CN106199664A - 一种gps‑rtk和电子罗经组成的工程船舶定位方法 - Google Patents

Abstract

一种GPS‑RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法。包括如下步骤：(1)施工前期准备；(2)施工区域地形和已知控制点复核；(3)测量仪器检查和检测；(4)架设GPS电台基准站与树立施工水尺；(5)架设GPS电台移动站，根据已知控制点校核GPS电台移动站；(6)校核GPS电台基准站；(7)工程船舶安置GPS电台移动站及校核、调试电子罗经；(8)软件显示船位、船向。本发明在水运、水利工程施工中的工程船舶定位工作上，运用GPS‑RTK和电子罗经组合的定位方法，定位速度快，有效作用距离远，范围大，定位精度高，船向显示精确。

Description

一种GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法

技术领域

本发明涉及一种工程船舶4定位技术，特别涉及高技术服务业、高新技术改造传统产业中的水运工程中的一种GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法。

背景技术

近年来我国及亚洲、非洲等发展中国家的水运交通建设工程蓬勃发展，港口、码头、航道等水运基础设施的需求日益增长，大量港口、码头、航道新建或扩建，各种工程船舶4越来越得到广泛应用，目前工程船船普遍使用全站仪或双GPS组合的施工定位工艺，全站仪受雨、雾天气影响不能全天候施工，时间利用率约70％；双GPS受水面多路径效应影响大，定位不准确、定位稳定时间短，经常需要等待固定解的时间，时间利用率约80％；而单GPS虽然也受水面多路径效应影响，但是在船上可以比较容易找到受干扰小的位置安置，真正实现全天候作业，时间利用率约90％及以上。

发明内容

本发明的目的是提供一种GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，能够提高工程船在施工定位环节的工效，减少初次定位、定向时间，定位准确、定向快速，稳定时间长。

本发明的技术方案是：一种GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，包括如下步骤：

(1)前期准备

制定测量计划，选择控制点，选择测量设备及测量数据传输的设备，配备GPS-RTK测量系统、电子罗经、配备Haida、北斗测量软件及串行接口齐全的测量电脑，工程船舶上安放GPS电台移动站，测量室安放电子罗经，

(2)施工区域地形和已知控制点复核

按照设计图纸勘探复核施工区域地形、地貌，检查控制点位置及完好情况，根据控制点周边环境和GPS卫星信号特点，选取可用控制点作为测量控制点，测量控制点选取4～6个，控制点均匀分布，构成闭合网，覆盖整个施工区域，

(3)测量仪器检查和检测

检查所有应用于RTK-GPS测量作业的测量设备及其附件的完好性与可用性，

(4)架设GPS电台基准站与树立施工水尺

GPS电台基准站设置按数据传输方式不同，设有网络GPS电台基准站和电台GPS电台基准站两种，根据不同的施工环境和需要选择数据传输方式，网络GPS电台基准站和电台GPS电台基准站均选择位置较高，周边没有强电磁干扰，有电源持续供电的地方架设，完成GPS电台基准站架设后，启动GPS电台基准站，

在施工区域通视地点内选取合适地点，设立施工水尺，使用水准仪从已知控制点上引出施工水尺，并使施工水尺零点与施工基准面相吻合，

(5)架设GPS电台移动站，根据已知控制点校核GPS电台移动站

GPS电台基准站启动完成后，连接GPS电台移动站，设备连接完后，启动GPS电台移动站，然后用GPS电台移动站分别到三个已知控制点上进行测量和校正，得到三个控制点的水平残差和垂直残差，

(6)校核GPS电台基准站

GPS电台移动站测得三个控制点的水平残差和垂直残差值后，在仪器当前任务下校正、应用残差，然后GPS电台移动站将残差发送给GPS电台基准站，GPS电台基准站自动平差，校正GPS电台基准站坐标，完成GPS电台基准站坐标校正后，将GPS电台移动站安置到第四个控制点上进行观测，观测一组坐标数据后，取其平均值与控制点的坐标值对比，点位中误差与高程中误差小于精度要求数值，则GPS电台基准站、GPS电台移动站设置完成，

(7)工程船舶安装GPS电台移动站，校核和调试电子罗经

将GPS电台移动站的天线、电子罗经安装到工程船舶上选好的位置，GPS电台移动站接收机、电子罗经连接到测量电脑上，打开测量软件，新建任务，设置新任务的各项参数，使用Toolbox软件对GPS相关设备串口数据进行调试，使用电子罗经驱动软件对电子罗经进行校准、调试，校正完成电子罗经使其适应周围磁场，能准确测定方位角后，用GPS与电子罗经测量的值校核电子罗经的起始方向，

