北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在工程機械中的應(yīng)用

許哲,牟曉華,魏鵬

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在工程機械中的應(yīng)用

許哲,牟曉華,魏鵬

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

隨著全球機械行業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的工程機械運行及作業(yè)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的高標準、高質(zhì)量需求,急需通過內(nèi)部的不斷更新和與外部資源的結(jié)合來使工程機械的發(fā)展達到新的高度。論文首先概述了北斗系統(tǒng)的基本組成和功能,其次針對傳統(tǒng)工程機械運行及作業(yè)中的缺點分別從北斗系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時傳輸、高精度定位兩個方面進行了探索改進,分析了北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

北斗系統(tǒng);工程機械;高精度定位

0 引 言

工程機械指在工業(yè)建設(shè)及工業(yè)制造過程中所使用的代替人工勞動力或輔助人工勞動力的機械設(shè)備,目的在于提高生產(chǎn)和作業(yè)效率,同時在解放人的雙手的情況下避免了直接通過體力作業(yè)的人員遭受不必要的人身傷害。面對全球性工業(yè)的快速發(fā)展,各國對工程機械越來越重視。工程機械的技術(shù)水平在工業(yè)建設(shè)及工業(yè)制造中起著決定性的作用。隨著科技的發(fā)展,新技術(shù)不斷應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運行的且與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2015年9月,第四顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射,標志著我國北斗系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展計劃的穩(wěn)步推進。隨著北斗系統(tǒng)地面基礎(chǔ)設(shè)施的完善,多項核心技術(shù)的突破以及全球范圍內(nèi)的布站,北斗系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于交通、氣象、航空、通信等領(lǐng)域[2-4]。論文針對傳統(tǒng)工程機械運行及作業(yè)中的缺點分別從監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時傳輸、高精度定位兩個方面進行了探索改進,對該領(lǐng)域的進一步發(fā)展有著重要應(yīng)用意義。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶段組成,地面段主要包含主控站、注入站和監(jiān)測站等,空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃,北斗系統(tǒng)將在2020年左右覆蓋全球。屆時,北斗系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi),向各類用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù),并兼具短報文通信能力。

北斗系統(tǒng)的主要功能有三個方面:1) 快速定位,為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶提供全天候、實時定位服務(wù),其定位精度與GPS民用定位精度相當(dāng),水平定位精度為100 m,在設(shè)立標校站之后的定位精度可達20 m. 2) 精密授時,精度達20 ns. 3) 短報文通信,北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能,一次可傳送多達120個漢字的信息。

根據(jù)用戶的運動狀態(tài),定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位;根據(jù)定位模式,定位分為絕對定位(又稱單點定位)和相對定位(又稱差分定位)。北斗動態(tài)導(dǎo)航定位技術(shù)主要有兩種,一是精密單點定位,二是載波相位差分定位。

國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了北斗系統(tǒng)單點定位、精密單點定位、動態(tài)偽距差分定位、基線相對定位等算法,通過實測數(shù)據(jù)評估了北斗系統(tǒng)的定位性能。數(shù)據(jù)處理表明:偽距單點定位精度在10m之內(nèi),動態(tài)偽距差分定位精度可達2～4 m,精密單點定位和基線相對定位精度可達厘米級[5-6]。其中,北斗偽距單點定位和差分定位的定位精度可分別滿足普通導(dǎo)航定位要求和較高精度的要求。

2 北斗系統(tǒng)在工程機械中的應(yīng)用

工程機械運行的環(huán)境不止是工廠、車間等,還包括河流、山地等復(fù)雜、惡劣且多變的環(huán)境,我國的工程機械技術(shù)由于一直使用國外的GPRS系統(tǒng),在很多方面無法進一步突破和發(fā)展,極大地限制了工程機械的發(fā)展與進步,使其明顯落后于歐美國家。目前眾多工程機械面臨著很多關(guān)鍵性技術(shù)問題,其中主要包括遠程控制與管理、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時無線傳輸和精準定位等。隨著北斗系統(tǒng)由區(qū)域服務(wù)逐漸轉(zhuǎn)變面向全球拓展,以及北斗地基建設(shè)的日益完善,北斗系統(tǒng)的高精度定位、全天候、全天時、短報文通信等特點更加突出,促進了北斗系統(tǒng)在各行業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。北斗系統(tǒng)在工程機械中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時無線傳輸和精準定位兩個方面。

