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(jī)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(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的工程機(jī)械運(yùn)行及作業(yè)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化的高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量需求,急需通過(guò)內(nèi)部的不斷更新和與外部資源的結(jié)合來(lái)使工程機(jī)械的發(fā)展達(dá)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(duì)傳統(tǒng)工程機(jī)械運(yùn)行及作業(yè)中的缺點(diǎn)分別從北斗系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、高精度定位兩個(gè)方面進(jìn)行了探索改進(jìn),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(jī)械;高精度定位

0 引 言

工程機(jī)械指在工業(yè)建設(shè)及工業(yè)制造過(guò)程中所使用的代替人工勞動(dòng)力或輔助人工勞動(dòng)力的機(jī)械設(shè)備,目的在于提高生產(chǎn)和作業(yè)效率,同時(shí)在解放人的雙手的情況下避免了直接通過(guò)體力作業(yè)的人員遭受不必要的人身傷害。面對(duì)全球性工業(yè)的快速發(fā)展,各國(guó)對(duì)工程機(jī)械越來(lái)越重視。工程機(jī)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(jī)械領(lǐng)域。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)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(biāo)志著我國(guó)北斗系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展計(jì)劃的穩(wěn)步推進(jìn)。隨著北斗系統(tǒng)地面基礎(chǔ)設(shè)施的完善,多項(xiàng)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(duì)傳統(tǒng)工程機(jī)械運(yùn)行及作業(yè)中的缺點(diǎn)分別從監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、高精度定位兩個(gè)方面進(jìn)行了探索改進(jìn),對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)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(hù)段組成,地面段主要包含主控站、注入站和監(jiān)測(cè)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(hù)段包括北斗用戶(hù)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(shí),北斗系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi),向各類(lèi)用戶(hù)提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力。

北斗系統(tǒng)的主要功能有三個(gè)方面:1) 快速定位,為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶(hù)提供全天候、實(shí)時(shí)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(biāo)校站之后的定位精度可達(dá)20 m. 2) 精密授時(shí),精度達(dá)20 ns. 3) 短報(bào)文通信,北斗系統(tǒng)用戶(hù)終端具有雙向報(bào)文通信功能,一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息。

根據(jù)用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位;根據(jù)定位模式,定位分為絕對(duì)定位(又稱(chēng)單點(diǎn)定位)和相對(duì)定位(又稱(chēng)差分定位)。北斗動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位技術(shù)主要有兩種,一是精密單點(diǎn)定位,二是載波相位差分定位。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了北斗系統(tǒng)單點(diǎn)定位、精密單點(diǎn)定位、動(dòng)態(tài)偽距差分定位、基線(xiàn)相對(duì)定位等算法,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了北斗系統(tǒng)的定位性能。數(shù)據(jù)處理表明:偽距單點(diǎn)定位精度在10m之內(nèi),動(dòng)態(tài)偽距差分定位精度可達(dá)2～4 m,精密單點(diǎn)定位和基線(xiàn)相對(duì)定位精度可達(dá)厘米級(jí)[5-6]。其中,北斗偽距單點(diǎn)定位和差分定位的定位精度可分別滿(mǎn)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(jī)械中的應(yīng)用

工程機(jī)械運(yùn)行的環(huán)境不止是工廠、車(chē)間等,還包括河流、山地等復(fù)雜、惡劣且多變的環(huán)境,我國(guó)的工程機(jī)械技術(shù)由于一直使用國(guó)外的GPRS系統(tǒng),在很多方面無(wú)法進(jìn)一步突破和發(fā)展,極大地限制了工程機(jī)械的發(fā)展與進(jìn)步,使其明顯落后于歐美國(guó)家。目前眾多工程機(jī)械面臨著很多關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題,其中主要包括遠(yuǎn)程控制與管理、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸和精準(zhǔn)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(shí)、短報(bào)文通信等特點(diǎn)更加突出,促進(jìn)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(jī)械中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸和精準(zhǔn)定位兩個(gè)方面。

