GPS导航系统在工程机械中的应用翻译

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1、建筑技术的研究进展，第二卷米安顺，学者米高和E.S.S.琳（编）2002年Elsevier科学有限公司，版权所有建筑工业GPS导航和制导系统研究冈瑟.瑞斯切尔 莫志明摘要：近年，对于全球定位系统（GPS）的应用出现了新的方向。其中，在建筑行业表现突出，涉及到车队管理、卡车导航，指导建筑机械精确测量、放样以及工程结构监测等诸多方面。由于GPS存在多种模式，因而可以根据具体要求，选用合适的方法进行位置测定。在大多数情况下，需要对位置进行实时连续测定。此时，可以通过现今的现代实时动态GPS (RTK-GPS)实现。现代测量与定位技术的使用促进了建筑行业新机械和系统的发展进程，特别是在建筑机械行业，在

2、提高工程施工效率方面已初见成效。如今，一些公司已经开发出了可以在诸如平地机和推土机等机械上应用的商用系统。这些系统通常使用三维测量系统，并结合某些传感器以实现定位。本文将首先通过对卫星定位系统的简要概述，阐述其在建筑行业的主要应用，随后对基于RTK-GPS技术的现代三维机械制导系统的共同特点进行论述，并与常规系统进行比较，最后得出结论。关键词：GPS 卫星定位 导航 车队管理 机械制导 建筑机械 三维机械制导系统1 简介无论是应用在一般建筑，或是土方和土木工程之中，当今先进的测量技术，广泛使用了激光、全站仪、GPS定位解决方案和软件，都可以提供更多的工作任务和现场控制。功能强大的软件能够实现从

3、场地准备、设计和估算起飞以及机器控制系统的最小滑移到最大的推土机整条生产线的控制任务。从而使现代机械控制系统可以联合或单独采用包括激光、GPS系统、全站仪、超声波或激光示踪剂和软件在内的多种技术。对于使用了先进控制系统的机械，操作者在驾驶室中就可以得到所需要的信息，使他们能够显著地提高生产率和工作精度，减少材料。本文将从现代卫星定位的运作的原则和导航理论入手，详细介绍了GPS在建造行业和机器制导中的应用。2 GPS定位和导航卫星定位系统的开发，使在全球范围内实现连续定位成为可能。目前新系统正处于开发或卫星发射阶段，但他们都有一个共同的特点，即基于美国导航星全球型GPS（带时间和测距的导航系统，

4、即全球定位系统）的理念进行开发。该系统是美国国防部（DOD）在20世纪70年代着手开发的，因而主要用于军事导航。除美国之外，前苏联也开发了类似的系统，即所谓的俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）。在90年代，GPS 和GLONASS的整合是未来的全球导航卫星系统（GNSS）开发的一个步骤。GNSS的战略目标是建立一个系统，摆脱任何军事和国家的控制，以保证在一定时间内服务的连续性，并提供比GPS更加优质实惠的服务。这主要是由于军事上的原因，并且美国政府也不同意让国际组织控制GPS。事实上，欧盟也在上个世纪末便开始设计自己的全球卫星导航系统。这一系统被称作GALILEO，预计将在2008年底

5、完全投入使用。2.1 卫星定位的基本概念由于卫星定位系统的理念非常直观，将有助于其他一些拥有系统理念知识的人对其进行理解。其中，卫星定位系统的设计理念必须符合下列要求：系统必须能够在世界上的任何地方进行三维定位，并且在任何时间、任何天气条件下保证既定的定位精度。此外，在多数情况下，信号接收端处于移动状态，系统还必须对其速度和加速度进行测定。卫星定位系统一般包括三个部分，即空间部分（在轨道上的卫星）、地面控制部分（监测站和主控站）和用户部分（接收器和天线）。卫星通过发送调制在载波上的相位信号序列进行距离测量。对于GPS来说，通常可以发出两种正弦载波相位信号：L1和L2以及两种伪随机码（伪随机噪声

6、）：精确的P码和C/ A码。在下一代的GPS卫星，计划增加三分之一的平民和其他军事频率，该卫星轨道则通过世界各地的监测台组成的网络来测定。这些广播星历，随后将传送到用户端，以便从导航信息中获取的实时位置信息。用户部分可大致分为两类：军事用户和民间用户。市场有各种类型的GPS接收器，如测绘，汽车导航和娱乐，以适应不同的需求，其选用的原则可参照卫星定位方面的书籍(如：Hofrnann-Wellenhof et. al, 1992； Leick, 1995; Wells, 1986; Seeber,1993; Mok & Retscher, 2000).2.2 观察类型和定位模式通过测量距离或范围可

