对一个有效的内河桥梁碰撞预警系统的高度可靠测定外文翻译资料

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对一个有效的内河桥梁碰撞预警系统的高度可靠测定

摘要：
近年来，人们花费了很多的精力在检测和缓解内河碰撞风险的策略发展上面。尤其是，内河船舶与桥梁的避碰被广泛认为是对内河交通系统效率的威胁。一个全面的可行性研究已经确定了基于GNSS的发展成果，一种使用最有前途的船舷技术来制定的高度可靠的测量方法，以此作为桥梁碰撞预警系统的基础。本文调查了选择了GNSS基础技术的以内河交通监控为目的的精确高效的测定方法的实际绩效评估。这些不同技术的实际表现在涉及岸基数据增强系统和在考虑范围内的基础设施提供的关于实际可行性数据时会被讨论。技术上面临的挑战同样也进行了研究。

1、介绍

一份过去四年内的内河航运事故评估（Prouml;ger, 2010）报告显示了一个重要的关于桥梁碰撞的数字。每年约有20-30起碰撞的发生，尤其是在水槽和封闭管理的内河航道。许多内河水路都有垂直高度只有5.25米或者更低的桥梁横跨。尽管这些允许双层集装箱运输的桥梁要求更低的helmstand。与桥梁结构的碰撞会对船舶及船上的人员造成严重的物理损伤。此外这样的碰撞同样会对桥梁架构造成损伤(e.g. passenger bridges across the Main-Danube-Channel) (DIN1055-9, 2003)。另外这样的事故还可能对内河船舶交通产生影响，会因此导致一段较长时间的禁航令。约有50%的此类碰撞是由注意力不集中和缺乏航行预判造成的。如果船长能通过一个电子高度预警系统及时了解到桥梁通道信息，这些事故是可以避免的。

2、相关工作

近年来，大量对船东与内河航道运营者造成高额损害的事件，已经有了许多的调查和发展成果。

2.1 商业桥梁预警系统

Bridgescout

Jask BV （Grondmolen 89,3352CD Papendrecht）公司已经开发了一个基于激光的桥梁预警系统（Heynen 2013）。这种激光传感器可以以固定激光的形式在同一高度检测和警告已经查明的障碍物。通常这种激光安装在驾驶舱的顶部。该系统能提供500米之前障碍物的第一手信息。在175米时系统发出声音预警。75米时发出警报声。声音预警和警报可有船长在驾驶室调低。

AlphaHeigh

Alphatron海洋介绍了为内河航运开发的Alpha桥梁高度测量系统（Grohmann，2013）。这个系统有一个安装在船头的传感器连接到驾驶室的计算机上。运用特殊的软件，可以计算出该船只的最高部分是否可以从桥下安全通过。AlphaHeight系统的传感器会给出一个信号，当检测到前方障碍物比船舶的最高点还高的时候，会要求驾驶室采取必要的措施。该系统确实考虑了一个可调节高度的驾驶室和容器的草案。这种情形使用图像可视化与声音相结合的警报。

2.2研究项目

Nabwat

这个项目Navwat（用于内河航道未来的高精度导航系统），由澳大利亚的viadonau在2010年展示，已经在研究高精度定位系统在内陆水域的运用（NAVWAT，2010）。对于桥通道，该项目集中在避免与桥梁支柱碰撞。

Navwat II

这个跟进项目的主要目的，是发展为船长在恶劣天气环境下的锁定操作，桥梁通航，靠岸任务等提供视觉支持。该系统在澳大利亚的维也纳被锁定正式。可以从www.navwat.at.

获取结果。

PiloNav

跨学科项目PiloNav（精确和整型本地化和导航在铁路和内河交通2011- 2014年），由德国航空航天中心（DLR）的合作伙伴的合作从研发（德累斯顿技术大学）和发展（联邦水路与航运管理局（WSV执行的）研究所交通技术（FTV）），使用的PNT（定位，导航和授时）-unit方法。基于GNSS的定位和惯性测量传感器融合技术已被开发，以提供连续的高度准确和可靠的PNT数据（Lanca等人，2013年）。这PNT单位已在2014年被证明在摩泽尔河在德国科布伦茨的测试床，证明引桥和使用全球导航卫星系统导航道口时是最具挑战性的演习（等。埃雷拉 - 平松人，2014年）

