GPS在集装箱码头的应用.docx
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GPS在集装箱码头的应用
GPS系统在集装箱码头的应用方案
2009-6-23
第一章GPS在集装箱起重机上的应用
GPS（全球卫星定位系统），是由美国开发创建的卫星导航和定位系统。
通过空中均匀分布的24颗导航卫星，保证了定位信号在全球任何地方任意时间全天候的可靠接收。
自系统投入运行以来，已广泛应用于国民经济的各行各业如石油勘探，船舶和航空导航，土建工程定位和重大军事行动。
我们于两年前开始进行GPS在场桥上的应用研究，使场桥既能保持原有灵活转场的功能，又能象RMG（轨道式集装箱起重机）一样保证大车可靠运行和箱位管理功能。
我们选用的场桥GPS系统，定位精度达到+-15mm左右，具有高度的自动化特征,可广泛用于场桥的自动大车行走，自动大车纠偏，自动箱位管理等功能。
第一节当前集装箱起重机面临的技术难题
长久以来，由于RTG能够通过轮胎转向功能，灵活地改变箱区位置而深受码头用户喜爱。
然而也因为没有固定轨道，RTG在大车方向上的纠偏和定位功能一直没能很好解决，从而带来以下几方面的问题：
一．随着RTG变得越高越快，司机的大车运行日益变得困难，纠偏操作更加艰苦；
二．而随着国际贸易的发展和集装箱数量的迅猛增长，码头集装箱的堆放安排和作业统计管理也变得日益困难。
成千上万集装箱的数据记录，手工工作量是巨大的；另外RTG缺乏有效位置监控，难免造成集装箱的错误安放而无法跟踪―――这种错误，对于繁忙的集装箱码头来说，造成的损失是严重的。
三．此外，RTG在大车方向上的不足，也严重阻碍了RTG在自动化功能上的发展。
在当前RTG的小车和起升机构实行了相当程度自动化的情况下，如何解决大车机构的自动化变得更加迫切。
四．对于大跨距RMG，其大车同步控制是令人头疼的问题。
同步控制不好，则会造成大车车轮打滑或“啃轨”现象，从而降低起重机的使用性能和寿命。
五．在要求自动化或半自动化操作管理的集装箱码头,AGV的运行管理要求具有全天候实时定位系统。
而只有利用GPS技术才有可能达到AGV的灵活管理和控制。
第二节GPS在集装箱起重机上实现的功能
我们选用的GPS产品，结合了GPS设备和场桥本身大车编码器的性能，通过GPS，可实现场桥在堆场上X/Y方向的定位，而编码器则实现了GPS定位的校验和推导功能；两者相互补偿，既提高定位信号的更新速度，弥补GPS定位刷新率较低的不足，又消除了编码器长时间工作产生的累计误差，保证定位的精确性。
GPS至少可以解决以下问题（以双GPS系统为例）：
一．RTG大车精确定位，精度在+-15mm左右通过此定位信息，有助于在中控室建立一个码头所有RTG的“电子地图”，实现对RTG的实时监控，从而有利于码头RTG的优化调度，实现最佳路径管理，降低生产成本。
二．RTG大车自动纠偏功能不论RTG多高多快，都可以利用GPS系统的“虚拟轨道”功能，实现大车直线行走，免除了传统RTG司机需要长时间低头进行手动纠偏的疲劳作业和RTG行大车时同集装箱或其它车辆相撞的隐患；从而使RTG具有同RMG一样的大车运行功能；
三．RTG大车自动行走利用RTG的当前位置和要求作业集装箱的目标位置，结合大车自动纠偏和位置监控功能，可实现RTG的大车自动行走。
届时司机只要轻触按钮，就可以实现在同一跑道上RTG大车位置的自动变换；
四．RTG防误操作功能利用RTG大车的精确位置，并结合小车和起升机构位置，组成RTG吊具的三维信息，根据码头堆场的实际布置，可转换成具体的集装箱大车箱位、小车堆位和起升层高（BERTH，BAY，LANE/STACK，TIER）等信息，此信息同要作业的集装箱比较，如不符合则禁止吊具动作；只有信息一致才允许作业。
这样就保证了RTG无故障操作；
五．RTG箱位自动管理利用RTG的三维位置，可随时随地发布RTG的操作信息譬如作业箱量，作业位置，RTG状态等信息，信息通过无线系统发送到中控室，由主机自动记录统计，实时获得RTG的各种操作数据，及时更新堆场集装箱分布情况，从而节省大量的人工登记工作，并消除各种误差，实现了自动信息化管理，有利于信息保存归档。
