浅谈信标机/差分GPS/DGPS在挖泥船疏浚施工上的应用
2014-06-17 16:56阅读：
浅谈信标机/差分GPS/DGPS在挖泥船疏浚施工上的应用
摘要：从近几年挖泥船在内河的疏浚施工过程中发现，传统的水上测量放样方法有着许多弊端，耗时较长、放样次数多、易丢失损坏并且精度低，严重影响了挖泥船的施工效率。为了解决这些问题，我们参照海上挖泥船的经验尝试在内河挖泥船安装使用了信标机定位仪，得到了非常好的效果。本文以信标机R330为例，介绍了内河疏浚施工中挖泥船信标机定位仪的特点和应用。
关键字：信标机定位仪，内河，湖泊，挖泥船，应用
信标机所使用的是GPS的一种技术，通过利用国家建立好的无线电信标台进行信号传输，通过在发射信号中添加一个副波，调制修正信号，从而提供以亚米为单位的精确导航定位。
海上挖泥船的重量通常很大，长度较长，同时在海上作业会受到许多干扰，如流速、流向、潮汐、风力和海水深度等，正确的使用信标机定位仪，尽可能的避开这些条件对于施工进度的干扰，加快效率的同时还可以大幅度提高精度。将海上挖泥船使用信标机定位仪的经验运用
到内河的挖泥船施工中，同样可以取得显著的效果。
一、信标机定位仪功能和特点
信标机定位仪通常包括了：GPS天线、接收机、电脑和电源。信标机定位仪是通过沿海航道的基准站发出的信号来进行差分计算，以此来确定接收机的位置坐标和离设定点的垂直距离。信标机定位仪除了接收机、电脑和天线外，还有加装测深仪，和天线和探头一起固定于船头侧部。
信标机定位仪有着以下六个特点：
（1）24小时不间断作业：不会受到天气状况的影响，使数据采集可以不间断的进行。
（2）定位速度快：信标机定位仪以每秒一次的频率接受信号，实时稳定地处理数据，进行精确、快速的定位。
（3）精确度高：测量数据的精度在一米之内。
（4）直观、快捷方便：挖泥船的运行轨迹在显示器直接显示，并且仅需一台GPS就可以进行操作。
（5）兼容性强：方便与多种外接设备连接，如导航设备、雷达与测深仪等。
（6）处理方便：数据经过处理之后，可以得出曲率半径、航段里程、临跨河建筑物与起点的垂直距离、枢纽等数据。在平面图中可做坐标转换、面积等计算。
二、信标机定位仪在挖泥船上的应用优势
Hemisphere
R330信标机作为能自动选择信标台的一款GNSS接收机，无需投资基准站设备即可进行定位，进而实现导航和测量。
在海上施工的挖泥船普遍已经使用了信标机定位仪，不仅可以减少海上作业中的风险，可以提高效率，增加收益。在内河的挖泥船中普及信标机定位仪的使用是必然的趋势。信标机R330的应用范畴与优势有以下几方面：
（1）标准的数据格式与平台：信标机R330具有标准的NMEA0183数据格式，同时可输出专业的数据格式。集成了星站差分、信标差分接收功能，可使用自建差分源，不受地域限制提供高精度实时差分数据。
（2）设置方便：可随时切换差分源，通过面板即可查看GPS及差分状态。
（3）精度：信标机R330定位仪测量得出的结果误差通常在一米内，可以保证施工精度。
（4）频率高：信标机R330类型端口的输出频率最高可达20Hz，并可据需要进行更改。
三、内河中挖泥船施工使用信标机定位仪的优点
内河中挖泥船安装使用信标机后具有以下优点：
1、信标机有助于挖泥船在水面开阔、大风、雨雾天气等不易放样情况下定位，提高开挖精度；
2、夜间、雨雾天气可正常施工，避免漏挖、超挖，提高施工效率,加快施工进度；
3、利用信标机软件可记录开挖区域，进尺、挖宽，计算每日台班产量，并对班组对比分析原因找出差距，增强操作人员的责任心，有针对性的对个别操作人员加强培训提高操作技能。
4、有助于降低挖泥船施工油耗，节省成本，提高效益。
以某工程为例，1600型斗轮式挖泥船安装信标机R330前后的施工数据对比分析发现，在工况相同的前提下，挖泥船施工月产量提高了9%，油耗降低了0.06kg/m3，仅油料一项每方土可节省成本在0.3-0.4元左右，收到了比较好的经济效益。
四、信标机定位仪应用中存在的问题及注意事项
1、信标机天线一般固定在挖泥船前部“A字架”上，与铰刀位置有2~5米的距离，因此信标机采集的坐标与挖泥船铰刀坐标存有差距，且施工中铰刀随挖深变化相对位置不断变化，故当开挖施工区边线时，需要校正边线。