德国水路与航运管理局（WSV）已经完成了可行性研究恰逢其时传递桥前识别和评估可能的技术解决方案，通知并警告船长（桑德勒2014年）。

2.3学科研究

德国水路与航运管理局（WSV）已经完成了可行性研究恰逢其时传递桥前识别和评估可能的技术解决方案，通知并警告船长（桑德勒2014年）。可行性研究的主要任务是调查和评估各种陆基和舰基解决方案。可行性研究进一步基于以下基本的考虑和要求：

1、船舶的最高点与桥的最低点之间的安全距离的可靠和准确的估计，并考虑到船上结构，尺寸和负载。所要求的高度精确度必须在DM范围。否则为高度警告系统是不可接受的。

2、一个可能的桥梁碰撞前精确计时警告。这取决于各种因素，如船的尺寸，速度和水路的类型。基于估计的可行性研究，需要350米的安全距离使安全演习，以防止桥梁的碰撞，

考虑船舶的动态运动，

审议引起周围的通道流量或锁水水位的变化，

不利的环境条件（天气，能见度，风等）审议，

考虑相对于所需的技术装备船舶和岸上经济方面。

从18完全不同的技术方法四种解决方案中确定了符合一般要求和上面列出的注意事项。该解决方案中的两个是舰载系统（基于全球导航卫星系统和其他机载设备）和2个分别是基于土地的重要桥梁系统，使用光学传感器在酒店附近。

另外几个所谓的组件被确定它们是四个选定方案的一部分。这种组件包括车载设备，在桥的面积，以及进一步基于陆地基础设施和服务的测量单元。基于该研究的结果的最有希望的解决方案和组成部分是：

方案1（海基）

这种方法使用上述水位的基础上水位模型的核心服务计算的实际通关大桥数据相结合的高度板载测量。

作为替代，可以使用在一个桥直接间隙测量。一座桥的通关模式不同的方法都考虑在内。从内陆电子海图显示与信息系统（ECDIS）图表桥间隙被用作基本清除数据。此外，确切的桥配置的使用已被考虑。考虑到桥梁净空账户临时限制措施，通告，船长必须由系统进行处理。桥梁间隙的传输距离岸边的船只移动互联网连接以及AIS的使用已被考虑。

方案2（基于船舶）

这种方法是基于船载GNSS结合桥梁上部结构地高信息处理的。对于桥梁净空预警系统的应用来说，高精度的多频GNSS是必需的。一个具有高精度的适当的修正数据的规定是这种方法的关键点。

方案3（基于岸）

此方法是基于安装在较量附近的激光扫描仪。在岸上会产生一个警报。他需要通过桥上装置或直接发送到船上适应系统来通知。

方案4（基于岸）

第四种方法是利用热摄像机监视桥前区域。

这些不同的方法可以通过不同的标准和要求来进行对比，比如精确度，在天气和照明情况下的适用性及成本。对于成本估算，一座桥的情形下，已经在考虑推出了GNSS方式来决定船舶的高度。关于性能和成本估算的主要优势在采用高精度GNSS测量以确定船舶高度的解决方案2中已经说明。因此，本文的重点是这种方法用在摩泽尔河畔的科布伦茨，德国PiLoNav测量活动期间收集的实际测量数据，在2014年调查的增强的GNSS定位的利用率。

在这项工作中的其余部分的结构如下。第3章提供了有关全球导航卫星系统常用的定位技术，这也研究了进一步的分析概述。第4章介绍了数据依据和分析本身。之前的第6章总结了纸，5章介绍的分析集中于位置的垂直分量的确定的结果。

3、GNSS定位

在过去几年中，GNSS在海上被广泛使用来提供导航参数，并且在今天成为了几乎所有的海上航行和跟踪解决方案的重要组成部分。这一方面是基于开放水域的良好环境，另一方面在开阔水域对于导航的精度要求较低

在内河航道，GNSS被认为是一种用来导航数据和位置测量的重要工具。在这种情况下，一个可靠的基于GNSS的导航解决方案在接近和通过桥梁的时候提供先进援助提供了基础性可能。然而，当桥梁缺乏接收条件事，后一个应用给基于GNSS的解决方案提出了一个挑战。

当涉及到内河航道，全球导航卫星系统已被确认为导航数据和位置测量的重要工具。在这种情况下，一个可靠的基于GNSS的导航解决方案是为先进的协助应用引桥和传球在执行一个可能的基础。然而，后者的应用程序构成以基于GNSS的定位解决方案的挑战。

