高精度GPS在港口机械定位中的应用

张治华

摘 要 随着神华黄骅港务公司堆场智能化项目的开展，堆场机械全自动作业对自身位置的准确性和精确性提出了更高的要求。现有的绝对值编码器已经无法满足这种要求，因此本设计在堆场机械上安装了一套带有双天线的高精度GPS定位系统，通过PLC将双天线的定位信息换算成单机行走、回转、俯仰的位置信息。GPS位置信息和编码器位置信息互为冗余，从而保证了单机安全高效的自动运行。

关键词 高精度GPS；RTK；定位；编码器

中图分类号 U65 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0148-02

1 设计背景

随着煤炭市场的逐步回暖、下水量的不断增加，神华黄骅港务公司正积极推进堆场智能化改造项目，将堆场的堆料机和取料机逐步改为远程自动操控，从而减轻操作员的劳动强度，提升作业效率。自动作业归根结底还是要控制单机的行走、回转、俯仰速度和要到达的目标位置，因此一套准确可靠的位置信息是自动作业的基础。

黄骅港务公司现有的堆料机和取料机是靠绝对值编码器来实现定位的。这种编码器存在以下3方面的问题：

1）为了提高绝对值编码器的精度，就需要设置更多的输出位。现场编码器信号大部分是通过电缆并行输入到PLC数字量输入模块的，每一位输入信号都必须确保连接良好，输入正确，才能保证编码器数值的正确性。因此位数越多，精度越高，但是可靠性越差。

2）每台取料机、堆料机的行走距离大概是1 200m，行走编码器都是安装在行走轮上，由于地面沉降或者轨道断裂造成的轨道上表面高低不平，摩擦力不均，如果出现行走轮打滑现象或者其他外力作用导致机械平移，这些都会导致行走数据不准，此外行走轨道上的数据校正点很少且缺乏周期性的检查，因此长年累月的积累就会造成误差越来越大。回转和俯仰编码器都是通过齿轮组相连，同轴度调整不好或者长期磨损导致断齿就会使回转、俯仰编码器产生误差，且回转、俯仰编码器校正装置缺失。

3）堆场智能化项目要求堆料机、取料机可以实现自动对垛对层功能，这就需要建立一个统一的三维坐标系。但是所有单机的编码器之间都是独立的，没有一个相同的零点，显然不能满足自动作业的要求。

综上所述，黄骅港务公司急需一套有统一标准的、可靠的高精度定位系统。基于载波相位观测值的实时动态定位技术的高精度GPS可以完美的解决堆场取料机和堆料机的定位问题。

2 RTK——实时动态差分定位

以前普通的GPS静态、动态测量精度很差，为了提高精度就需要在测量后对数据进行解算处理，这又严重损害了实时性，无法满足实时精确定位的要求。

现在随着RTK测量技术的日益成熟，GPS定位的精确度、实时性、高效性都有了显著的提高。RTK定位技术采用载波相位观测值，在RTK工作模式下，基准站的GPS接收机对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并通过无线电台等将观测值与本身坐标信息一起传给移动站，移动站的GPS接收机不仅通过无线电台等接受来自基准站的数据，还接受GPS卫星信号，并利用基准站与移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，能够实时地提供观测点在指定坐标系下的三维定位信息，精度可达到厘米级，且整个解算过程不足1秒钟。这样通过实时计算的定位信息，便可检测基准站与移动站观测结果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功，以减少冗余观察，缩短观测时间，保证观测结果的实时性。

RTK定位技术的关键在于数据处理和数据传输。RTK定位时要求基准站接收机实时地将伪距观测值、相位观测值和设定的位置信息传输给移动站接收机，数据量非常大，一般要求波特率在9 600以上，这就需要无线电台、GPRS、以太网、光纤等传输。

3 高精度GPS系统设计与安装

3.1 基准站

基站设备主要由GPS接收机、串口分配器、发射电台、串口服务器 、交换机、GNSS天线和电台天线等组成，考虑到10个机械同时用有线网络与无线电台传输差分共用的稳定性，VNet基站差分串口经一个8路串口分配器，一分八后，一路接给发射电台去传输无线信号，另外几路接给串口服务器转成有线信号。

本设计中基站接收机选用中海达三星六频GNSS接收机VNet6，此款产品是中海达专业北斗参考站接收机高端产品，也是专门针对高精度北斗参考站应用而设计的北斗参考站接收机。它搭载Trimble高精度主板BD970，搭配高精度扼流圈外挂天线，可通过LAN或RS232实时传输数据，还配备72个并行接收通道，可接收包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS在内的多种卫星信号，此外他还内置高性能处理器，可实现50Hz数据输出频率，减小移动过程中定位数据的滞后性。