(8)软件显示船位船向，结束定位

完成GPS电台移动站、电子罗经设备的校核后，利用测量软件正确接受GPS、电子罗经数据后，显示工程船舶简图、位置、船向的图文，完成定位。

所述GPS测量系统采用单台GPS的实时动态差分RTK测量模式测量定位。

电子罗经在GPS-RTK定位船舶的基础上，确定精确船向。

完成GPS设备、电子罗经的校核后，利用测量软件正确接受GPS和电子罗经数据后，在测量电脑上直接显示工程船舶标示简图、船位、船向的图文形象、数据。

测量质量控制标准为：

①RTK-GPS测量质量控制标准

有4个高等级控制点覆盖施工区；

GPS校正结果，点位中误差小于±15mm，高程中误差小于±15mm；

钻孔点位中误差小于±20mm，水位(潮位)中误差小于±20mm。

②电子罗经5质量控制标准

电子罗经5距离周围金属物体30cm以上；

电子罗经5校准评分值达到8、9；

方位角中误差小于±0.2°。

③其他质量控制标准

测量施工满足水运工程测量规范，特别是补测控制点时，其精度要满足原控制网等级精度的要求；遵循GPS操作规程、船舶安全技术操作规程、测量技术员操作规程。

本发明主要成果创新点：

(1)采用了RTK-GPS与电子罗经结合的工程船舶水上定位技术，具有定位精度高、速度快、有效作用远等优点。

(2)可以实现全天候施工，较双GPS定位工艺，定位时间从10～15分钟缩短到2～3分钟，显著提高了施工船舶在施工中的测量、定位等工作效率，提高了定位精度、质量，安全可靠。

工程船舶施工之前利用RTK-GPS通过GPS设备和卫星进行点位测量，电子罗经进行航向测量，点位与航向汇集于测量电脑测量软件中，获取施工船舶的定位信息数据，将设计施工位置信息导入测量软件中，可以直接看到工程船舶的位置及与设计施工位置的图形差。

附图说明

图1是本发明所述的GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法采用的设备结构示意图。

图中标记为：GPS电台基准站1、卫星2、GPS电台移动站3、工程船舶4、电子罗经5、测量电脑6。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的GPS-RTK和电子罗经5组成的工程船舶定位方法的所属仪器设备组装状态为：工程船舶4作为GPS电台移动站3、电子罗经5和测量电脑6的工作平台，GPS电台基准站1安置于选定的合适陆上地点。GPS电台移动站3与电子罗经5分别通过各自专用的电缆连接到测量电脑6的不同COM口上，测量电脑6、GPS电台移动站3的GPS接收机、电子罗经5均安放于工程船舶4上专设的测量室内，电子罗经平行于水平面与船舶纵向，GPS电台移动站3的卫星接收天线需要安置于测量室外的工程船舶4的中轴线上的高处。

本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

本发明所述的GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，包括如下步骤：

(1)前期准备：

按测量计划，选择好控制点，选好测量设备及适合本地区测量数据传输的设备，配备Trimble 5700GPS测量系统，并配备电台和网络传输设备；配备电子罗经5；配备Haida测量软件及串行接口齐全的测量电脑6，工程船上选择合适中轴线位置做为安放GPS卫星接收天线的基座，测量室选择合适位置安放电子罗经5。

(2)施工区域地形和已知控制点复核

参考设计图纸，勘探复核施工区域地形、地貌，检查控制点位置及完好情况。根据控制点周边环境和GPS卫星2信号特点，选取可用控制点作为测量控制点。测量控制点应选取4个数量，控制点均匀分布，构成闭合网，覆盖整个施工区域。

(3)测量仪器检查和检测

检查所有应用于RTK-GPS测量作业的测量设备及其附件的完好性。检查仪器内存或闪存卡是否已清空或满足作业需要。检查GPS电台基准站1及GPS电台移动站3是否有固定电源供应及储备电源是否充足。检查电子罗经5及附件的完好性，在测量室选择一个磁干扰较小的位置，尽可能的远离钢、铁、磁铁、发动机和其他磁性物质的地方放置电子罗经5。周围存在这些磁介质也要使电子罗经5远离其至少30cm的距离。

(4)架设GPS电台基准站1，树立施工水尺

GPS电台基准站1选择采取电台GPS电台基准站1，通过电台传送数据，不依赖于现有的通信网络，在施工区域具有更好的信号稳定性和使用灵活性。

选择使用RTK-GPS，架设电台GPS电台基准站1。电台GPS电台基准站1连线架设完毕，利用测量控制器(即手簿)新建任务，定义坐标系统，定义坐标系统选用无投影/无基准方式，选择位置较高，周边没有强电磁干扰，有电源持续供电的地方架设GPS电台基准站1，完成GPS电台基准站1架设后启动GPS电台基准站1。

