高精度GPS在港口機械定位中的應用

張治華

摘 要 隨著神華黃驊港務公司堆場智能化項目的開展，堆場機械全自動作業對自身位置的準確性和精確性提出了更高的要求?，F有的絕對值編碼器已經無法滿足這種要求，因此本設計在堆場機械上安裝了一套帶有雙天線的高精度GPS定位系統，通過PLC將雙天線的定位信息換算成單機行走、回轉、俯仰的位置信息。GPS位置信息和編碼器位置信息互為冗余，從而保證了單機安全高效的自動運行。

關鍵詞 高精度GPS；RTK；定位；編碼器

中圖分類號 U65 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0148-02

1 設計背景

隨著煤炭市場的逐步回暖、下水量的不斷增加，神華黃驊港務公司正積極推進堆場智能化改造項目，將堆場的堆料機和取料機逐步改為遠程自動操控，從而減輕操作員的勞動強度，提升作業效率。自動作業歸根結底還是要控制單機的行走、回轉、俯仰速度和要到達的目標位置，因此一套準確可靠的位置信息是自動作業的基礎。

黃驊港務公司現有的堆料機和取料機是靠絕對值編碼器來實現定位的。這種編碼器存在以下3方面的問題：

1）為了提高絕對值編碼器的精度，就需要設置更多的輸出位?，F場編碼器信號大部分是通過電纜并行輸入到PLC數字量輸入模塊的，每一位輸入信號都必須確保連接良好，輸入正確，才能保證編碼器數值的正確性。因此位數越多，精度越高，但是可靠性越差。

2）每臺取料機、堆料機的行走距離大概是1 200m，行走編碼器都是安裝在行走輪上，由于地面沉降或者軌道斷裂造成的軌道上表面高低不平，摩擦力不均，如果出現行走輪打滑現象或者其他外力作用導致機械平移，這些都會導致行走數據不準，此外行走軌道上的數據校正點很少且缺乏周期性的檢查，因此長年累月的積累就會造成誤差越來越大?；剞D和俯仰編碼器都是通過齒輪組相連，同軸度調整不好或者長期磨損導致斷齒就會使回轉、俯仰編碼器產生誤差，且回轉、俯仰編碼器校正裝置缺失。

3）堆場智能化項目要求堆料機、取料機可以實現自動對垛對層功能，這就需要建立一個統一的三維坐標系。但是所有單機的編碼器之間都是獨立的，沒有一個相同的零點，顯然不能滿足自動作業的要求。

綜上所述，黃驊港務公司急需一套有統一標準的、可靠的高精度定位系統?；谳d波相位觀測值的實時動態定位技術的高精度GPS可以完美的解決堆場取料機和堆料機的定位問題。

2 RTK——實時動態差分定位

以前普通的GPS靜態、動態測量精度很差，為了提高精度就需要在測量后對數據進行解算處理，這又嚴重損害了實時性，無法滿足實時精確定位的要求。

現在隨著RTK測量技術的日益成熟，GPS定位的精確度、實時性、高效性都有了顯著的提高。RTK定位技術采用載波相位觀測值，在RTK工作模式下，基準站的GPS接收機對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并通過無線電臺等將觀測值與本身坐標信息一起傳給移動站，移動站的GPS接收機不僅通過無線電臺等接受來自基準站的數據，還接受GPS衛星信號，并利用基準站與移動站之間觀測誤差的空間相關性，通過差分的方式除去移動站觀測數據中的大部分誤差，能夠實時地提供觀測點在指定坐標系下的三維定位信息，精度可達到厘米級，且整個解算過程不足1秒鐘。這樣通過實時計算的定位信息，便可檢測基準站與移動站觀測結果的質量和解算結果的收斂情況，從而可實時地判定解算結果是否成功，以減少冗余觀察，縮短觀測時間，保證觀測結果的實時性。

RTK定位技術的關鍵在于數據處理和數據傳輸。RTK定位時要求基準站接收機實時地將偽距觀測值、相位觀測值和設定的位置信息傳輸給移動站接收機，數據量非常大，一般要求波特率在9 600以上，這就需要無線電臺、GPRS、以太網、光纖等傳輸。

3 高精度GPS系統設計與安裝

3.1 基準站

基站設備主要由GPS接收機、串口分配器、發射電臺、串口服務器 、交換機、GNSS天線和電臺天線等組成，考慮到10個機械同時用有線網絡與無線電臺傳輸差分共用的穩定性，VNet基站差分串口經一個8路串口分配器，一分八后，一路接給發射電臺去傳輸無線信號，另外幾路接給串口服務器轉成有線信號。

本設計中基站接收機選用中海達三星六頻GNSS接收機VNet6，此款產品是中海達專業北斗參考站接收機高端產品，也是專門針對高精度北斗參考站應用而設計的北斗參考站接收機。它搭載Trimble高精度主板BD970，搭配高精度扼流圈外掛天線，可通過LAN或RS232實時傳輸數據，還配備72個并行接收通道，可接收包括中國北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS在內的多種衛星信號，此外他還內置高性能處理器，可實現50Hz數據輸出頻率，減小移動過程中定位數據的滯后性。