1) 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時傳輸

隨著Internet的飛速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)機械相結(jié)合是一個重要的發(fā)展趨勢。同時伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力水平、人們生活水平的不斷提高,遠程監(jiān)控系統(tǒng)越來越多的被應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域,且使用的要求也越來越高。采用遠程工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對于保障工業(yè)生產(chǎn)的安全和方便生產(chǎn)的管理具有實際而重要的意義。數(shù)據(jù)傳輸不外乎兩種數(shù)據(jù)介質(zhì)通信方案,即有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸方式有:RS-485現(xiàn)場總線、電力線載波和PSTN公用電話網(wǎng)等;而無線傳輸方式有:VHF/UHF無線電臺、工業(yè)MS擴頻電臺、GSM與CDMA、移動通信網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。無論有線還是無線傳輸,兩者的運作模式分別是:利用電力線載波作為通信介質(zhì)可以充分利用現(xiàn)有的供電線路,而不需要另鋪專用的通信線路,但電力線固有干擾較大,且載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送,通信跟蹤較短;RS485現(xiàn)場總線具有通信速率高、可靠性好等優(yōu)點,但用于大容量系統(tǒng)時鋪設(shè)專用線路工程造價太高,并且其傳輸距離也十分有限,在很多作業(yè)環(huán)境下不僅浪費財力、物力,有時還會因數(shù)據(jù)線過長的缺陷導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷等不好的后果。利用PSTN公用電話網(wǎng)和GMS、CDMA等移動通信網(wǎng)作為通信介質(zhì)的初期投入費用少,無盲區(qū)覆蓋,但日積月累的運營費用較高;工業(yè)MS(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療用途)頻段的擴頻電臺(2.4 GHz)以及微波(4 GHz)可用于遠距離、高性能傳輸,但價格昂貴。利用VHF/UHF無線電臺作為通信介質(zhì)的特點是:傳輸距離較遠,只需維護費用而無運營費用,系統(tǒng)使用及站點擴展很方便,尤其適用于大容量分散式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng),其性能價格比較高,但必須向當(dāng)?shù)氐臒o線電管理部門申請相應(yīng)的頻點才可正常使用。由上可見,有線和無線方式各有利弊,有線通信的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?而采用無線傳輸進行操控的話,可以避免很多不安全的因素,尤其在將設(shè)備與北斗系統(tǒng)結(jié)合的狀態(tài)下,完全解決了無線通訊在距離方面的不足,并且具有足夠可靠性。利用北斗系統(tǒng),在工業(yè)設(shè)備上安裝北斗導(dǎo)航終端,并與指揮中心、地基站和北斗衛(wèi)星組形成了通訊鏈。圖1為監(jiān)控采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖1 監(jiān)控采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)對于頻繁的或突發(fā)性強的小流量的數(shù)據(jù)傳輸是非常適合的,同時傳感器得到的數(shù)據(jù)對于這個特性正好符合。其過程首先要解析通過監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)采集機定期發(fā)送的原始數(shù)據(jù),然后在其中加入相關(guān)的數(shù)據(jù)(比如參數(shù)類型編號、設(shè)施編號、工作人員編號等)。最后要將數(shù)據(jù)進行重新打包,并通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到目的地(監(jiān)控中心)。

北斗系統(tǒng)適合傳輸頻繁的或突發(fā)性強的小流量數(shù)據(jù),偶爾也可以傳輸較大的數(shù)據(jù),因此可以通過北斗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送文件。在監(jiān)控系統(tǒng)中,通過發(fā)送和接受監(jiān)控終端采集到的靜態(tài)圖像文件可以實現(xiàn)對現(xiàn)場情景的實時監(jiān)控。但是還不能通過北斗系統(tǒng)像一般的監(jiān)控設(shè)施一樣傳輸視頻信息,因為受到北斗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。雖然不能傳輸視頻,但可以通過觀看監(jiān)控終端發(fā)送的連續(xù)現(xiàn)場靜態(tài)畫面來了解現(xiàn)場的實時狀況,作為一個輔助的監(jiān)控手段,這對于像大型露天如碼垛、起重機等機械作業(yè)時十分必要的。比如管理人員可以從監(jiān)控終端發(fā)送過來的現(xiàn)場連續(xù)靜態(tài)畫面看到機械設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場的大致情況,也可以看出設(shè)備是否在指定的地點工作。

因此通過將北斗結(jié)合到傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中,開發(fā)一個遠程無線的監(jiān)控系統(tǒng)平臺,可以滿足和解決工業(yè)機械在作業(yè)和建設(shè)中的眾多需求和不足,在將來一定會有有良好的應(yīng)用前景。