2、为克服用信标机采集的点代表一条挖泥船的局限性，全面完整的显示挖泥船的方位、方向（方位角），可考虑安装电罗经或改装一体化定位定向信标机（Hemisphere
Vector V113或V102）。
3、因挖泥船电流不稳，因此必须安装稳压电源，确保信标机设备安全且防止因突然断电造成的数据丢失。
五、结语
目前，在海上挖泥船使用信标机定位仪已经有比较久的时间，同时海岸信息台性能稳定、精度较高、操作简单且成本较低，这使得在海上施工的挖泥船使用信标机定位仪有了良好的基础。随着国内内河、湖泊中信标机技术、软硬件设施的日趋完善，挖泥船等内河挖泥疏浚船舶使用信标机定位仪将会越来越广泛。
相关GPS信标机设备简介
一、Hemisphere R330专业海洋信标接收机（多模GNSS
RTK、高精度接收机）
产品详情
R330™GNSS接收机是一个集成于小盒子中却可提供完整解决方案的产品。R330采用Hemisphere
GNSS公司Eclipse™平台和我们最新的GNSS专利技术。R330通过使用诸如RTK、 L-band
DGNSS (VBS/HP/XP/G2)
和信标等多种校正方法提供了精确的定位功能。
R330
GNSS接收机在任何高精度要求的海洋或者陆地应用中，都工作性能良好。基准站被配置为L1 GNSS,
10Hz和原始数据，全功能基站可升级为L1/L2 GNSS, 20Hz,
RTK, L-band和信标，兼容R330的GNSS天线包括A21™, A31™,
A42™, A43™和A52™。
全新的R330™GNSS接收机将超过它的前继产品，并提供了一个友好的用户体验。它具有Hemisphere
GNSS独家Eclipse
SureTrack™技术，从而保证了接收机处于流动站跟踪到的卫星载波模型中，这使得操作人员可以在无基准站修正信息时继续工作。
R330 GNSS接收机关键优势：
•RTK, GNSS, L1/L2 GNSS, SBAS,
信标和L-band高精度定位
•SureTrack技术改善了RTK性能
•在恶劣环境中更少的RTK飞点
•更好的周跳检测技术带来了更加快速的重捕获和更加强大的解决方案
•状态指示灯和菜单系统保证了R330极易使用和配置
•高达20Hz的数据更新率提供了最佳的机械控制和指导
•长达50 km的RTK基线
•可使用标准的USB闪存设备用于数据记录
版权2013，Hemisphere GNSS. 保留所有权利.
规格如有变更恕不另行通知.
详细参数
GPS性能规格
|
接收类型
|
GNSSL1&L2，RTK带载波相位
|
可接收信号
|
GPS，GLONASS和BeiDou④
|
通道数
|
270
|
SBAS跟踪
|
3通道，并行跟踪
|
更新率
|
标准10Hz，20Hz可选
|
RTK
|
10 mm +
1 ppm 20 mm + 2
ppm
|
SBAS
(WAAS)
|
②0.3 m 0.6
m
L-band DGPS：0.3
m 0.6 m
码差分GPS：0.3 m 0.6
m
L-band L1/L2：0.15
m 0.3 m
|
授时（1PPS）精度
|
20纳秒
|
冷启动
|
<60秒（无历书或时钟）
|
温启动
|
<30秒典型（有历书或时钟）
|
热启动
|
<10秒典型（有历书、时钟和位置）
|
航向修正
|
差分类型：SBAS, 自主,
外部RTCM, RTK, L-band
(VBS/HP/XP/G2)③
|
最大速度
|
1850公里/时（999海里/时）
|
最高海拔
|
18288米（60000英尺）
|
信标性能规格
|
通道数
|
2通道并行跟踪
|
频率范围
|
283.5–325.0
kHz
|
作业模式
|
手动，自动和数据库
|
协议
|
EN50081-4-2
ESD
|
L-band
DGNSS/HP/XP性能规格
|
灵敏度
|
-
130dBm
|
信道间隔
|
7.5
kHz
|
卫星选择
|
手动和自动
|
重捕获时间
|
15秒（典型）
|
抑制
|
15
kHz间距> 30 dB，
300kHz间距> 60 dB
|
通讯
|
串行端口
|
2个全双工 3.3V
CMOS
|
USB端口
|
1个USB
