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

莫文暉，韋長算，於永東，韓偉浩

(1.廣州中海達定位技術(shù)有限公司，廣州　511400；2.廣州中海達衛(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，韋長算2，於永東2，韓偉浩1

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

摘要：針對傳統(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陸地打樁車上利用GNSS導(dǎo)航定位中的RTK作業(yè)模式進行平面與高程引導(dǎo)控制的方案，并配合軟件引導(dǎo)車輛司機的快速作業(yè)；闡述本方法的原理與系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)特性做了實測對比分析與驗證；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)用越來越廣泛，從傳統(tǒng)的航天、測繪、地理信息、海洋，到地質(zhì)監(jiān)測、地基增強、機械控制、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)星實現(xiàn)星間鏈路建立，加速了我國在衛(wèi)星導(dǎo)航行業(yè)應(yīng)用化領(lǐng)域的推動。如今，在工程機械領(lǐng)域的陸地打樁機上，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)，提高打樁機作業(yè)的精確度與速度效率，提供一種了“先進的生產(chǎn)力的發(fā)展方式”。打樁機用于風力發(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，項目時間緊迫，施工質(zhì)量要求嚴格等情況。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)原理簡介

打樁機引導(dǎo)控制系統(tǒng)使用GNSS實時動態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)定位技術(shù)、傳感器技術(shù)和定制軟件，實現(xiàn)對打樁作業(yè)平面位置、樁頂標高的精準實時測量，并對比設(shè)計坐標給出提示作業(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)基準站，校準控制點，通過基站差分信號實時通信傳遞給車載移動站，實時解算出高精度定位結(jié)果。車載傳感器可實時監(jiān)控樁錘的抬高與降低距離，并校準積累誤差，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)的基準站部分主要由GNSS基準站接收機實時觀察基準點的衛(wèi)星信號，并與已知基準坐標點進行比對計算出差分修正數(shù)據(jù)輸出[3-4]。

而通信數(shù)據(jù)鏈路可由各種無線通信設(shè)備組成(如電臺或3G移動網(wǎng)等)，需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r穩(wěn)定與可靠性[7-8]，它負責實時將基準站接收機輸出的差分數(shù)據(jù)傳輸至車站終端部分，數(shù)據(jù)的實時連續(xù)與否直接影響到車載定位接收機的解算精度。

車載終端部分主要由兩臺GNSS移動站接收機、高程位置傳感器、平板顯示終端、打樁軟件等組成，兩臺衛(wèi)星接收機實時接收衛(wèi)星信號和來自基準站的差分數(shù)據(jù)，以通過RTK算法解算出厘米級精度的點位坐標，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位置，實時檢測樁錘的上升與下降相對高度，數(shù)據(jù)同樣輸入打樁軟件進行處理；打樁軟件可推算出樁心點坐標和目前打樁高程，并計算出與設(shè)計樁點的平面位移差值、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樁心坐標的推算

樁心平面坐標C點的(x，y)計算如圖2所示示意圖，A與B為兩個GNSS定位出的已知點A(xA，yA)，B(xB，yB)，C(xC，yC)為需要計算的樁心坐標點，而車頂橫桿上A與B為相對固定的位置，因此AB直線L1為一個常數(shù)，用測量儀器測出。再根據(jù)點到直線的距離原理，C點與AB直線的距離即垂線L2交L1與點M，則同樣可測出LAM、LBM、LCM的長度，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，AMB為X軸，MC為Y軸建立直角坐標系，可由A、B兩個已知點推算出樁心C(xC，yC)點的平面坐標，平面軟件將這個樁心平面坐標與實際導(dǎo)入的設(shè)計坐標進行相減，差值即為需要提示司機的剩余作業(yè)距離。

圖2　樁心位置的推算示意圖

1.4樁高的計算

樁高計算包含以下五個參數(shù)：接收機天線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)計高程H0。

H1為衛(wèi)星定位接收機實測出的高程，在某一點位固定不變。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)，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接收機的固定高差，此時若要計算某一時刻打的樁的高程值，可用H1減去常數(shù)A1，再減位移編碼器的實時讀數(shù)B1，可獲得當前樁頂?shù)膶崟r高程，最后與設(shè)計高程H0比較，計算應(yīng)該繼續(xù)打樁的深度值，給予司機引導(dǎo)。

即某一時刻應(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)計樁位高程。

圖3　樁高推算示意圖

2打樁軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1軟件設(shè)計工作流程

軟件設(shè)計遵循簡單易用原則，首先，需要設(shè)置幾個參數(shù)為

1)工作當?shù)氐淖鴺讼到y(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)；

2)定位接收機和外接傳感器的連接參數(shù)；

3)接收機與樁頭的相對位置模型參數(shù)。

系統(tǒng)工作時先導(dǎo)入設(shè)計好的樁點位置數(shù)據(jù)，根據(jù)已知點位的平面坐標和高程，進行初次平面與高程的校準，完成之后圖形界面選擇要打的樁，系統(tǒng)自動提示車輛到選中樁位置要移動的方向與距離。按系統(tǒng)指引到達指定位置之后就可以進行打樁工作，打樁過程中系統(tǒng)會提示還需要打樁的深度，打到讀數(shù)為0止，再進行下一根打樁工作。在打樁過程中可進行抽檢對比工作，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的特點，調(diào)整距離、指引車輛移動[9]。樁頭與樁的設(shè)計值之間的距離a會分解到樁頭的運動方向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)計與相關(guān)參數(shù)指示如圖6所示。

圖6　軟件界面的設(shè)計

3系統(tǒng)數(shù)據(jù)的搜集對比與分析

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

一項陸地打樁施工作業(yè)，通常需要一個測量人員粗略放樣設(shè)計點位、一個樁車司機駕駛車輛并操作打樁，一至兩個工人協(xié)助吊樁，一個校高員負責用測量儀器測高，一個吊鉛錘人員負責協(xié)助瞄準平面點位。若使用本套系統(tǒng)，可無需高程測量人員與平面瞄點人員的工作，系統(tǒng)自動計算完成指引，即可由原來的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

3.2在使用本系統(tǒng)前后的打樁速率統(tǒng)計

傳統(tǒng)方式為采用人工吊鉛錘的方式對點，用水準尺觀測，測定高程，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記與人工對點的時長，采用粗略放樣與自動化引導(dǎo)對點，大大節(jié)省了單根打樁作業(yè)的時間，系統(tǒng)對比測試，得出表2數(shù)據(jù)。

表2　打樁速率數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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

RTK技術(shù)采用載波相位動態(tài)實時差分的方法，理論實時測量平面精度在±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)的實際打樁數(shù)據(jù)與設(shè)計樁的坐標(x、y、h)核對如下：

通過表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　樁位核對數(shù)據(jù)

圖7　打樁后的陣列效果

4結(jié)束語

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)得到厘米級高精度的定位結(jié)果，配合傳感器實時精確測量樁高，利用打樁軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的自動化，打樁定位過程中的樁中心平面位置的定位、樁頂標高控制等一系列實時定位信息的處理均由程序自行完成，并給予施工司機以引導(dǎo)信息，相比較傳統(tǒng)的人工逐點測量方法，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：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0122-04

作者簡介：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)集成項目研究工作。

收稿日期：2015-11-06

引文格式：莫文暉，韋長算，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)航定位學報，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.