莫文暉，韋長(zhǎng)算，於永東，韓偉浩

(1.廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣州　511400；2.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣州　511400)

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GNSS-RTK技術(shù)在陸地打樁引導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

莫文暉1，韋長(zhǎng)算2，於永東2，韓偉浩1

(1.廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣州511400；2.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣州511400)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)陸地打樁施工作業(yè)效率低下的現(xiàn)狀，本文提出了一種針對(duì)陸地打樁車上利用GNSS導(dǎo)航定位中的RTK作業(yè)模式進(jìn)行平面與高程引導(dǎo)控制的方案，并配合軟件引導(dǎo)車輛司機(jī)的快速作業(yè)；闡述本方法的原理與系統(tǒng)組成，并對(duì)系統(tǒng)特性做了實(shí)測(cè)對(duì)比分析與驗(yàn)證；結(jié)果表明：新方案能有效提高打樁作業(yè)精度、效率，并縮短工期、降低成本。

關(guān)鍵詞：GNSS；RTK；陸地打樁；引導(dǎo)控制

0引言

如今全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)、歐盟的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system，Galileo)在各行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從傳統(tǒng)的航天、測(cè)繪、地理信息、海洋，到地質(zhì)監(jiān)測(cè)、地基增強(qiáng)、機(jī)械控制、智能交通等，逐步從專業(yè)領(lǐng)域走向大眾生活。2015-08-09，BDS的第18、19顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星間鏈路建立，加速了我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航行業(yè)應(yīng)用化領(lǐng)域的推動(dòng)。如今，在工程機(jī)械領(lǐng)域的陸地打樁機(jī)上，也逐步引入了以高精度GNSS定位為核心的引導(dǎo)控制系統(tǒng)，提高打樁機(jī)作業(yè)的精確度與速度效率，提供一種了“先進(jìn)的生產(chǎn)力的發(fā)展方式”。打樁機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、建筑地基、承重墻等的立樁施工，往往面臨工作量大，項(xiàng)目時(shí)間緊迫，施工質(zhì)量要求嚴(yán)格等情況。若引入GNSS引導(dǎo)控制系統(tǒng)可大幅提高打樁作業(yè)精度、效率與質(zhì)量，縮短工期、降低成本，且支持全天候作業(yè)。

1打樁引導(dǎo)控制系統(tǒng)工作原理

1.1系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

打樁機(jī)引導(dǎo)控制系統(tǒng)使用GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)定位技術(shù)、傳感器技術(shù)和定制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)打樁作業(yè)平面位置、樁頂標(biāo)高的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)比設(shè)計(jì)坐標(biāo)給出提示作業(yè)剩余距離，引導(dǎo)施工。采用RTK定位技術(shù)[1-2]需要架設(shè)基準(zhǔn)站，校準(zhǔn)控制點(diǎn)，通過(guò)基站差分信號(hào)實(shí)時(shí)通信傳遞給車載移動(dòng)站，實(shí)時(shí)解算出高精度定位結(jié)果。車載傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控樁錘的抬高與降低距離，并校準(zhǔn)積累誤差，給軟件解算出正確的引導(dǎo)信息。

1.2系統(tǒng)組成

如圖1所示，本系統(tǒng)由以下3部分組成：基準(zhǔn)站部分、通信數(shù)據(jù)鏈、車載終端。

圖1　打樁系統(tǒng)總體組成框圖

圖1中，RTK定位技術(shù)的基準(zhǔn)站部分主要由GNSS基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)觀察基準(zhǔn)點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)，并與已知基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出差分修正數(shù)據(jù)輸出[3-4]。

而通信數(shù)據(jù)鏈路可由各種無(wú)線通信設(shè)備組成(如電臺(tái)或3G移動(dòng)網(wǎng)等)，需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)穩(wěn)定與可靠性[7-8]，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)將基準(zhǔn)站接收機(jī)輸出的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至車站終端部分，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)與否直接影響到車載定位接收機(jī)的解算精度。

車載終端部分主要由兩臺(tái)GNSS移動(dòng)站接收機(jī)、高程位置傳感器、平板顯示終端、打樁軟件等組成，兩臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)和來(lái)自基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，以通過(guò)RTK算法解算出厘米級(jí)精度的點(diǎn)位坐標(biāo)，并輸送至打樁軟件處理[5-6]；位置傳感器安裝于樁錘上下擺動(dòng)位置，實(shí)時(shí)檢測(cè)樁錘的上升與下降相對(duì)高度，數(shù)據(jù)同樣輸入打樁軟件進(jìn)行處理；打樁軟件可推算出樁心點(diǎn)坐標(biāo)和目前打樁高程，并計(jì)算出與設(shè)計(jì)樁點(diǎn)的平面位移差值、高程位移差值，給出參考信息，引導(dǎo)打樁人員精確作業(yè)。

