论文发表利用GPS定位技术对疏浚船的施工定位

　　摘要：结合疏浚工程施工，论述利用GPS先进技术对疏浚工程船舶进行施工定位效果良好。论文发表：《控制理论与应用》主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中，特别是高科技领域中的应用研究成果，内容包括：集中参数控制系统;线性与非线性控制系统;分布参数控制系统;随机控制系统;离散事件系统;大系统理论;混合系统;系统辨识与建模;自适应控制;鲁棒控制;智能控制;优化与控制算法;先进控制理论在实际系统中的应用;系统控制科学中的其它重要问题。

　　关键词：工程,疏浚船舶,GPS原理,定位

　　随着科学技术的发展，GPS卫星定位系统现已成为全球广泛应用的定位手段，它以全球性，全天候，准确，可靠和高效率等优点被测量与施工所采用。结合2010～2012年马里河道疏浚工程施工定位实践，探讨如何利用GPS卫星定位进行施工。

　　一、工程概况

　　阿拉塔纳干渠项目是美国政府“千年挑战公司(MCC)”资助项目，业主是马里千年挑战账户(MCA-Mali)，工程师为加拿大SNC-Lavalin公司。本项目以挖泥船疏浚为主,疏浚全长25km，工程量大约为450万方，因河道较窄，采用1600绞吸式挖泥船进行施工。

　　二、GPS的工作原理

　　1 GPS简介

　　1.1 GPS的定义

　　GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System(导航星测时与测距全球定位系统)，简称GPS有时也被称作NAVSTAR GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统(GPS)是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。

　　1.2 GPS的系统组成

　　GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成。2 GPS的定位原理

　　2.1 GPS测量定位的分类

　　GPS测量定位按照不同的分类依据而分为以下几类

　　依定位时的状态：动态定位、静态定位。

　　依定位模式：绝对定位(单点定位)、相对定位、差分定位。

　　依定位采用的观测值：伪距测量(伪距法定位)、载波相位测量。

　　依时效：实时定位、事后定位。

　　依确定整周期模糊度的方法及观察时段的长短：常速静态或动态定位、快速静态或动态定位。

　　2.2 差分GPS定位

　　疏浚船的施工定位方法是差分GPS定位，对此定位方法做详细介绍

　　2.2.1 差分GPS定位原理

　　差分定位系统即为DGPS，英文全称Differential Global Position System，是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。

　　如图片3所示，DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上，组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的DGPS用户接收到来自基准台的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度。

　　基准站对每颗在视场的GPS卫星进行连续跟踪测量，在ti时刻测得的伪距为di(i为卫星编号)，而基准站ti时刻至卫星的距离可算出为pi ，则伪距改正数为：△di = pi - di.由于△di是随时间不规则变化的，因此还要将伪距的变化率传给移动站。基准站将时标，伪距改正数，伪距变率和卫星数据龄期AODE组成l串电文，通过无线数据链向移动站广播。发AODE的目的是为了保持基准站和移动站使用同一龄期的星历，以消除卫星星历误差和星钟误差。

　　移动站接收到差分电文后，对GPS测得的伪距进行改正，获得高精度的位置。移动台的计算机用于采集GPS的位置数据，并通过后处理，绘成坐标图，显示定位实时动态位置，起到导航定位作用。定位原理如图3所示。

　　图3 差分GPS定位原理

　　2.2.2 差分GPS的类型

　　差分GPS定位分为伪距差分定位和载波相位差分定位两种

　　① 伪距差分定位

　　其原理是在基准站上观测所有的卫星，利用基准站的已知坐标和测得的各卫星的地心坐标，计算出基准站至各卫星的距离，并求出它与相应伪距之差，用此改正数去改正用户站测得的伪距。

　　其优点是由于基准站提供了所有卫星的伪距改正数，用户接收机观测任意4颗卫星即可完成定位。

　　其缺点是差分精度随基准站到用户站的距离增加而降低。

　　伪距差分定位能满足米级定位精度，广泛用于导航和水下测量等。马里阿拉塔纳干渠项目的疏浚船施工用此定位方法。

　　② 载波相位差分定位

　　载波相位差分技术又称实时动态(RTK，Real Time Kinematic)定位技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。

　　3 GPS定位的特点

　　① 全球、全天候工作。

　　② 定位精度高。单机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。

　　③ 功能多，应用广。

　　三、用于施工定位的主要设备及GPS的主要技术指标

　　1 施工定位用的主要设备

　　疏浚船舶用于定位的主要设备疏浚船舶用于定位的主要设备有：GPS，电子罗经，电脑和导航软件。

　　2 GPS的主要技术指标

　　① 8通道并行GPS接收机，重捕获时间只要几秒钟。

　　② 实行导航定位平面位置精度：<±1m ;静态相对定位精度：≤±(5mm + lppm)。

　　③ 作用距离：< 40km(与通讯条件有关)。

　　④ 差分发射间隔：2s 。

　　⑤ 位置水深采集速率：1次/ s 。

　　⑥ 电源：11∽14V直流电。

　　⑦ 功耗：基准站静态功耗为5W ，电台发射功耗高频为35W、低频为2W，移动站静态功耗为5W 。

　　四、利用GPS进行施工定位

　　首先在某一已定坐标点上设立基准站，然后在各施工船舶上设立移动站。由于每个地方所采用的坐标系不一样，导航软件可直接对采集的经纬度数据进行一级或二级坐标系转换成为当地坐标系。电子罗经以及因GPS天线的位置与实际要定位的点的平面位置之间的误差都可以通过固定差校正或天线偏差校正，将各种误差消除。