具体操作如下：

①在选定的GPS电台基准站1点上安置整平带有天线适配器的三角架；

②将GPS天线固定适配器上，注意区分GPS电台基准站1和GPS电台移动站3天线类型，如：Trimble 5700接收机GPS电台基准站1天线类型为Zephyr Geodetic，GPS电台移动站3天线类型为Zephyr；

③在离GPS天线一定距离的开阔位置，设置电台发射天线；

④把Trimble 5700接收机、电台主机挂在三角架的挂夹上，或放置到通风、阴凉处；

⑤GPS数据电缆一端连接到GPS天线上，另一端连接到接收机的TNC口上；

⑥电台数据电缆一端连接到电台发射天线上，另一端连接到电台主机上；

⑦用数据线把电台主机和接收机连接起来；

⑧将外置电源连接到接收机和电台主机。

⑨设置电台参数，确定电台发送频率。如TM3电台，当接通电源后，电台的液晶显示屏就会显示出信息。左侧有一个Next键，其功能是在电台7个界面间进行切换；右侧有上下移动键各一个，其功能是当Next键调整到某一界面后，按上下行键选择不同的子菜单。

⑩用测量控制器(即手簿)配置GPS电台基准站1相关参数，启动GPS电台基准站1。

在施工区域通视地点内选取合适地点，使用水准仪从已知控制点上引出施工水尺，设立施工水尺，并使施工水尺零点与施工基准面相吻合，尺面刻度面向施工船舶方向，以便工程船舶4施工前后GPS测得水位与水尺观测水位进行核对。

(5)架设GPS电台移动站3，根据已知控制点校核GPS电台移动站3

GPS电台基准站1启动完成后，连接GPS电台移动站3，GPS电台移动站3设备连接完后，启动GPS电台移动站3，然后用GPS电台移动站3分别到三个已知控制点上进行测量、校正，得到三个控制点的水平残差和垂直残差。具体步骤为：GPS电台移动站3连接好后，用测量控制器(即手簿)启动GPS电台移动站3，在手簿中使用GPS电台基准站1建立的任务，通过如下流程：键入---点---选项---网格---输入控制点坐标---测量模式---RTK---开始测量，先输入三个控制点的坐标，然后分别到这三个控制点上进行测量。

(6)校核GPS电台基准站1

GPS电台移动站3测得三个控制点的水平残差和垂直残差值后，在仪器当前任务下校正、应用残差，然后GPS电台移动站3将残差发送给GPS电台基准站1，GPS电台基准站1自动平差，校正GPS电台基准站1坐标。完成GPS电台基准站1坐标校正后，将GPS电台移动站3安置到第四个控制点上进行观测，观测一组坐标数据后，取其平均值与控制点的坐标值对比，点位中误差与高程中误差小于精度要求数值，则GPS电台基准站1、GPS电台移动站3设置完成。

(7)工程船舶4安置GPS电台移动站3及校核、调试电子罗经5

将GPS天线、电子罗经5安放到工程船舶4上选好的位置，接收机、电子罗经5连接到测量电脑6上，打开测量软件，新建任务，设置新任务的各项参数，使用Toolbox等软件对GPS串口、数据进行调试。使用电子罗经驱动软件对电子罗经5进行校准、调试，校正完成电子罗经5，使其适应周围磁场，能准确测定方位角后，用GPS与电子罗经5测量的值校核电子罗经5的起始方向。

具体设备要求及操作如下：

1)测量电脑6硬件配置：商用电脑配置2个9针串行接口。

2)测量电脑6软件配置：中海达测量软件或北斗星测量软件、CToolBox软件、USR.EXE软件。

3)将GPS天线、电子罗经5安放到选好的位置，接收机、电子罗经5连接到测量电脑6上，打开钻孔设计图另存为DXF格式文件，打开测量软件，新建任务，设置新任务的各项参数、船型文件，使用CToolBox软件对GPS串口、数据进行调试。

4)使用USR.EXE软件对电子罗经5进行校准、调试，电子罗经5有三种校准方法：八点校准法、三点校准法和旋转校准法。通过校准后，电子罗经5测量精度达到0.2度，通常采用八点校准法。

校准方法如下：以电子罗经5中心为圆心，半径为电子罗经5的外沿，八等分该圆，电子罗经5按照顺时针转动，并在每个等分方向上停留1-5秒钟，旋转一周后，应用程序将显示评分(score)和磁环境计数(Magnetic Environment Count)。评分值表示你校准过程的质量，它是一个0到9范围内的数字，0是校准最差结果，9代表校准已经达到最佳状态。如果这积分值小于等于7，则重新校准电子罗经5，直到达到最佳状态。