1.3樁心坐標(biāo)的推算

樁心平面坐標(biāo)C點(diǎn)的(x，y)計(jì)算如圖2所示示意圖，A與B為兩個(gè)GNSS定位出的已知點(diǎn)A(xA，yA)，B(xB，yB)，C(xC，yC)為需要計(jì)算的樁心坐標(biāo)點(diǎn)，而車頂橫桿上A與B為相對(duì)固定的位置，因此AB直線L1為一個(gè)常數(shù)，用測(cè)量?jī)x器測(cè)出。再根據(jù)點(diǎn)到直線的距離原理，C點(diǎn)與AB直線的距離即垂線L2交L1與點(diǎn)M，則同樣可測(cè)出LAM、LBM、LCM的長(zhǎng)度，理想狀態(tài)是M在AB的正中心位置，因此假設(shè)以M為原點(diǎn)，AMB為X軸，MC為Y軸建立直角坐標(biāo)系，可由A、B兩個(gè)已知點(diǎn)推算出樁心C(xC，yC)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，平面軟件將這個(gè)樁心平面坐標(biāo)與實(shí)際導(dǎo)入的設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行相減，差值即為需要提示司機(jī)的剩余作業(yè)距離。

圖2　樁心位置的推算示意圖

1.4樁高的計(jì)算

樁高計(jì)算包含以下五個(gè)參數(shù)：接收機(jī)天線1相位中心高程H1，常數(shù)A1，位移編碼傳感器讀數(shù)B1，繼續(xù)錘擊距離D，設(shè)計(jì)高程H0。

H1為衛(wèi)星定位接收機(jī)實(shí)測(cè)出的高程，在某一點(diǎn)位固定不變。B1為位移編碼傳感器器讀數(shù)，隨著樁錘抬升至樁錘初始位置(即抬樁的最高點(diǎn))，再沿著正下方打樁下降，B1的值不斷變化。常數(shù)A1為樁錘初始位置距離車頂橫桿GNSS接收機(jī)的固定高差，此時(shí)若要計(jì)算某一時(shí)刻打的樁的高程值，可用H1減去常數(shù)A1，再減位移編碼器的實(shí)時(shí)讀數(shù)B1，可獲得當(dāng)前樁頂?shù)膶?shí)時(shí)高程，最后與設(shè)計(jì)高程H0比較，計(jì)算應(yīng)該繼續(xù)打樁的深度值，給予司機(jī)引導(dǎo)。

即某一時(shí)刻應(yīng)該繼續(xù)錘擊的距離

D=H1-A1-B1-H0

(1)

式(1)中，H1為接收機(jī)天線1相位中心高程，B1為位移編碼傳感器讀數(shù)，A1為固定常數(shù)值，H0為設(shè)計(jì)樁位高程。

圖3　樁高推算示意圖

2打樁軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1軟件設(shè)計(jì)工作流程

軟件設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單易用原則，首先，需要設(shè)置幾個(gè)參數(shù)為

1)工作當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)；

2)定位接收機(jī)和外接傳感器的連接參數(shù)；

3)接收機(jī)與樁頭的相對(duì)位置模型參數(shù)。

系統(tǒng)工作時(shí)先導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的樁點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，根據(jù)已知點(diǎn)位的平面坐標(biāo)和高程，進(jìn)行初次平面與高程的校準(zhǔn)，完成之后圖形界面選擇要打的樁，系統(tǒng)自動(dòng)提示車輛到選中樁位置要移動(dòng)的方向與距離。按系統(tǒng)指引到達(dá)指定位置之后就可以進(jìn)行打樁工作，打樁過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)提示還需要打樁的深度，打到讀數(shù)為0止，再進(jìn)行下一根打樁工作。在打樁過(guò)程中可進(jìn)行抽檢對(duì)比工作，確保打樁的效果。

系統(tǒng)工作流程如圖4所示

圖4　打樁軟件設(shè)計(jì)工作流程圖

2.2軟件工作指引方式與界面

軟件采用所見即所得的操作方式，平面位置采用圖形化引導(dǎo)，箭頭指示車輛需要行進(jìn)的前后左右方向與距離。根據(jù)打樁車樁頭只能前后和左右移動(dòng)的特點(diǎn)，調(diào)整距離、指引車輛移動(dòng)[9]。樁頭與樁的設(shè)計(jì)值之間的距離a會(huì)分解到樁頭的運(yùn)動(dòng)方向b和c，提高操作效率。如圖5所示。

