保测量结果准确性的同时提高相关优化工作效率。
利用NB-IOT模块的低成本、低功耗特性可实现产品大范围快速推广,安装便捷,上站即装,一装就走,设备免维护寿命可达3-5年。
目前的产品将通信、供电、测量模块一体化,形成了一体化姿态仪设备,并与2018年7月25日对新产品进行了测试验证,能够更加精确的测量数据,响应速度更加快速,安装施工更加便捷,为实现天线的智能化管理,迈出了巨大的一步。
第一代产品第二代产品
三、关键创新点
本项目旨在通过在现有天线上安装天线姿态实时跟踪仪实现天线方位角、俯仰角、横滚角的精确测量,避免因人为因素而出现的测量结果偏差,确保测量结果的准确性的同时提高相关优化工作效率。
同时借助NB-IOT模块进行数据回传至云平台,实现简单、成本低廉。
1、可实现天线姿态实时、周期或按需精准采集、监控,提高各类网优方案的精细度、成功率;
2、安装便捷,上站即装,一装就走,设备免维护寿命可达3-5年;
3、避免频繁的基础资料摸查、核对,降低人力、物力投入,节省成本;
4、在天线姿态发生异常改变时,实时预警,及时进行处理。
可广泛应用于偏远地区、单管塔、业主矛盾等登高不便站点及高铁、高速沿线等需要重点保障的敏感区域;
5、降低塔工上下塔次数,显著提升塔工人身安全性,杜绝业主矛盾的发生;
6、克服恶劣天气的影响,缩短优化周期,提升各类优化效率。
7、升级后的产品将通信、供电、测量模块一体化,形成了一体化姿态仪设备。
能够更加精确的测量数据,响应速度更加快速,安装施工更加便捷
四、产品技术方案及测试结论
4.1、技术方案
姿态仪利用和差波束法,配合多种传感器,精准测量天线方位角、下倾角、挂高、经纬度等信息,采集数据精准,太阳能供电,超低功耗,通过NB-IOT网络,将采集的数据实时上传到管理平台,在天线状态发生改变,影响网络质量时,会发出告警信息,安排巡检人员有目的性维修。
测量指标
测量精度
天线方位角测量精度
测量方差5°
天线俯仰角测量精度
测量方差0.3°
天线地理位置测量精度
经纬度定位方差£
0.00003°
天线挂高测量精度
高度方差2米
工作环境温度
-40℃~+80℃
4.1.1天线位置测量
天线位置测量通过GPS定位即通过时差测距来定位,在收到的卫星信号里包含有卫星的精确位置以及卫星发射信号的精确时间信息。
接收机最少要收到四个卫星的信号,相当于从四个已知精确位置的点收到信号;
而且可以通过接收机时钟得到时间差,从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离(含同一个误差值,由接收机时钟误差造成),用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程,解方程组就得到接收机位置。
4.1.2天线方位角测量
天线方位角测量通过电子罗盘实现,电子罗盘采用基于“霍尔效应”原理的磁场器件
4.1.3天线俯仰角测量
天线俯仰角测量通过陀螺仪实现,基于三轴加速度传感,采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集.