六．大跨距RMG的同步控制大跨距的RMG在大车运行过程中容易产生因车轮打滑而引起的“啃轨”现象，从而降低起重机的使用性能和寿命。
利用GPS系统可监测大车两侧打滑情况，以利于同步控制。
七．AGV自动导航在广阔的码头堆场上，可利用RTG用GPS移动站实现对AGV的自动行走控制。
八．集卡位置监控RTG用GPS移动站也可用于码头装卸设备如集卡等的位置监控，便于调度。
第二章GPS在码头生产管理上的巨大意义
第一节当前集装箱码头生产管理上的新要求
传统的码头堆场集装箱作业模式为：
理货操作部把当日要装卸的集装箱,根据原先计划安排好并储存在码头主机中的位置,通过对讲机系统或理货员（有些码头通过无线电系统把信息显示在司机室监控屏上）把箱子代码和位置（如几号箱区几号位置等信息）告知某台RTG司机，司机再把车开到对应位置操作。
其中涉及的不足有：
1.RTG的位置不够清楚，调度上容易产生舍近求远问题，增加生产成本；2.RTG实际吊具位置没有可靠监控，司机作业存在认为错误的可能性；3.司机作业完毕需要人工确认
由于存在上述问题，当前有许多码头在寻找方法克服以上集装箱管理上的问题。
而利用GPS技术就可以最方便地处理其中最关键的集装箱定位问题。
第二节配备了GPS以后可以达到集装箱生产管理的自动化
配备了RTG用GPS系统后，利用当前普遍的无线电系统，可以有效消除RTG作业中存在的各种人工因素，整个生产过程由一系列电脑实现闭环控制，极大地提高码头生产的正确性和信息化水平，实现无纸化管理。
此过程中每台RTG都将充分应用前述的箱位自动管理、防误操作等功能。
配备GPS系统后堆箱作业模式
第三章GPS系统配置
1．整个项目配备一个GPS基准站,具体包括一个GPS接收器和一个调制无线发射电台,用于提供基准位置信号给起重机上的GPS移动站;
2．每台机配置一个GPS移动站,具体硬件包括两个GPS接收器和一个公共无线接收电台,用于检测当前起重机所处位置,并接收基准站差分信号从而获得厘米级的检测精度.位置信号将在主机运算后送至机上PLC进一步进行箱位管理和自动纠偏等处理。
整个GPS系统结构精巧，安装简单，系统具有很强的独立性，对RTG的设计不产生任何结构上的影响。
第四章集装箱起重机用GPS产品应用小结
当前，GPS应用技术和RTG的基本功能已经基本完善，然而，要成功把GPS技术结合到RTG应用中，还需要不断的加以研究和探索。
其中主要原因是，RTG作为一种重型机械，它具有许多自身固有的特性，比如在吊箱过程中小车会摇晃，大车行驶初大梁方向的晃动对大车偏移的监测会产生干扰，RTG的结构和配置对基于GPS的成功自动应用有决定性因素等。
这些都对GPS在RTG上的应用造成不利影响。
根据这两年来近50套GPS产品的应用情况，我们总结出了如下的成功经验：
1.对于要求大车自动纠偏等要求较高的应用,我们采用双GPS加编码器后备校验的设计,可靠性很高---在正常状态下,由双GPS加编码器保证系统正常工作;在其中任何一个GPS失效时,另外一个可通过GPS角度和编码器继续工作;在最糟糕的双GPS都失效时,仍可由编码器推导使自动纠偏继续运行10秒时间左右;
2.由于采用了双GPS设计,该系统能满足轮胎吊在不同堆场上的迅速定位,使自动纠偏等功能马上可以使用;
3.另外,针对个别码头堆场不整齐的情况,软件设计中采用了不同ID方法进行鉴别,提高了产品适用性;
4.为了满足全天候的应用要求,经过长期跟踪试验,使用市场上最可靠的GPS双频接收器,既保证了厘米级的高精度,又达到GPS接收器长期工作不失锁的目的;
5.GPS能否在RTG上应用成功,还涉及到RTG本身的控制.对配备GPS产品的RTG,在设计中充分考虑了各机构的特性,减小各种可能对GPS定位产生不利影响的干扰因素,从而保证各自动化功能的实现.
由于本身是一个专业化的集装箱起重机制造商,并配备各种专门的研发部门经过长期艰辛的试验改进,才保证了GPS产品在集装箱起重机上的成功应用.这是其它任何厂商都不能具备的前提条件.