Host，1个USB Device
|
波特率
|
4800 -
115200
|
校正输入/输出协议
|
差分输入/输出协议：Hemisphere GPS专用,RTCM v2.3
(DGPS), RTCM v3, CMR,
CMR+①
|
数据输入/输出协议
|
NMEA0183，Crescent
二进制③
|
授时输出
|
1PPS
CMOS，低电频，同步上升，10Ω，10pF负荷
事件触发输入：CMOS，低电频，同步下降，10Ω，10pF负荷
|
电源
|
输入电压
|
8 -
36 VDC
|
功率消耗
|
3.8 W
额定(WAAS和信标)
4.6 W额定
(L-band)
|
电流
|
315
mA额定(WAAS和信标)
383 mA
额定 (L-band)
|
电源隔离
|
天线电压输出：5
VDC 最大 80mA
|
反极性保护
|
天线增益输入范围：10-40
dB
|
天线电路保护
|
天线短路保护：是
|
天线输入阻抗
|
50Ω
|
环境
|
工作温度
|
- 40℃至+
70℃（- 40°F到+ 158°F）
|
储存温度
|
- 40℃至+
85℃（- 40°F到+ 185°F）
|
湿度
|
95%无冷凝（集成到系统中）
|
冲击和振动
|
机械冲击：EP455Section
5.14.1
作业（用螺钉旋孔安装在一个外壳）EP455
振动：Section5.15.1随机
|
EMC
|
CE (IEC
60945 Emissions and
Immunity)
FCC Part
15, Subpart B
CISPR22
|
物理
|
尺寸
|
17.8长×12.0宽×4.6高（cm）
|
重量
|
645
g
|
状态指示（LED）
|
电源，GPS锁定，差分锁定，DGPS定位，L-band锁定
|
电源/数据连接器
|
2-pin 金属
ODU
|
天线连接器
|
TNC-公头，直形
|
二、Hemisphere V113专业GPS信标一体罗经
(专业定向和定位智能天线，支持NMEA0183和NMEA2000)
Vector V103 Vector
V113
Vector ™V103™GPS
Compass系列以其精湛的定向和定位性能，通过了国际海洋组织的认证；全新的，坚固密封IP69等级设计可以挑战最恶劣的环境。它采用固定杆安装极易应用于海洋和陆地领域。Vector
V103系列同时适用于商业和专业海洋市场，以及可应用于露天采矿、建筑和其他领域。
V103和V113采用Hemisphere
GPS最新的Crescent和Vector创新技术。新的复合偶极子低多径天线保持相位中心间50厘米的天线距，从而提供了优于0.3°RMS的定向精度，同时在使用SBAS（EGNOS，MSAS和WAAS）或信标修正时可达到95%观测时间内小于60厘米的定位精度。
V103和V113同时支持NMEA
0183和NMEA 2000协议，从而保证了于Hemisphere
GPS信息传输的无缝兼容，Crescent
Vector技术提供了精确和连续的指标性能，这包括位置、航向、起伏、纵摇和横滚。V103系列的高稳定性和自主式设计在一部分成本上取代了传统陀螺仪加单GPS的配置。内置电子罗经，能在卫星信号短时间中断的情况下保持稳定的航向，比船用磁罗经的精度要高出几倍或十几倍，可以直接代替船用磁罗经，用于抓斗式、绞吸式和链斗式挖泥船的施工导航中，能完全排除磁罗经误差带来的施工误差。
Vector V103和V113 GPS
Compass关键优势：
•国际海洋组织认证通过的专业定向设备（THD）
•专业定向精度< 0.3°rms
•差分定位精度<60 cm rms
@95%
•起伏< 30 cm rms
•纵摇和横滚< 1°rms
•可靠的IP69智能天线外壳设计
•在GPS意外中断时可连续准确定向达3分钟
•COAST技术可在差分信号缺失情况下连续保持40分钟甚至更长时间的的差分定位精度
•集成陀螺仪和倾斜传感器可提供快速启动时间，并在临时缺失GPS信号时提供航向更新信息
•高灵活性，易于集成的NMEA0183和NMEA2000数据接口
版权2012，Hemisphere GPS. 保留所有权利.
规格如有变更恕不另行通知.