3.2 移動站

移動站安裝在堆場內的取料機和堆料機上。移動站的設備主要包括GPS接收機、雙路串口服務器、交換機、PLC、雙GNSS天線（一個用于定位、一個用于定向）、接收電臺等組成。GPS接收機可同時經接收電臺與外部串口接收基站差分，約定外置串口C為與PLC通信的定位數據串口，服務器中設定此端口為TCP server模式，由PLC的EN2T模塊以TCP Client模式發起連接，以獲取定位數據；約定串口B為有線連接基站差分的串口，以TCP Client模式向基站的串口服務器發起連接。在單機臂架上與臂架平行的方向一前一后安裝兩個GNSS天線，頭部的天線用于定向，通過通訊電纜接至接收機的GNSS2口，尾部的天線用于定位，通過通訊電纜接至接收機的GNSS1口。

本設計中移動站接收機選用中海達的北斗高精度車在定位終端ZDT820，此平板內置android系統，采用天寶OEM主板，集高精度GNSS，電臺，3G模塊于一體，支持三星多頻，定位精度高，信號穩定、操作簡單，界面直觀，可全天候實時提供定位定向信息。GPS天線選用雙頻高增益GNSS天線，安裝時盡量遠離電磁波干擾，避開機械鋼結構的遮擋。無線電臺天線選用RF-35 460M差分雙頻高增益天線，差分天線與衛星接收天線至少相隔5m以上，防止互相干擾。

GPS—RTK高精度測量系統拓撲圖如上圖1所示。為保證基準站與移動站數據傳輸的穩定性和可靠性，我們在GPS基準站與移動站之間設計了兩個獨立的通訊方式：UHF無線傳輸作為主要通信方式，以太網有線傳輸作為備用通訊方式。無線傳輸是指基站接收機將基站信息通過串口傳給發射電臺進行發送，移動站接收電臺接收此信號，移動站接收機再從接收電臺獲取基站信息。有線傳輸是指基站串口服務器通過以太網連接變電所交換機，變電所交換機與堆場單機上的交換機通過光纖傳遞數據，單機上的GPS移動站接收機再通過串口服務器與交換機相連，從而接收基站發來的各種數據?；敬诜掌鹘CP server模式，由堆場單機上的移動端串口服務器以TCP Client模式主動發起連接。

基準站將獲取的位置信息等通過有線或者無線路徑傳送給移動站，移動站根據基站信息和自己接收的衛星信號通過實時差分解算出兩個天線的位置信息。GPS主機將解算出的位置信息通過串口通訊傳送給串口服務器，串口服務器再將其轉換成以太網形式，供PLC讀取。

4 從GPS位置信息到單機行走回轉俯仰數據的轉換

GPS主機解算出的是定位天線和定向天線的位置坐標，而我們現場使用的是每臺機械的行走位置、回轉角度和俯仰角度。這兩種位置的轉換是在PLC中編程實現的。黃驊港堆場的堆料機和取料機使用的都是羅克韋爾公司的ControlLogix系列PLC。PLC專用于GPS數據通信的EN2T通過以太網與串口服務器MOXA連接，PLC作為客戶端不斷地從串口服務器中讀取兩天線的原始位置信息。原始的GSOF格式的位置信息經過程序中的解包換算成PLC可識別的二進制數據；再經過坐標轉換將大地坐標系下的位置轉換到黃驊港本地坐標系（自己設定的坐標系）下的位置；最后根據各堆料機和取料機的固有尺寸和兩天線的安裝位置，計算出各單機回轉中心的X軸（X軸與地面皮帶平行）坐標作為行走數據，兩天線與X軸的夾角作為回轉角度，兩天線與水平面的夾角作為俯仰角度。

通過靜止時觀察GPS位置值的變化，運動中比較GPS值和編碼器值的位移量，我們得出了行走位置精度小于正負1.5cm，回轉俯仰角度精度小于正負0.1°的結論，這可以滿足堆場設備自動作業的要求。

5 結論

GPS-RTK高精度測量系統的安裝運行，為黃驊港堆場單機提供了一種精度高、可靠性高的全新定位方法，他受天氣、環境的影響非常小，克服了傳統定位方式中由于編碼器跳變和誤差不斷積累對堆料機和取料機自動作業的影響，我們可以將原有的編碼器數據和新加的GPS數據設為冗余，當GPS信號有效時選擇GPS數據，當GPS數據無效時自動切換到編碼器數據，這樣可以提高單機位置信息的準確性和可靠性、降低因位置信息有誤對生產造成的影響，為神華黃驊港務公司堆場智能化項目的推進提供堅實的基礎。

參考文獻

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