1) 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸

隨著Internet的飛速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)機(jī)械相結(jié)合是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越多的被應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,且使用的要求也越來(lái)越高。采用遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于保障工業(yè)生產(chǎn)的安全和方便生產(chǎn)的管理具有實(shí)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(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)傳輸。有線(xiàn)傳輸方式有:RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、電力線(xiàn)載波和PSTN公用電話(huà)網(wǎng)等;而無(wú)線(xiàn)傳輸方式有:VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、工業(yè)MS擴(kuò)頻電臺(tái)、GSM與CDMA、移動(dòng)通信網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。無(wú)論有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)傳輸,兩者的運(yùn)作模式分別是:利用電力線(xiàn)載波作為通信介質(zhì)可以充分利用現(xiàn)有的供電線(xiàn)路,而不需要另鋪專(zhuān)用的通信線(xiàn)路,但電力線(xiàn)固有干擾較大,且載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送,通信跟蹤較短;RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有通信速率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),但用于大容量系統(tǒng)時(shí)鋪設(shè)專(zhuān)用線(xiàn)路工程造價(jià)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(fèi)財(cái)力、物力,有時(shí)還會(huì)因數(shù)據(jù)線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)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(huà)網(wǎng)和GMS、CDMA等移動(dòng)通信網(wǎng)作為通信介質(zhì)的初期投入費(fèi)用少,無(wú)盲區(qū)覆蓋,但日積月累的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高;工業(yè)MS(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療用途)頻段的擴(kuò)頻電臺(tái)(2.4 GHz)以及微波(4 GHz)可用于遠(yuǎn)距離、高性能傳輸,但價(jià)格昂貴。利用VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺(tái)作為通信介質(zhì)的特點(diǎn)是:傳輸距離較遠(yuǎn),只需維護(hù)費(fèi)用而無(wú)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,系統(tǒng)使用及站點(diǎn)擴(kuò)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(jià)格比較高,但必須向當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)申請(qǐng)相應(yīng)的頻點(diǎn)才可正常使用。由上可見(jiàn),有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)方式各有利弊,有線(xiàn)通信的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?而采用無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)行操控的話(huà),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(wú)線(xiàn)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(duì)于頻繁的或突發(fā)性強(qiáng)的小流量的數(shù)據(jù)傳輸是非常適合的,同時(shí)傳感器得到的數(shù)據(jù)對(duì)于這個(gè)特性正好符合。其過(guò)程首先要解析通過(guò)監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)采集機(jī)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(lèi)型編號(hào)、設(shè)施編號(hào)、工作人員編號(hào)等)。最后要將數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包,并通過(guò)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(qiáng)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(guò)北斗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送文件。在監(jiān)控系統(tǒng)中,通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情景的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是還不能通過(guò)北斗系統(tǒng)像一般的監(jiān)控設(shè)施一樣傳輸視頻信息,因?yàn)槭艿奖倍废到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。雖然不能傳輸視頻,但可以通過(guò)觀看監(jiān)控終端發(fā)送的連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)畫(huà)面來(lái)了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀況,作為一個(gè)輔助的監(jiān)控手段,這對(duì)于像大型露天如碼垛、起重機(jī)等機(jī)械作業(yè)時(shí)十分必要的。比如管理人員可以從監(jiān)控終端發(fā)送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)靜態(tài)畫(huà)面看到機(jī)械設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大致情況,也可以看出設(shè)備是否在指定的地點(diǎn)工作。

因此通過(guò)將北斗結(jié)合到傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中,開(kāi)發(fā)一個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái),可以滿(mǎn)足和解決工業(yè)機(jī)械在作業(yè)和建設(shè)中的眾多需求和不足,在將來(lái)一定會(huì)有有良好的應(yīng)用前景。

2) 高精度定位

隨著我國(guó)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(qiáng),北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度逐步滿(mǎn)足工程機(jī)械運(yùn)行和施工定位對(duì)高精度的要求,比如近年來(lái),隨著我國(guó)道路施工行業(yè)的快速發(fā)展,施工技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn),工程機(jī)械對(duì)于建設(shè)施工來(lái)說(shuō),是應(yīng)用比較廣泛的工具,因此通過(guò)衛(wèi)星高精度定位提高工程機(jī)械的施工精度可大大改善道路質(zhì)量。2015年6月,“中國(guó)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(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)將使我國(guó)北斗用戶(hù)在無(wú)需架設(shè)基站的情況下,在全球任一地點(diǎn)享受便捷的亞米級(jí)、分米級(jí)和厘米級(jí)三種不同精度層級(jí)的增強(qiáng)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(cè)量技術(shù)、測(cè)量工程和聲學(xué)定位等傳統(tǒng)測(cè)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(cè)量過(guò)程中主要以GPS測(cè)量為主,GPS測(cè)量技術(shù)的定位精度和自動(dòng)化程度高,觀測(cè)時(shí)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(shí),我國(guó)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(wú)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(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)工程上的高精度定位、定向的施工技術(shù)要求而設(shè)計(jì)的,可涵蓋海測(cè)、疏浚、打樁、插排等工程領(lǐng)域的應(yīng)用?；凇爸袊?guó)精度”,北斗系統(tǒng)已經(jīng)滿(mǎn)足了偏遠(yuǎn)地區(qū)工程測(cè)量對(duì)高精度的要求。由于無(wú)需架設(shè)基站,使得高精度工程測(cè)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(jìn)了北斗系統(tǒng)在工程機(jī)械測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)集裝箱存放位置的合理布局,同時(shí)可以利用其精準(zhǔn)的定位做好安全防衛(wèi)工作。

隨著“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的提出,2015年10月,我國(guó)成功發(fā)射亞太九號(hào)衛(wèi)星,提高了北斗系統(tǒng)的定位服務(wù)能力,填補(bǔ)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(jì)劃,2018年將率先為“一帶一路”國(guó)家提供基本服務(wù)。屆時(shí),北斗系統(tǒng)在全球遠(yuǎn)程通信與管理方面的應(yīng)用將進(jìn)入新的起點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用，工程機(jī)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(cè)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(duì)促進(jìn)我國(guó)工程機(jī)械自動(dòng)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(jì)劃”基金項(xiàng)目(編號(hào):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?yàn)闄C(jī)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