　　1 基准站位置及接收机的选择

　　马里河道疏浚工程的施工工况：战线较长。在选择GPS接收机设备时，本着经济，实用，可行的目的，选用符合工程技术要求的天宝5700基站以及SPS351信标机接收机。基准站选择设在较开阔且较高的地方，因施工区域附近无较高的建筑物，将基站架设在营地，发射天线捆绑于较高的水塔上。使基准站发射的RTCM信号有效控制整个工程施工区域，同时，还需尽量减少误差。在设立基准站时，采用3台GPS进行静态测量，测出计划设立基准站的坐标点的坐标，将基准站设在该点上。基准站设立后，在移动站到离施工区最近和最远的已知点上进行精度测试，结果表明，各施工区域均能可靠接收差分信号和卫星信号，精度在±1m内，符合施工定位的规范要求。

　　2 抓斗式挖泥船GPS定位技术

　　抓斗式挖泥船采用GPS进行施工定位将GPS天线固定在驾驶室前面的抓斗吊架顶端(抓斗中心对上去的位置)，将电台差分天线固定在驾驶台顶上，将电子罗经置于驾驶室内，并使电子罗经方向与驾驶室平面中轴线方向一致(即电子罗经方向代表驾驶室左右移动的平面方向)，将电脑和GPS主机设在驾驶室内驾驶员能清楚看到显示器里面的图像的地方，从电脑主机上接l台显示器置于船体后方，以便负责移锚的船员能够根据电脑显示器里面的电子图形进行移锚校正船位，再将GPS和电子罗经接上电脑主机串口，打开电脑的导航软件，并将开挖计划线编好，使导航软件进入测量状态。移船定位时，将驾驶室前的抓斗吊架置于船体正前方，测电子图形中的小船的中轴线代表抓斗船船体平面中轴线方向，十字中心代表吊架顶端GPS天线的平面位置即抓斗中心的平面位置。抓扬式挖泥船沿着已定开挖行挖泥前进，则电子图形中的小船中轴线方向与开挖行的计划线的中线方向一致，且十字中心在计划线的中线如发生偏离，移锚人员应松紧锚缆将船位纠正。施工挖泥时，驾驶员可通过电子图形观察抓泥时抓斗移动的动态位置和排斗的间距。驾驶员通过观察电子图形中小船移动的方向，距离以及十字中心的坐标来辨别挖泥船的施工和移位状况。

　　3 绞吸式挖泥船GPS定位技术

　　绞吸式挖泥船利用GPS进行定位绞吸式挖泥船是沿着以钢桩为圆心，船体为半径的弧线挖泥的。绞吸式挖泥船施工时需要定船头绞刀的位置，也要定船尾主钢桩的位置。如果只定绞刀的位置，钢桩偏了会产生超挖和漏挖;如果只定钢桩的位置，无法辨别绞刀是否挖到边线。绞吸式挖泥船施工定位采用2条GPS天线，不用电子罗经。将l条GPS天线固定在驾驶室前A字架的顶端，l条GPS天线固定在近主钢桩的地方，将2条GPS天线的另一端接上信号转换器后，再接入GPS主机(GPS主机只能接收l条GPS天线的信号，不能同时接收2条GPS天线的信号，计算出2个点的坐标，通过信号转换器可选择接收其中任l条GPS天线的信号)。将电台差分天线固定在驾驶室顶，电脑置驾驶室内驾驶员可以清晰看到显示器里面图像的地方。绞吸船施工时主要给绞刀定位。

　　五、河道疏浚施工中挖泥船的定位特点

　　结合马里当地施工情况，河道较窄，战线长，故采用多台1200绞吸式挖泥船，多面同时施工。河道窄，方向是固定的，所以电子罗经是不需要的，河道方向便是罗经值。1200绞吸式挖泥船较小，可以用单GPS定位，只定位绞刀头的位置便可以，节约成本。挖泥船用的定位软件是国产的自由行，将施工平面图导入到软件中，设置好GPS连接端口、点，连接仪器，输入河道的罗经值便可以对河道疏浚施工的挖泥船进行定位。

　　六、结语

　　疏浚施工船舶采用GPS定位技术，与以往测量、放样方式相比，省略了传统的插杆放样工作环节，减少了人力占用、物力的消耗，从而节约了施工成本，而且也为挖泥船赢得了有效工作时间，提高了工作效率;同时，GPS定位具有即时性(即在电脑显示器上时时显示着船舶的位置)、连续性(即可以画出船舶的连续运行轨迹，亦可指导施工)、永久性等特点，为船舶施工人员提供了极大的便利，也大大的提高了船舶施工的精确度。

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