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无人船配合RTK测量系统及试验的探讨

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2017/12/28来源:《建筑学研究前沿》2017年第20期文/邹友锋
[导读]目前,RTK技术已经渗入到国民经济和社会生活的各个方面,并且正在发挥着越来越重要的作用。

上海泓源建筑工程科技股份有限公司? 上海? 201707
摘要:针对浅水、未知、污染等困难地区的水深测量,研制了一种无人船水深测量系统。该系统包括岸基(母船)控制单元和测深船单元,其中岸基控制单元利用无线电遥控测深船走航测量并实时接收测量数据,测深船单元搭载GPS、电子罗盘、声学测深仪和主控系统。验证了无人船用于水深测量的可行性和实用性。由于RTK实时动态测量具有实时、高效的特点,在许多领域都得到了广泛的应用,但在测量成果的精度和可靠性方面,从其诞生之日起就充满了争议。RTK技术的出现,几乎完全改变了传统地控制测量方法,然而RTK的测量技术还存在一定的局限性,RTK的关键技术是初始整周模糊度的快速解算,数据链传输的高可靠性和强抗干扰性0RTK系统原理虽然很复杂,但从应用角度来讲,还是相当简单和方使的,只要有足够数量的卫星且具有较好的几何分布,并且基准站与移动站间的数据通讯良好,就可以进行测量。目前,RTK技术已经渗入到国民经济和社会生活的各个方面,并且正在发挥着越来越重要的作用。
关键词:无人船;RTK;试验