7、以实现定位。伪距可以通过代码（P码和C/ A码）或载波相位（信号L1或/和L2）进行测量，但具体使用哪种方式，则取决于所使用的观测类型，如当定位精度在0.3- 40m范围内时，可使用代码观察方式。定位精度最高可到厘米级，但此时只能通过使用载波相位进行测量，对不同方法的定位精度比较可以参照图1。图1 卫星定位精度频谱从中可以看出，不同的卫星定位技术提供了宽广的定位精度范围。甄别代码和相位两种观察类型，可以将这些方法分为绝对和相对定位技术两类。绝对或单点定位是指只使用一个在独立模式下的接收器的定位技术的，这种技术通常应用于导航。对于相对定位，至少需要两个接收器。而差分技术的使用则可使两台接收机可以

8、同时观测到至少四颗卫星，从而提高了定位精度。这些技术通常应用于测量，制图，也可用于精确导航。2.3 GPS定位测量模式用于测量的定位方法通常采用基于载波相位观测的相对定位技术，以实现较高的精度水平。在一般情况下，它可以区分静态定位、快速的静态定位和动态定位。这些方式之间的差异主要表现在观测时间，以及接收器在整个观察期所处的状态（静态或动态）两个方面。其中，使用静态定位技术可以获得最高的定位精度，但在这种情况下，两个接收器必须在各自接收点上静止一定的时间。而观察期的长短取决于卫星数目、精度要求，线长度、接收器类型（单频-L1或双频-L1、L2接收器）以及大气条件。静态的观测的时间可持续30分钟到

9、几个小时，快速静态观测则只需几分钟到20分钟。当同时使用两个及以上的接收器时，可以采用静态方法，用这种方法建立控制网络，非常经济。因此，在此类应用上，卫星定位技术几乎取代了常规测量技术。由于测量工作简单容易，并且数据处理可以事后进行，所以这些技术常用来设立工程项目（隧道或桥梁施工）的控制点。对于快速静态或时停时走状态，观测时间被限限在几分钟之内，甚至只有短短几秒钟。随着卫星接收技术的发展，这种方法将会被现代的实时动态定位技术（RTK）所取代。但上述方法都需要使两个接收器在短时间内静止。在运动模式中，第二类接收器（或流动站接收器）能够运动并且连续地收集数据，然后对测量数据分时段处理，以确定位置。

10、根据接收器的移动速度不同，其定位精度可从几厘米到几分米（见图1）。3 GPS在建筑行业的应用卫星定位与导航技术广泛应用于建造行业，特别是导航模式，如今GPS已经成为一个标准的工具，被用来管理大卡车车队或实现车辆导航和制导（见图 2）。这些系统开发于十多年前，其将GPS与基于其它传感器的常规系统相融合，深受广大专业和个人用户的欢迎（见Krakiwsky，1991）。但是，与其他传感器（如航位推算（DR）和地图匹配）结合而产生的GPS定位系统，在单机模式下，只能良好工作于开放领域中。当卫星接收器受到遮挡，其定位精度将会变差或者出现定位失效，特别是工作于建筑高耸的城市中的车辆导航系统，必须解决卫星可

11、见度这一关键问题（见Retscher and Mok, 2001）。使用精确载波相位测量方法（见2.2节）可以实现高精度连续定位。目前，最新开发的系统只需使用一台GPS便可实现车辆姿态，方向以及位置的确定。在这种情况下，使用L1/L2双频RTK GPS双天线接收器便可构建一个能够提供精确的位置、航向和速度的动态平台，实现20mm的水平定位精度、30mm垂直精度以及RMS（均方根误差）为0.03 的航向精度，并且使信号接收频率由每秒10次提升到了每秒20次(见Trimble ，2002)。这些系统主要用于建筑、疏浚、海洋调查、海洋商业以及常规机械的制导领域。图2 车队管理服务系统原理图4 机械制

12、导与控制种类各异的建筑机械适用于各种不同的场合。如推土机常用于土方搬运以及桥台、坡道和堤防建设等；平地机用于原料筛选、地基挖掘和边坡作业；摊铺设备用于道路表面沥青或混凝土铺设。这些机器的先进制导方法可以根据其自动化实现水平加以区分，其中，现代化的三维制导系统和自动刀片控制系统的自动化程度最高。在这种情况下，导航参数和设计表面切削误差通过与预设路线比较得到。预设路线通常以数字地形模型为基础，当需要更正时，参数会自动发送到机械液压系统以到达预设海拔和坡度。此外，视觉控制系统为机械操作者提供导航显示，部分机器还设置了手动刀片控制，即操作者手动控制刀片。4.1、机械制导系统的组成三维制导系统的主要组件