圖5　平面引導(dǎo)方式

軟件界面設(shè)計(jì)與相關(guān)參數(shù)指示如圖6所示。

圖6　軟件界面的設(shè)計(jì)

3系統(tǒng)數(shù)據(jù)的搜集對(duì)比與分析

3.1在使用本系統(tǒng)前后的作業(yè)人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)

一項(xiàng)陸地打樁施工作業(yè)，通常需要一個(gè)測(cè)量人員粗略放樣設(shè)計(jì)點(diǎn)位、一個(gè)樁車司機(jī)駕駛車輛并操作打樁，一至兩個(gè)工人協(xié)助吊樁，一個(gè)校高員負(fù)責(zé)用測(cè)量?jī)x器測(cè)高，一個(gè)吊鉛錘人員負(fù)責(zé)協(xié)助瞄準(zhǔn)平面點(diǎn)位。若使用本套系統(tǒng)，可無(wú)需高程測(cè)量人員與平面瞄點(diǎn)人員的工作，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算完成指引，即可由原來(lái)的5人減少至3人，人工成本節(jié)省40%。

表1　作業(yè)人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3.2在使用本系統(tǒng)前后的打樁速率統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)方式為采用人工吊鉛錘的方式對(duì)點(diǎn)，用水準(zhǔn)尺觀測(cè)，測(cè)定高程，效率較低[10]，而使用本文提出的系統(tǒng)方案，可減少依賴精確放樣做標(biāo)記與人工對(duì)點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)，采用粗略放樣與自動(dòng)化引導(dǎo)對(duì)點(diǎn)，大大節(jié)省了單根打樁作業(yè)的時(shí)間，系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試，得出表2數(shù)據(jù)。

表2　打樁速率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3在使用本系統(tǒng)后的打樁精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

RTK技術(shù)采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法，理論實(shí)時(shí)測(cè)量平面精度在±1 cm，高程精度在±2 cm，完全滿足打樁工程施工的精度要求，選取某一次系統(tǒng)引導(dǎo)的實(shí)際打樁數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)樁的坐標(biāo)(x、y、h)核對(duì)如下：

通過(guò)表3的可以看出，使用本系統(tǒng)打樁后的平面精度可控制在2 cm以內(nèi)，高程精度可控制在4 cm誤差范圍內(nèi)。打完樁后的效果如圖7所示。

表3　樁位核對(duì)數(shù)據(jù)

圖7　打樁后的陣列效果

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種利用GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航RTK技術(shù)應(yīng)用于陸地打樁引導(dǎo)控制系統(tǒng)的方案，利用RTK技術(shù)得到厘米級(jí)高精度的定位結(jié)果，配合傳感器實(shí)時(shí)精確測(cè)量樁高，利用打樁軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化，打樁定位過(guò)程中的樁中心平面位置的定位、樁頂標(biāo)高控制等一系列實(shí)時(shí)定位信息的處理均由程序自行完成，并給予施工司機(jī)以引導(dǎo)信息，相比較傳統(tǒng)的人工逐點(diǎn)測(cè)量方法，本方案可有效提高施工精度、加快效率、降低成本，且不分晝夜全天候均可實(shí)施打樁作業(yè)，給予陸地打樁工程得力的幫助。

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Application of Land Piling Guidance System base on GNSS-RTK Technology

MOWenhui1，WEIChangsuan2，YUYongdong2，HANWeihao1

(1.Hi-Target Positioning Tech Co.Ltd.，Guangzhou 511400，China；2.Hi-Target Navigation Tech Co.Ltd.，Guangzhou 511400，China)

Abstract：This paper proposes a solution for the current low working efficiency of traditional land piling.This situation uses RTK mode to guide and control the pile driver both in horizontal and vertical directions，and assists the operator doing the job more efficient.This paper discusses the theory and component of this solution，analyses and verifies the system features by actual testing.The result shows that the new solution can improve the working efficiency and precision，the working period is reduced and the cost is saved.

Key words：GNSS；RTK；land piling；guidance and control

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)-01-0122-04

作者簡(jiǎn)介：第一莫文暉(1988—)，男，廣西桂林人，工程師，主要從事北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品開發(fā)與相關(guān)行業(yè)系統(tǒng)集成項(xiàng)目研究工作。

收稿日期：2015-11-06

引文格式：莫文暉，韋長(zhǎng)算，於永東，等.GNSS-RTK技術(shù)在陸地打樁引導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：122-125.(MO Wenhui，WEI Changsuan，YU Yongdong，et al.Application of Land Piling Guidance System base on GNSS-RTK Technology[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：122-125.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160124.