4.1.4天线挂高测量
天线挂高测量采用气压传感+GPS的方式,先获取基准位置的气压值及GPS信息,而后根据气压变化计算获取挂高,同时使用GPS进行校准
4.1.5数据传输
数据传输基于NB-IoT的数据传输模块
4.2解决方案
本系统分为硬件及管理平台两个部分:
4.2.1、硬件部分
硬件部分即天线姿态跟踪仪通过GPS模块实现天线位置测量,并通过姿态传感器MPU9250对天线姿态进行跟踪,实现方位角测量、俯仰角测量、挂高测量。
MPU9250是整合了9轴运动姿态检测的数字传感器,消除了多传感器组合的轴间差问题,并减小了传感器的体积,降低了系统功耗。
MPU9250集成了MPU6050(3轴陀螺仪、3轴加速度计)及AK8963(3轴磁力计电子罗盘),输出信号都是16位的数字量;
可以通过集成电路总线(IIC)接口进行数据交互。
陀螺仪的角速度测量范围最高达±
2000(〬)/s,具有良好的动态响应特性。
加速度计的测量范围最大为±
16g(g为重力加速度),静态测量精度高。
电子罗盘采用高灵敏度霍尔型传感器进行数据采集,磁感应强度测量范围为±
4800Μt,可用于对方位角的辅助测量。
天线位置测量通过GPS、GOLNASS或者北斗定位模块实现。
即通过时差测距来定位,在收到的卫星信号里包含有卫星的精确位置以及卫星发射信号的精确时间信息。
天线方位角测量通过倾斜补偿算法,结合电子罗盘3轴磁感应强度及陀螺仪输出的俯仰角、翻滚角进行校正补偿。
虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用,但由于其信号常被地形、地物遮挡,导致精度大大降低,甚至不能使用。
尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区,GPS信号的有效性仅为60%。
并且在静止的情况下,GPS也无法给出航向信息。
电子罗盘可以对GPS信号进行有效补偿,保证定向信息100%有效,即使是在GPS信号失锁后也能正常工作,做到“丢星不丢向”。
天线俯仰角测量通过陀螺仪实现,陀螺仪又叫角速度传感器,测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。
可通过姿态解算获得准确的天线俯仰角。
天线挂高测量采用气压传感+GPS的方式,先获取基准位置的气压值及GPS信息,而后根据气压变化计算获取挂高,同时使用GPS进行校准。
数据传输基于NB-IoT的数据传输模块。
NB-IoT可以广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。
NB-IoT具备四大特点:
一是广覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,相当于提升了100倍覆盖区域的能力;
二是具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;
三是更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;
四是更低的模块成本。
4.2.2、管理平台
系统管理平台可分为客户端和服务器端两个部分,服务器端主要有三个模块:
数据采集模块、数据库处理模块、NB-iot模组管理模块。
客户端主要包括功能展示页面、预警工单派发、统计分析及采集规则制定等几个模块。
4.3试点情况
本次试点测试的姿态仪于2018年7月25日安装在盐城电信无线中心大厦楼顶站天线上。
安装效果图
本次试点的一体化姿态仪在安装后,立即开始工作,并向监控平台反馈采集的数据,通过验证,姿态仪对天线下倾角、方位角的测量,准确度高,能为后续网络规划,网络维护提供准确的数据支撑,是对天线进行监控的良好解决方案。
基站工作状态
天线下倾角测量结果
天线方位角测量结果
五、效益评估及成果价值
应用该产品,单基站推广成本可控制在1000元以内,可节约大量的人力、物力、车辆等各类资源的投资,减少塔工频繁上下塔次数,提高人身安全性;
安装便捷,免维护使用寿命长;
可以克服恶劣天气的影响,缩短优化周期,提升各类优化效率。
姿态仪产品,不仅能在通信行业中监测天线的挂高、俯仰角和方位角等基础工参数据,还能监测塔的倾斜角度、摆动角度和摆动频次。
可广泛用于铁塔、电力、建筑塔吊等行业。
姿态仪可对地震、台风、建筑机械碰撞等外力破坏提供准确的事件报警和严重性评估。
对雨水导致杆塔基础塌陷、外力导致杆塔倾斜做出早期的报警,为及时解决倒塔故障的发生争取时间。
采集的数据精准度高,通过物联网将数据信息集中汇总,通过电信NB网络回传将数据信息集中汇总,经过大数据模型分析,给出设备故障的分析判断,提供大概率的解决问题的方法。
为铁塔的集中修理整治提供基础参考依据,实现铁塔及高空设备的自动巡检。
姿态仪也可以用于山体滑坡的监控和防灾救灾。
在山体大滑动之前或临滑之前,监测山体的活动状态,将滑坡体的位移变化及时传到监控中心,对滑坡体周边的村庄、道路进行预警,便于当地政府安全主管部门采取相应的措施;
山体滑坡后通过姿态仪可以及时提供灾害具体地点,便于救灾单位快速应对,最大限度地避免或减少山体滑坡造成的损失。
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- 案例 基于 NBIoT 模组 实现 天线 姿态 智能 采集 研究
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