3.2 移动站

移动站安装在堆场内的取料机和堆料机上。移动站的设备主要包括GPS接收机、双路串口服务器、交换机、PLC、双GNSS天线（一个用于定位、一个用于定向）、接收电台等组成。GPS接收机可同时经接收电台与外部串口接收基站差分，约定外置串口C为与PLC通信的定位数据串口，服务器中设定此端口为TCP server模式，由PLC的EN2T模块以TCP Client模式发起连接，以获取定位数据；约定串口B为有线连接基站差分的串口，以TCP Client模式向基站的串口服务器发起连接。在单机臂架上与臂架平行的方向一前一后安装两个GNSS天线，头部的天线用于定向，通过通讯电缆接至接收机的GNSS2口，尾部的天线用于定位，通过通讯电缆接至接收机的GNSS1口。

本设计中移动站接收机选用中海达的北斗高精度车在定位终端ZDT820，此平板内置android系统，采用天宝OEM主板，集高精度GNSS，电台，3G模块于一体，支持三星多频，定位精度高，信号稳定、操作简单，界面直观，可全天候实时提供定位定向信息。GPS天线选用双频高增益GNSS天线，安装时尽量远离电磁波干扰，避开机械钢结构的遮挡。无线电台天线选用RF-35 460M差分双频高增益天线，差分天线与卫星接收天线至少相隔5m以上，防止互相干扰。

GPS—RTK高精度测量系统拓扑图如上图1所示。为保证基准站与移动站数据传输的稳定性和可靠性，我们在GPS基准站与移动站之间设计了两个独立的通讯方式：UHF无线传输作为主要通信方式，以太网有线传输作为备用通讯方式。无线传输是指基站接收机将基站信息通过串口传给发射电台进行发送，移动站接收电台接收此信号，移动站接收机再从接收电台获取基站信息。有线传输是指基站串口服务器通过以太网连接变电所交换机，变电所交换机与堆场单机上的交换机通过光纤传递数据，单机上的GPS移动站接收机再通过串口服务器与交换机相连，从而接收基站发来的各种数据。基站串口服务器建立TCP server模式，由堆场单机上的移动端串口服务器以TCP Client模式主动发起连接。

基准站将获取的位置信息等通过有线或者无线路径传送给移动站，移动站根据基站信息和自己接收的卫星信号通过实时差分解算出两个天线的位置信息。GPS主机将解算出的位置信息通过串口通讯传送给串口服务器，串口服务器再将其转换成以太网形式，供PLC读取。

4 从GPS位置信息到单机行走回转俯仰数据的转换

GPS主机解算出的是定位天线和定向天线的位置坐标，而我们现场使用的是每台机械的行走位置、回转角度和俯仰角度。这两种位置的转换是在PLC中编程实现的。黄骅港堆场的堆料机和取料机使用的都是罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC。PLC专用于GPS数据通信的EN2T通过以太网与串口服务器MOXA连接，PLC作为客户端不断地从串口服务器中读取两天线的原始位置信息。原始的GSOF格式的位置信息经过程序中的解包换算成PLC可识别的二进制数据；再经过坐标转换将大地坐标系下的位置转换到黄骅港本地坐标系（自己设定的坐标系）下的位置；最后根据各堆料机和取料机的固有尺寸和两天线的安装位置，计算出各单机回转中心的X轴（X轴与地面皮带平行）坐标作为行走数据，两天线与X轴的夹角作为回转角度，两天线与水平面的夹角作为俯仰角度。

通过静止时观察GPS位置值的变化，运动中比较GPS值和编码器值的位移量，我们得出了行走位置精度小于正负1.5cm，回转俯仰角度精度小于正负0.1°的结论，这可以满足堆场设备自动作业的要求。

5 结论

GPS-RTK高精度测量系统的安装运行，为黄骅港堆场单机提供了一种精度高、可靠性高的全新定位方法，他受天气、环境的影响非常小，克服了传统定位方式中由于编码器跳变和误差不断积累对堆料机和取料机自动作业的影响，我们可以将原有的编码器数据和新加的GPS数据设为冗余，当GPS信号有效时选择GPS数据，当GPS数据无效时自动切换到编码器数据，这样可以提高单机位置信息的准确性和可靠性、降低因位置信息有误对生产造成的影响，为神华黄骅港务公司堆场智能化项目的推进提供坚实的基础。

参考文献

[1]杨文博.基于编码器与GPS的单机俯仰角度双重定位系统的设计与实现[J].电子世界，2015（24）：129.

[2]李长安.堆取料机空间防碰撞系统设计与实现[J].硅谷，2012（21）：67-69.

[3]徐娅娅.全球定位系统（GPS）实时动态（RTK）技术在公路勘测设计中的应用研究[D].西安：长安大学，2006.