??????? 前言
??????? 本文研制了一种适用于困难区域水深测量的无人船水深测量系统。该系统包括岸基(母船)控制单元和测深船单元。其中,测深船单元搭载双频GPS-RTK、电子罗盘、单波束声学测深仪和控制系统,岸基控制单元利用无线电遥控测深船进行走航测量。声学测深仪安装于测深船底部,其上方对应安装着GPS-RTK天线,测深船走航测量的经纬度与水深三维测量数据通过主控系统实时回传到岸基控制单元,并自动存储于测深船的存储单元。
??????? 1 研制的无人船水深测量系统
??????? 由岸基控制单元和测深船两个单元组成,共计包括双体船、推进、船载主控、测量、电源、无线传输、岸基控制软件等7个分系统
??????? 1.1 两个单元本系统的岸基控制和测深船两个单元之间采用无线通讯。
??????? (1)岸基控制单元,岸基控制单元是由笔记本电脑和通讯单元组成的,依托陆地或母船进行测深船的命令发射和信息接收,另外包括RTK基站。利用图形界面控制软件,实现测深船相关控制功能,并将接收到船体运行参数(经纬度、航向、俯仰角、横滚角)与水深数据,进行实时显示。岸基控制单元与测深船单元之间通过无线电进行通讯,而RTK基站与流动站的通讯,与常规RTK工程测量的设置传输相同,使用其数传电台,构成通讯数据链,与前者无数据交互、互不干扰
??????? (2)测深船单元由于水深测量要求平台具有一定的稳定性,因此测深船采用双体船结构,其长度为2.7m,宽为1.35m,重约为130kg,搭载了GPS、电子罗盘、测深仪、无线通讯模块等,可满足三级海况以下作业。
??????? 1.2 7个分系统
??????? (1)双体船,双体船是由两个PVC浮体和不锈钢框架组成,将电池仓放置在中前位置,推进系统置于尾部,各测量元件装置于水密箱,固定在不锈钢框架上,这种开放式的结构易于设备拆卸、船体运动平衡的配重调节。
??????? (2)推进系统,推进方式采用单推进器矢量推进方式,由推进器和旋转推进器作用轴的舵机组成。利用单片机控制24V400W水下推进器正转、反转、停止、加速、减速,实现船体前进、后退、停止、加速、减速;舵机由一个步进电机和推进器作用轴组成,通过旋转该作用轴改变推进方向,从而控制船体航行方向,旋转范围为0~180
??????? (3)船载主控系统,基于PC104总线的PCM-9375单板计算机作为主控计算机,配合PCM-3643的8端口RS-232扩展卡,采用模块化的集成方式,以RS-232串口连接推进器单片机控制器、无线模块、GPS、测深仪、电子罗盘,具有即插即用的优势,方便传感器的更换与扩展。船载主控系统可实现采集、处理、记录和向岸基控制单元发送所测量的数据,接收岸基控制命令或根据预编程任务,向推进单元下达控制命令,并接收推进器控制命令的响应回执,采样频率均为1Hz。
??????? (4)测量系统测量单元是由NovAtelOEMIII双频GPS、Honeywell三维电子罗盘和中海达HD-360测深仪组成,以实时测量测深船位置、速度、航向、俯仰、横滚和水下深度。
??????? (5)电源,考虑到强弱电流的相互干扰,将推进器供电与其他供电分开,使用2个12V100AH铅酸蓄电池串联构成24V推进器供电电源,使用1个12V20AH铅酸蓄电池为其他单元供电,理论上可保证测深船连 续工作5h。
??????? (6)无线传输系统,为了不干扰岸基控制命令接收和测量数据的发送,采用两对频率433MHz的无线模块,独立传输可控制命令和测量数据,有效传输范围为2km,实现独立收发控制和传感器信息。
??????? (7)岸基控制软件,利用MatlabGUI编写岸基控制软件,实现回传的GPS、水深和船体姿态的实时显示,实现测深船轨 迹显示和水深随时间的变化情况,可实现推进器的前进、后退、停止、加速、减速和转向命令的下达。
??????? 2 RTK定位技术定义
??????? RTK技术是地质测量中的一个新的里程碑,它大大地提高了测量效率并开拓RTK新应用领域。RTK从根本上改变了测晕工作的传统作业方式,RTK定位技术以精度高、速度快、费用省,操作简便等优良特性被广泛应用于控制测量、水利工程测量、矿山测量、地形测量、城市规划测量、土地勘测定界测量等等当中。特别为水利工程测量提供了十分有力的条件。
??????? 2.1 RTK技术优点
??????? (1)高效率:在一般地形下,RTK测量站的高质量建立在4、5公里半径范围内,大大减少了传统测量的控制点和测量仪表的数量。只有一个操作员,在几秒钟的电磁环境下快速点坐标和标高。操作速度,降低操作人员的劳动强度,节约成本,提高劳动效率。
??????? (2)定位精度高,安全可靠,无误差积累,只要符合RTK的基本条件,在一定的工作范围内(4公里),RTK平面精度和高程精度可以达到cm级。
??????? (3)降低操作条件的要求:RTK技术不需要两个通道,只需要“电磁波传递”。因此,与传统的测量相比,RTK技术通过能见度条件下,可见性和气候,季节和限制小,等因素的影响在传统的测量似乎是由于复杂的地形,地形障碍困难取决于该地区,只要满足RTK的基本条件,它还可以轻松快速高精度定位操作。
??????? (4)RTK是一种自动、集成和强大的测量和测绘。RTK能够进行多种国外测绘。使用在控制系统中建立的软件,能自动实现各种测量和映射功能,无需人工干预,大大减少辅助测量工作,减少常规测量仪表的人工操作误差,确保操作精度。
??????? (5)操作简单,使用方便,数据处理能力强,只要简单的设置在车站执行,测量结果数据或坐标放样可以通过行走获得。数据输入、存储、处理、转换和输出能力,容易导入计算机,手书容易学习。
??????? 无人船水域测量系统,是河流、湖泊、海岸、河湾、水库作为一个目标,如无人驾驶船舶的水、综合GNSS系统、陀螺仪、声纳系统、ADCP、CCD照相机、水下摄像机和其他高精度的传感器设备。利用导航、通信和自动控制软件和设备,通过收集数据和控制和遥控操纵和控制无人驾驶船和其他传感器,在无人舰艇岸基实时接收、处理和分析系统中使用。
??????? 3 结束语
??????? 研制的无人船水深测量系统,作为原理样机,通过湖试与海试,验证了无人船用于水深测量的可行性与实用性。然而,在试验中,也显现了一些不足之处,例如船体精确操控、散热,这些内容有待进一步提高。另外,由于条件限制,在舟山海试水深测量中,没有布设RTK,仅使用GPS的单点平面定位数据和测深仪单点测深数据,未来用于工程水深测量,将使用RTK开展水深测量无人船水深测量系统的控制系统设计理念是以RS-232串口模块化方式连接各测量传感器,方便于测量单元的更换、升级和扩展,例如增加传感器CTD、流速计,用于海表面温、盐、流等相关海洋测量。由于无人船工作于水面,其水密、耐压等级要求较低,并可以使用无线电通讯,控制方式可以遥控,也可以自动控制,使其在局部区域海洋测绘工作中具有明显技术优势。这种具有无人、可控、可扩展、自动等特点的海洋观测平台,已经成为现代海洋观测技术的一个重要发展方向本系统可以最大程度上填补水域测量、调查领域载人船无法到达或不易达到的危险、浅滩、近岸等空白区域,真正做到高精度、智能化、高效益的单人(或双人)工作模式。
参考文献
[1]李素江,董 江,裴文斌,等.RTK三维水深测量精度分析及试验验证[J].海洋测绘,2012,32(5):22-24.
[2]李凯锋,欧阳永忠,陆秀平,等.基于GPS精密单点定位技术的水深测量[J].海洋测绘,2009,29(6):5-8