一种基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统

技术领域

本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统。

背景技术

风电作为当前最具规模化利用的清洁可再生能源发电方式，具有良好的发展前景和研究价值。其中，风电机组的机舱风向等于机组偏航角度与对风角度(实际风向与机组叶轮迎风面法线方向角度偏差)之和，其中对风角度与机组的控制策略密切相关，其数据精度较高，偏差很小；但是若机组栽种时未准确“对北”，则风电机组会有偏航角度，以及若风电机组存在偏航角度，会导致计算风向出现误差，进而影响风电机组的发电量。其中，“对北”是风电机组默认的安装要求，“对北”用于保证所有机组在偏航角度为0时，机舱朝向完全一致。因此，风电机组需要实时进行机舱“对北”，以保证计算风向的准确性。

相关技术中，风电机组进行机舱“对北”的方法有以下两种：

方法一：采用指南针的方式进行机舱“对北”，但由于受到风电机组机舱附近磁场的干扰，指南针测量得到的机舱方位角不准确。

方法二：采用角度测量仪(如图1所示)，通过在机头上头布置一个角度测量仪，并与风电机场另外一个指北风机形成一个角度差，得到机舱方位角，但是该方法会受到人为干扰，测量精度不高，且受作业天气影响较大，不能实现实时机舱“对北”。

发明内容

本申请提供一种基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统，以解决上述相关技术中出现的技术问题。

本申请第一方面实施例提出一种基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统，所述姿态调整系统包括：

多个天线模块，用于接收卫星信号；

多个射频前端模块，每个射频前端模块用于接收每根卫星信号接收天线发送的卫星信号，并对所述接收的卫星信号进行预处理，得到对应的多个第一信号；

多个定位模块，每个定位模块用于接收每个射频前端模块传输的第一信号，并对所述多个第一信号进行处理得到多个第二信号；

姿态调整模块，用于接收所述多个定位模块分别传输的第二信号，并根据接收到的所述多个第二信号，利用姿态角计算方法得到所述风电机组的目标机舱方位角，并将所述风电机组调整到所述目标机舱方位角。

可选的，所述每个射频前端模块对所述接收到的卫星信号进行前置滤波、低噪声放大处理，得到所述第一信号。

可选的，所述每个定位模块包括下变频处理模块、第一处理模块和第二处理模块；

所述下变频处理模块，用于利用射频芯片对所述预处理后的信号进行两级下变频及数字采样处理，得到数字中频信号；

所述第一处理模块，用于利用相关器FPGA对所述数字中频信号进行载波剥离和码剥离，得到第二信号；

所述第二处理模块，用于利用基带处理器完成所述第二信号的环路处理工作。

可选的，所述姿态调整模块根据接收到的所述多个第二信号，利用姿态角计算方法得到所述风电机组的目标机舱方位角，包括：

对所述多个第二信号进行解码，并得到观测数据；

对所述观测数据进行预处理，得到修正后的观测信号；

通过修正后的观测信号进行天线单点定位，并开展伪距差分定位；

基于多项式拟合或卡尔曼滤波的周跳探测修复并标记，同时过滤掉不必要的干涉电磁波信号；

建立载波相位双差观测方程，解算浮点模糊度及协方差阵，分别进行LAMBDA模糊度搜索固定、基于固定模糊度基线解算等经典导航定位系统算法计算得到机舱方位角；

对所述机舱方位角进行验后残差分析，得到目标机舱方位角；

将所述风电机组的机舱方位角，调整到所述目标机舱方位角。

可选的，所述系统还包括电源管理模块；

所述电源管理模块，用于为所述姿态调整系统供电，并监测敏感器件的工作电压和工作电流。

可选的，所述系统还包括系统监控模块；

所述系统监控模块，用于实时监控所述风电机组所处的环境变量，其中所述环境变量包括以下至少一种：

湿度；

温度；

风速。

可选的，所述天线模块用于接收卫星长波段信号。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本申请提出的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统中，姿态调整系统包括多个天线模块，用于接收卫星信号，多个射频前端模块，每个射频前端模块用于接收每根卫星信号接收天线发送的卫星信号，并对接收的卫星信号进行预处理，得到对应的多个第一信号，多个定位模块，每个定位模块用于接收每个射频前端模块传输的第一信号，并对多个第一信号进行处理得到多个第二信号，姿态调整模块，用于接收多个定位模块分别传输的第二信号，并根据接收到的多个第二信号，利用姿态角计算方法得到风电机组的目标机舱方位角，并将风电机组调整到目标机舱方位角。由此可知，本申请天线模块接收卫星的长波段信号，与机舱的短波电磁场不产生干涉效应，从而保证了机舱方位角的准确度。同时，本申请通过多个定位模块形成对应的多基带，且姿态调整模块基于多基带处理后的多个第二信号，利用姿态角计算方法可以准确的得到风电机组的目标机舱方位角，提高了机舱方位角的准确度，且本申请不受人为干扰或者天气环境的影响，适用于多种场景。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请一个实施例提供的风电机组进行机舱对北的结构示意图；