13、是一个定位装置，它能够不断跟踪机床的运动。随着现代的RTK GPS系统和具有自动定位和跟踪作用的全站仪的应用，这些系统正日趋完善。时至今日，他们已经能够以10Hz（即每秒10次）高频率对机械的三维位置进行连续测量。机械的位置运动序列代表了其运动轨迹，图3显示了一个三维机械制导系统的主要构成。图3 三维机械制导系统主要构成除了定位单元，通常系统中还设计了其它一些传感器，以实现不同功能。如电子测斜仪或倾斜仪用来测量的机械或刀片俯仰和横滚；测倾罗盘或侧倾仪用来测量纵、横向倾斜（即俯仰和横滚）的机械或刀片；纵向传感器（即长坡传感器）用于测量车辆在行驶过程中斜度；横向传感器是一个高度动态的计量单元，用于

14、确定精确控制的侧倾横向刀片的当前倾向。此外，刀片还使用了旋转补偿器精确测定旋转，以实现最佳侧倾补偿（见Moba, 2002），这种传感器本质上是一种电子陀螺罗盘或航向传感器。总之，所有的传感器组合在一起，便构成了处于多传感器系统中的定位单元(见Retscher, 2002)。4.2、三维制导系统与常规系统比较三维制导系统使用了全站仪和RTK GPS系统，而常规系统则使用串线和标桩或旋转激光仪，两者之间的比较见表1。传统的系统需要测量人员提供工程设计和现场机械操作界面，这可以通过使用被放置在工地附近战略位置上，能够反映削减水平以及填补空缺的不同等级的标桩来实现。机械操作人员则必须依靠自己的经验来

15、确定等级并插上标桩，但标桩也可以用串线来代替，应用超声波或激光等示踪剂探测器使机械是沿预设路线路线行进（见图4）。但是，传统系统存在者缺陷，在日常工作中，标桩或串线常常被机械撞倒，并且在制订和维护时劳动强度过大。现场测量人员需要反复查标桩、检查结果表面、计算出地球的运转体积和施工误差（见Carlson et al，1999；Anderson ，1999）。使用如图5所示的旋转激光系统，可以提高生产力，并节省成本。其中，旋转激光束定义在一水平面上，能够观测到平面偏差；激光探测器通常安装在机械的刀片上，利用此激光系统，便可进行精准的高度控制。但是，其应用只局限在梯度变化小的区域内；否则，便需要频繁

16、地安装激光仪器。应此，旋转激光系统主要用于平地机上，实现精确的高度控制。三维机械制导系统的主要应用于建筑机械和采矿机械，如推土机、平地机、挖掘机以及铲运机，有的也应用在农业机械，如拖拉机和收割机（见表1）。根据精度要求，可选用RTK GPS 系统或机器人全站仪，其中，一些公司（如Leica, 2002; Gomaco, 2002; Trimble, 2002）已经开发出一些相关系统并投入了市场。但是，对于精度要求很高的道路制导和滑模摊铺机，三维制导系统的开发仍非常具有挑战性。最近的研究表明，拥有两个自动全站仪的三维系统（见Gomaco，2002）或双天线GPS系统（见Trimble ，2002

17、）已通过了测试。该系统还需要进一步改进，以完全取代传统的劳动密集型方法。此外，关于测算建筑机械运动的新算法已经成功找出，如需进一步信息，读者可以参考Retscher, 2001 and 2002。表1 机械制导系统的比较图4：摊铺机的制导串线 图5：旋转激光系统的操作原理5 结论与展望结合了先进软件的现代测量技术在建筑行业上的应用，使现代建筑机械实现了自动化的引导和控制。三维制导系统的应用将大大减少测量时间，从而节约成本，并提高工程效率。其中，卫星定位理论发挥了重要的作用，实现了非常高的精度要求，尤其是在精细分级和铺装垂直精度方面表现突出。但是，其与其它传感器和方法的结合仍然必不可少。此外，对

18、于机械和车队的单机模式导航只需使用低精度的GPS系统的即可实现。参考文献Carlson B., H. Baertlein, R. Eckels, S. Lyle (1999): Dozer 2000 - A Revolution in Machine Guidance. in: Leica Dozer2000Presentation CD-Rom, Leica Geosystems, Heerbrugg, Switzerland.Gomaco (2002): Stringless Guidance System. Technical Notes, Gomaco Corporation, Ida

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