详细参数
GPS性能规格
|
接收类型
|
L1，C/A码带载波相位平滑
|
可接收信号
|
信号跟踪：双GPS
L1并行跟踪设计
|
GPS灵敏度
|
-
142dBm
|
SBAS跟踪
|
2通道，并行跟踪
|
更新率
|
标准20Hz
|
水平精度
|
< 0.6 米
95% 置信度(DGPS ①)
< 2.5 米 95% 置信度
(自主定位，无SA ②)
|
定向精度
|
<
0.30˚rms
|
起伏精度
|
30厘米rms⑥
|
授时（1PPS）精度
|
50纳秒
|
转弯率
|
最大至90˚/S
|
罗盘安全距
|
0.75
厘米（带外壳）⑤
|
冷启动
|
<60秒（无历书或时钟）
|
温启动
|
<
20秒典型（有历书或时钟）
|
热启动
|
<1秒典型（有历书、时钟和位置）
|
航向修正
|
航向锁定：<
10秒典型（有效定位）
|
最大速度
|
1850公里/时（999海里/时）
|
最高海拔
|
18288米（60000英尺）
|
纵摇/横滚精度
|
<
1˚rms
|
信标性能规格
|
通道数
|
2通道，并行跟踪
|
频率范围
|
283.5–325
kHz
|
作业模式
|
手动，自动和数据库
|
协议
|
IEC
61108-4信标标准
|
L-band
DGNSS/HP/XP性能规格
|
通讯
|
串行端口
|
1个全双工RS 232端口，1
个全双工RS-422 端口和1个半双工RS-422
(仅Tx)
|
波特率
|
4800 -
115200
|
校正输入/输出协议
|
RTCM v2.3
(DGPS), RTCM SC-104,
L-Dif③
|
数据输入/输出协议
|
NMEA0183，NMEA2000，Crescent
二进制③，L-Dif
|
授时输出
|
1PPS
CMOS，低电频，同步下降，10Ω，10pF负荷
航向警告输入/输出：当航向无效时开启传递系统
|
电源
|
输入电压
|
6–36
VDC
|
功率消耗
|
V103:3 W 额定
V113:3.3 W 额定
|
电流
|
V103：320 mA @
9 VDC
240
mA @ 12 VDC
180 mA @ 16
VDC
V113：350 mA
@ 9 VDC
265
mA @ 12 VDC
200 mA @ 16 VDC
|
电源隔离
|
与附件绝缘
|
反极性保护
|
是
|
环境
|
工作温度
|
- 30℃至+ 70℃（-
22°F到+ 158°F）
|
储存温度
|
- 40℃至+ 85℃（-
40°F到+ 185°F）
|
湿度
|
95%无冷凝
|
外壳等级
|
国际海洋组织认证:
是⑦
|
冲击和振动
|
振动：IEC
60945
|
EMC
|
CE (IEC 60945
Emissions and
Immunity)
FCC Part
15, Subpart B
CISPR22
|
物理
|
尺寸
|
66.3长×20.9宽×14.6高（cm）
|
重量
|
V103：2.1 kg
V113：2.4
kg
|
状态指示（LED）
|
电源
|
电源/数据连接器
|
18-pin
密封
|
辅助设备
|
陀螺仪
|
提供航向平滑、快速定向重捕获和可靠性<1˚每分钟，当GPS信号缺失时，连续定向时间可长达3分钟④
|
倾斜传感器
|
提供纵摇和横滚数据，在定向解决方案中协助提供快速启动和重捕获
|
备注
|
备注
|
①取决于多路径环境中，可见卫星数，卫星几何分布，基线长度（仅为当地服务）和电离层活跃程度；
②取决于多路径环境中，可见卫星数和卫星几何分布；
③Hemisphere GPS专利；
④在静态测量条件下；
⑤当产品被放置在附近有转向磁罗盘时，这是最小安全测量距离。ISO 694标准定义“附近”
是相对于罗盘有5米（16.4英尺）的天线距；
⑥基于一个40秒的时间常数；
⑦仅NMEA0183
|
欲了解更多相关专业信息请联系：
北京创宇星通科技有限公司（专业挖泥船疏浚施工方案及定位设备提供商）
地址：北京市海淀区学院南路68号吉安大厦A座502室
联系人：李继 电话：0
1 0-8 8 5 7 1 0
9 4/95/96-207 手机：1 3 7
1 7 6 9 2 0 7
9
QQ：3
6 2 5 9 9 8 3
5
网址：http://www.cyxt.com