附录：
GPS介绍
1GPS原理
1.1GPS系统概述
GPS系统即（GlobalPositioningSystem-GPS）全球卫星定位系统，它是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上，空中和陆地运载工具的导航和定位问题。
目前全部24颗卫星已发射完毕，整个系统已经建成并提供民用。
它的6轨道面卫星分布方式保证了地球上的任何地方和任何时刻均可同时观测到四颗以上的卫星，具有全球、全气候，连续实时的三维导航与定位能力。
近十年来，GPS定位技术得到迅速发展，已在船舶定位、海洋捕鱼、远洋轮导航、飞机导航、地质勘探等工作中得到了广泛的应用。
GPS定位系统由三部分构成：
空间星座部分、地面监控部分、用户设备部分。
GPS空间星座部分由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星，工作卫星分布在6个等间隔的轨道面内，每个轨道面分布4颗卫星。
GPS星座部分的主要功能为：
向用户连续不断地发送导航定位信号（其中包括两种不同频率的载波信号L1和L2，及调制在载波上的伪随机噪声码（C/A码、P码以及导航电文D码）和时间基准据；接收和存储由地面监控站发来的导航信息；接收并执行地面监控部分的控制指令和调度命令。
地面监控部分的主要作用是：
跟踪观测GPS卫星，计算编制卫星星历；监测和控制卫星的健康状况；保持精确的GPS时间系统；向卫星注入导航电文和控制指令。
用户设备部分的核心是GPS接收机，它是由主机、天线、电源和数据处理软件等组成，共主要功能是：
接收卫星播发的信号，获取定位的观测值，提取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数，经数据处理而完成导航定位工作。
GPS系统的基本工作原理是：
每一颗卫星不间断地向GPS接收机发送自身的星历参数和时间信息，用户接收机指收到这些住处后，经过计算输出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。
GPS卫星信号中包含有多种信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测参数，其中主要包括：
根据载波相位观测得出的伪距；
根据对相位观测得出的伪距；
由积分多卜勒计数得出的伪距差；
由干涉法测量得出的时间延迟。
目前广泛采用的观测参数主要有两种：
码相位观测量和载波相位观测量。
码相位观测即是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线的传播时间，进而求得伪距，进行定位，载波相位观测即是测量接收机收到的具有多卜勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，它是目前最精确的观测方法。
本方案轮胎吊定位系统正是采用这种载波相位观测法来进行实时动态定位的。
1.2GPS载波相位测量原理
载波相位测量是测定GPS载波信号在传播路程上的相位变化值。
如图1所示:
图1
卫星S在任一时刻T发出一个载波信号，其在T时刻在卫星S处的相位为фS，当该信号经距离P传播到地面接收机K处时，K接收到该信号的相位фK，则由卫星S至接收机K的相位变化为（фS-фK）。
（фS-фK）包括了整周数和不足一周的小数部分。
为方便计，载波相位均以周长为单位，这样如果能测定（фS-фK），则可表示为：
ΔфSK=фS-фK=N0+Δф--------------2.1
式中：
N0---------载波相位（фS-фK）的（T时刻）整周数部分；
Δф--------不足一周的小数部分；
要测量载波相位，首先在接收机内要重新获取纯净的载波。
这一工作称为重建载波。
因为在GPS信号中，已用相位调制的方法在载波上调制了测距码（C/A码，P码）和导航电文（D码），因此在载波测量之前，首先要进行解调，将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获取纯净的载波，重建载波一般可采用码相关法和平方法两种方法。
在获取了纯净的载波后，我们用以下原理进行载波相位测量，通过GPS接收机的振荡器产生一频率和初相与卫星处载波信号完全相同的基准信号，фKJ（Ti）则任一时刻Ti在GPS接收机的基准信号的相位就等于卫星处载波信号的相位фS（Ti）。
而此刻到达接收机K处的载波信号的相位为фK（Ti）。
因此，测定基准信号与接收到的卫星载波信号的相位差[фS（Ti）-фK（Ti）]可以表示为[фKJ（Ti）-фK（Ti）]。
图2是载波相位测量原理图。
图2载波相位测量原理图
1.3GPS载波相位实时动态定位原理
载波相位实时动态定位技术又称为RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
其实质就是载波相位测量相对定位。
GPS相对定位的方法是：
将两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测GPS卫星以确定基线端点在协议坐标系中的相对位置或基线向量。
由于有二台接收机同步观测卫星，同时卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差及电离层和对流层的折射误差对观测量的影响具有相关性，因此可以利用这些观测量的不同组合进行相对定位，便可以有效地消除或减弱上述误差，从而提高定位精度。
载波相位实时动态相对定位采用的是GPS接收机的载波相位观测值，即测定的是接收机基准信号与接收机收到的卫星载波信号之间的相位差（由于GPS卫星发射的载波频率高（L1载波：
1575.42MHZ，L2载波：
1227.6MHZ），波长短（L1载波：
19.05CM，L2载波：
24.45CM），所以，载波相位实时动态定位的精度可以达到很高）。
基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站，移动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时解算出移动站的三维坐标，并达到厘米级的高精度定位结果。
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