图2a为根据本申请一个实施例提供的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统的结构示意图；

图2b为根据本申请一个实施例提供的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统的接收信号的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统。

实施例一

图2a为根据本申请一个实施例提供的一种基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统的结构示意图，如图2a所示，所述姿态调整系统可以包括：

至少一根卫星信号接收天线201a，用于接收卫星信号；

多个射频前端模块202a，每个射频前端模块用于接收一根卫星信号接收天线发送的卫星信号，并对接收的卫星信号进行预处理，得到对应的多个第一信号；

多个定位模块203a，每个定位模块用于接收每个射频前端模块传输的第一信号，并对多个第一信号进行处理得到多个第二信号；

姿态调整模块204a，用于接收多个定位模块分别传输的第二信号，并根据接收到的多个第二信号，利用姿态角计算方法得到风电机组的目标机舱方位角，并将风电机组调整到目标机舱方位角。

其中，在本公开实施例中，上述多个天线模块可以用于接收北斗卫星或者GPS信号的长波段信号(例如，L波段)，从而使得与机舱的短波电磁场不产生干涉效应，以保证后续可以直接利用接收到的卫星长波段信号进行测量与计算。以及，在本公开实施例中，可以包括至少两个天线模块。

示例的，在本公开实施例中，假设包括两个天线模块，且两个天线模块分别用于接收设置在机舱前后轴线处的两根卫星信号接收天线发送的卫星信号。图2b为根据本申请一个实施例提供的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统的接收信号的结构示意图。如图2b所示，风电机组设置有天线1与天线2两根卫星信号接收天线，且天线1与天线2分别设置在机舱前后轴线处。在本公开实施例中，根据机舱上面实际空间拉大两根卫星信号接收天线之间的距离，例如至少保证两根卫星信号接收天线之间的距离在3m左右。

进一步地，在本公开实施例中，每个射频前端模块对接收到的卫星信号进行前置滤波、低噪声放大处理，得到第一信号，以对信号进行清理和标记从而过滤卫星的噪音信号和不连续信号，进而为后续定位模块提供精准信号。以及，每个射频前端模块得到对应的第一信号之后，会将得到的第一信号传输至与射频前端模块连接的定位模块。

以及，在本公开实施例中，上述每个定位模块包括下变频处理模块2031a、第一处理模块2032a和第二处理模块2033a；

下变频处理模块2031a，用于利用射频芯片对预处理后的信号进行两级下变频及数字采样处理，得到数字中频信号；

第一处理模块2032a，用于利用相关器FPGA对数字中频信号进行载波剥离和码剥离，得到第二信号；

第二处理模块2033a，用于利用基带处理器完成第二信号的环路处理工作。

其中，在本公开实施例中，上述下变频处理模块可以利用XN117射频芯片对预处理后的信号进行两级下变频及数字采样处理，得到数字中频信号，并将数字中频信号传输至第一处理模块。其中，上述XN117射频芯片为双通道射频芯片。

以及，在本公开实施例中，上述第一处理模块和第二处理模块对上述数字中频信号进行基带处理，从而分离出卫星信号中的载波信和码信号，以便用于后续的姿态调整模块。

进一步地，在本公开实施例中，上述姿态调整模块根据接收到的多个第二信号，利用姿态角计算方法得到风电机组的目标机舱方位角的方法可以包括以下步骤：

步骤1、对多个第二信号进行解码，并得到观测数据。

其中，在本公开的实施例中，上述通过对多个第二信号进行解码，得到天线原始观测数据。

步骤2、对观测数据进行预处理得到修正后的观测信号。

其中，在本公开的实施例中，可以基于TurboEdit的单站数据预处理方法，判断载波是否发生周跳，进行原始观测数据的初步分析，从而剔除掉观测信号明显不合理的数据，获得修正后的观测信号。