2) 高精度定位

隨著我國北斗系統(tǒng)定位技術(shù)的不斷發(fā)展以及地基系統(tǒng)的建設(shè)加強,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度逐步滿足工程機械運行和施工定位對高精度的要求,比如近年來,隨著我國道路施工行業(yè)的快速發(fā)展,施工技術(shù)也越來越先進,工程機械對于建設(shè)施工來說,是應(yīng)用比較廣泛的工具,因此通過衛(wèi)星高精度定位提高工程機械的施工精度可大大改善道路質(zhì)量。2015年6月,“中國精度”正式提供服務(wù),并面向全球同步發(fā)布。該全球星基高精度增強服務(wù)系統(tǒng)將使我國北斗用戶在無需架設(shè)基站的情況下,在全球任一地點享受便捷的亞米級、分米級和厘米級三種不同精度層級的增強服務(wù)。

隨著科技的發(fā)展,衛(wèi)星定位技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)、測量工程和聲學(xué)定位等傳統(tǒng)測量和定位技術(shù)。北斗系統(tǒng)建設(shè)初期,以海上筑堤、海峽貫通工程及海上石油鉆探工程等為主的海上工程測量過程中主要以GPS測量為主,GPS測量技術(shù)的定位精度和自動化程度高,觀測時間短,但其使用成本較高,不支持信息雙向傳輸且存在安全隱患。科技發(fā)展的同時,我國發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)增多,定位技術(shù)由有源定位轉(zhuǎn)變?yōu)闊o源定位,用于工程建設(shè)高精度定位的施工技術(shù)的產(chǎn)品愈加成熟,廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司研發(fā)的北斗RTK系列已基本符合工業(yè)建設(shè)施工中的高精度定位要求,其中,S86C北斗RTK測量系統(tǒng)是針對工程上的高精度定位、定向的施工技術(shù)要求而設(shè)計的,可涵蓋海測、疏浚、打樁、插排等工程領(lǐng)域的應(yīng)用。基于“中國精度”,北斗系統(tǒng)已經(jīng)滿足了偏遠地區(qū)工程測量對高精度的要求。由于無需架設(shè)基站,使得高精度工程測量作業(yè)更加方便靈活,北斗系統(tǒng)完善及其相關(guān)設(shè)備的研發(fā)極大的促進了北斗系統(tǒng)在工程機械測繪和施工方面的應(yīng)用。如在沿海碼頭這樣存在大量集裝箱的地區(qū),可以利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精確定位,來實現(xiàn)集裝箱存放位置的合理布局,同時可以利用其精準的定位做好安全防衛(wèi)工作。

隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的提出,2015年10月,我國成功發(fā)射亞太九號衛(wèi)星,提高了北斗系統(tǒng)的定位服務(wù)能力,填補了東南亞地區(qū)的通信服務(wù)空白。根據(jù)北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)計劃,2018年將率先為“一帶一路”國家提供基本服務(wù)。屆時,北斗系統(tǒng)在全球遠程通信與管理方面的應(yīng)用將進入新的起點。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用，工程機械行業(yè)發(fā)生了革命性的變化，打破了傳統(tǒng)的施工方法，減少了大量的人工測量和數(shù)據(jù)誤差，增加了系統(tǒng)的可靠性和安全性，保證了人身安全，對促進我國工程機械自動化和現(xiàn)代化發(fā)展有著重要的意義。

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Application of BeiDou Satellite Navigation System in Engineering Machinery

XU Zhe,MOU Xiaohua,WEI Peng

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUnivercity,Shanghai201306，China)

With the continuous development of global Engineering machinery, traditional engineering machinery is in urgent need of internal constant renewal and the combination of external resources to achieve a new level of development because of the operation and mode of operation has been unable to meet the modern high standard and high quality requirements. This paper firstly summarizes the basic composition and function of BeiDou system, secondly, the traditional engineering machinery has explored the improvement from two aspects of monitoring system data real-time transmission and high positioning accuracy of the BeiDou system in operation and operation of the disadvantages respectively, and analyzes the application prospect in the field of the BeiDou system.

BeiDou system; engineering mechanical; high precision positioning

2016-02-22

上海市“聯(lián)盟計劃”基金項目(編號:D-8005-14-0115)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.025

TN927

1008-9268(2016)06-0122-04

許哲(1970-),男,副教授,研究方向為機電一體化。

牟曉華(1990-),男,碩士生,主要從事海洋工程裝備的研究。

魏鵬(1990-),男,碩士生,主要從事海洋工程裝備的研究。

聯(lián)系人：牟曉華 E-mail: a0715002009@163.com