5)校正完成电子罗经5，使其适应周围磁场，能准确测定方位角后，用GPS与电子罗经5测量的值校核电子罗经5的起始方向。方法如下：

收紧锚缆使工程船固定后，GPS正常测量状态，在工程船中轴线线上，分别测量中轴线上船艏、船艉的坐标，在测量软件上记录这两点的位置，并读取这两点的方位角(以此方位角为准)，此时电子罗经5同时观测到一组工程船中轴线的方位角，取其平均值与GPS测得值比较；

6)利用型电子罗经5USE.EXE软件，修改电子罗经5起始方向数值，使电子罗经5测得方位角与GPS测得方位角一致，并填写《电子罗经5校核记录表》；经校正后，工程船船艏坐标正确，船艏、船艉连线的方位角正确，则所有坐标和船向正确。

7)经过上述一系列操作，使测量软件正确接收GPS、电子罗经5数据，正确显示工程船简图和位置，将施工图导入测量软件，测量软件显示工程船位置与施工范围线及设计施工坐标相对位置等图文，移动船舶到指定位置完成定位。

Claims (4)

1.一种GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)前期准备

制定测量计划，选择控制点，选择测量设备及测量数据传输的设备，配备GPS-RTK测量系统、电子罗经、配备Haida、北斗测量软件及串行接口齐全的测量电脑，工程船舶上安放GPS电台移动站，测量室安放电子罗经，

(2)施工区域地形和已知控制点复核

按照设计图纸勘探复核施工区域地形、地貌，检查控制点位置及完好情况，根据控制点周边环境和GPS卫星信号特点，选取可用控制点作为测量控制点，测量控制点选取4～6个，控制点均匀分布，构成闭合网，覆盖整个施工区域，

(3)测量仪器检查和检测

检查所有应用于RTK-GPS测量作业的测量设备及其附件的完好性与可用性，

(4)架设GPS电台基准站与树立施工水尺

GPS电台基准站设置按数据传输方式不同，设有网络GPS电台基准站和电台GPS电台基准站两种，根据不同的施工环境和需要选择数据传输方式，网络GPS电台基准站和电台GPS电台基准站均选择位置较高，周边没有强电磁干扰，有电源持续供电的地方架设，完成GPS电台基准站架设后，启动GPS电台基准站，

在施工区域通视地点内选取合适地点，设立施工水尺，使用水准仪从已知控制点上引出施工水尺，并使施工水尺零点与施工基准面相吻合，

(5)架设GPS电台移动站，根据已知控制点校核GPS电台移动站

GPS电台基准站启动完成后，连接GPS电台移动站，设备连接完后，启动GPS电台移动站，然后用GPS电台移动站分别到三个已知控制点上进行测量和校正，得到三个控制点的水平残差和垂直残差，

(6)校核GPS电台基准站

GPS电台移动站测得三个控制点的水平残差和垂直残差值后，在仪器当前任务下校正、应用残差，然后GPS电台移动站将残差发送给GPS电台基准站，GPS电台基准站自动平差，校正GPS电台基准站坐标，完成GPS电台基准站坐标校正后，将GPS电台移动站安置到第四个控制点上进行观测，观测一组坐标数据后，取其平均值与控制点的坐标值对比，点位中误差与高程中误差小于精度要求数值，则GPS电台基准站、GPS电台移动站设置完成，

(7)工程船舶安装GPS电台移动站，校核和调试电子罗经

将GPS电台移动站的天线、电子罗经安装到工程船舶上选好的位置，GPS电台移动站接收机、电子罗经连接到测量电脑上，打开测量软件，新建任务，设置新任务的各项参数，使用Toolbox软件对GPS相关设备串口数据进行调试，使用电子罗经驱动软件对电子罗经进行校准、调试，校正完成电子罗经使其适应周围磁场，能准确测定方位角后，用GPS与电子罗经测量的值校核电子罗经的起始方向，

(8)软件显示船位船向，结束定位

完成GPS电台移动站、电子罗经设备的校核后，利用测量软件正确接受GPS、电子罗经数据后，显示工程船舶简图、位置、船向的图文，完成定位。

2.根据权利要求书1所述的GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，其特征在于，所述GPS测量系统采用单台GPS的实时动态差分RTK测量模式测量定位。

3.根据权利要求书1所述的GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，其特征在于，电子罗经在GPS-RTK定位船舶的基础上，确定精确船向。

4.根据权利要求书1所述的GPS-RTK和电子罗经组成的工程船舶定位方法，其特征在于，完成GPS设备、电子罗经的校核后，利用测量软件正确接受GPS和电子罗经数据后，在测量电脑上直接显示工程船舶标示简图、船位、船向的图文形象、数据。