步骤3、通过修正后的观测信号进行天线单点定位，并开展伪距差分定位。

其中，在本公开的实施例中，接收机伪距观测方程可以表示为：

其中，P为伪距观测值，c为光速，δt

其中，卫星坐标和卫星钟差可以从导航电文给出的广播星历计算，因此，只要同时观测四颗以上卫星就可以计算出接收机的位置。假设(X

X

以及，卫星至接收机理论距离可以展开为线性形式：

其中，S代表某一时刻，ρ

简化后的伪距线性观测方程适量形式为

V＝AX-L,P

其中，X表示接收机坐标和钟差的改正量(dX，dY,dZ,cδt)，A为系数针，为

以及，按最小二乘原理可获得接收机坐标和钟差：

进一步地，在本公开的实施例中，上述进行卫星定位时存在很多其他误差，基于此，需要建立单差伪距观测方程，求解其他误差，从而进一步降低距离测量的误差。

具体地，上述单差伪距观测方程可以为：

其中，R

步骤4、基于多项式拟合或卡尔曼滤波的周跳探测修复并标记，同时过滤掉不必要的干涉电磁波信号。

其中，在本公开的实施例中，上述卡尔曼滤波主要用于周跳探测，当滤波值与当前观测值存在大的突跳时，则可能发生了周跳，此时信号需要进行周跳修复，也即是修复信号丢失的部分。

具体的，在本公开的实施例中，上述卡尔曼滤波的前提是观测方程中某些参数满足某一动态方程。测量学中的序贯平差方法是卡尔曼滤波的一种特例：参数在每一观测历元保持常数,即X

其中，X

步骤5、建立载波相位双差观测方程，解算浮点模糊度及协方差阵，分别进行LAMBDA模糊度搜索固定、基于固定模糊度基线解算等经典导航定位系统算法计算得到机舱方位角。

其中，在本公开的实施例中，上述载波相位双差方程与现有技术相同，本公开实施例在此不做赘述。

步骤6、对机舱方位角进行验后残差分析，得到目标机舱方位角。

步骤7、将风电机组的机舱方位角，调整到目标机舱方位角。

需要说明的是，在本公开实施例中，通过上述姿态角计算方法，可以对通过多个定位模块对应的多基带得到的多个第二信号进行处理，并基于处理后的数据可以准确对应的风电机组目标机舱方位角，提高了目标机舱方位角的准确度。

进一步地，在本公开实施例中，上述姿态调整系统还可以包括电源管理模块205a。其中，电源管理模块，用于为姿态调整系统供电，并监测敏感器件的工作电压和工作电流。以及，在本公开实施例中，上述电源管理模块采用高可靠电源监控技术，实现敏感器件的工作电压和工作电流实时检测，从而可以避免恶劣环境引起的接收机硬件损坏。同时，上述电源管理模块可以通过软硬件相结合的电源管理技术，根据任务要求灵活关闭部分硬件模块、软件功能灵活配置，实现了姿态调整系统的超低功耗运行。

以及，在本公开实施例中，上述姿态调整系统还可以包括系统监控模块206a。其中，系统监控模块，用于实时监控风电机组所处的环境变量，其中环境变量可以包括以下至少一种：

湿度；

温度；

风速。

进一步地，在本公开实施例中，上述姿态调整系统还满足以下性能条件，以确保上述功能模块可以完成风电机组姿态调整：

(1)工作频表可以包括GPS系列的GPS-L1CA(1.227GHZ、1.575GHZ)、北斗系列的BD-B1I(1.561GHZ)以及BD-B3I(1.268GHZ)等型号，且均大于120个通道数；

(2)支持载体加速度≥5g，加速度≥2g/s；

(3)载波伪距精度优于0.75m载波相位；

(4)姿态测量精度：方位角：(0.2°)1米基线；

(5)定位精度：位置：≤10m(WGS-84，1σ，三轴)速度：≤0.2m/s(WGS-84，1σ，三轴)；

(6)授时精度：UTC时间进度优于1us；

(7)数据更新率1Hz；

(8)功耗小于等于5W，供电电源5V；

(9)天线采用SMA接口。

综上所述，本申请提出的基于卫星的多基线风电机组姿态调整系统中，姿态调整系统包括多个天线模块，用于接收卫星信号，多个射频前端模块，每个射频前端模块用于接收每根卫星信号接收天线发送的卫星信号，并对接收的卫星信号进行预处理，得到对应的多个第一信号，多个定位模块，每个定位模块用于接收每个射频前端模块传输的第一信号，并对多个第一信号进行处理得到多个第二信号，姿态调整模块，用于接收多个定位模块分别传输的第二信号，并根据接收到的多个第二信号，利用姿态角计算方法得到风电机组的目标机舱方位角，并将风电机组调整到目标机舱方位角。由此可知，本申请天线模块接收卫星的长波段信号，与机舱的短波电磁场不产生干涉效应，从而保证了机舱方位角的准确度。

同时，本申请通过多个定位模块形成对应的多基带，且姿态调整模块基于多基带处理后的多个第二信号，利用姿态角计算方法可以准确的得到风电机组的目标机舱方位角，提高了机舱方位角的准确度，且本申请不受人为干扰或者天气环境的影响，适用于多种场景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的多个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。