在操作的多个全球导航卫星系统（美国的全球定位系统（GPS），俄罗斯GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya维拉克鲁扎（GLONASS），中国的北斗和将来的欧洲伽利略）约70颗卫星是可用的，有利的全球，定位准确。关键应用如桥梁的传球要求高的精度。可行性研究和项目PiLoNav需求为20cm的精度高确定。然而，大气效果削弱信号传播，因此，距离测量各个卫星。这加剧了精度要求，需要具体的隆胸技术基于GNSS定位利用一个可靠的PNT决心。

GNSS定位技术可以在不同的观察和扩增的方法（图1）进行分类。作为所谓的载波相位观测可以更精确地比码伪距来确定，这种分类也是一个准确的基于分类。通过使用载波相位观测值的挑战是解决相位模糊（许，2007年）的未知数。如果模糊度可估计的浮点值，位置的DM-精度可以达到。如果载波相位模糊可以被固定到整数号码，cmaccuracy可达。对不准确浮子和高度精确的修复方案 - 因此，人们在两种模式之间做出区别。

码和基于相位的方法，由上述的大气以及卫星轨道和 - 时钟效应的影响。作为一个选项，以减少这些误差的影响，使用参考站所在的位置是由全球导航卫星系统计算和比较，以精确的受访位置。在基于代码的差分全球导航卫星系统（CDGNSS）的情况下，偏差将被应用到的错误伪距和范围的修正计算。这些校正被发送到用户，假设它位于覆盖区域之内。范围测量的精度可与所提供的范围的修正的帮助下得到改善。其结果，在判定水平位置的误差可减少到小于1mu;m。在IALA信标DGNSS的情况下，增强数据由中波信号分布并提供给谁是在基准站的服务区内的所有用户 - 200-300km半径内（2015年IALA）。

基于相位微分GNSS（PDGNSS）使用载波相位测量和观察从本地参考站设置。如果模糊度可以是固定的，精度最高达几厘米可以实时实现。在文学这种技术被称为实时动态（RTK）。这种技术的一个缺点是一个运行时间丢失卫星信号之后的要求。校正数据是唯一有效的局部，降低了服务区到围绕基准站（RTK_NAVIPEDIA）几公里。

对于全球或区域有效改正基于相位定位技术，精密单点定位（PPP）变得更加重要。与此相反的PDGNSS法的修正数据由国际GNSS服务（IGS）在全球性或区域性参考网络确定，由几个GNSS服务供应商给用户（格林特和罗伯茨，2013年）提供。载波相位模糊性被确定为浮点值。作为主要的缺点这种估计最多需要20分钟无信号中断（库巴2009; Zumberge等人，1997）的较长的收敛时间。使用PPP DM-精度可以实现的。

如果没有校正数据可用一个简单的回退技术是单点定位（SPP）。错误的影响被忽视，只使用代码的意见。如没有参考数据是必要的，可实现的精度减少到数米（霍夫曼-Wellenhof等，2008）。

所有提及的精度仅指水平定位。由于所有GNS系统的高度确定是不准确的（通过因子2长约）比水平位置的几何条件的特殊性质（霍夫曼 - Wellenhof等人，2008;兰利1999）。为为20cm所需的垂直精度，水平定位，因此需要10cm的精度。

4、计量资料采用评估

4.1 示范区

在2014年3月测量已在摩泽尔河德国科布伦茨附近的测量活动期间进行。该示范区覆盖内河航运具有挑战性的场景（见图2）。随着2010年的11500船代摩泽尔河是德国（WSDSW，2010）最繁忙的水道之一。下游航行，锁与莱茵河汇合之前界定示范区有3公里。在只有2公里一小部分连续定位后锁定不同的高度和宽度跨度河的三座桥梁阻碍一个可靠的，。

第一桥是最高的，4车道的汽车桥“Europabruuml;cke”。以40米的宽度和13.9米的净空高度它覆盖一个相对较宽的区域。下面的桥是一座铁路桥，宽25米和只用10.2米椭圆形轮廓的低价清仓。该配置文件是在机动规划为可用于过桥并不仅仅取决于船的高度和水位净空高度的另一项挑战。它也依赖于从通道的中心线（因此最高点）船舶的位置的偏移量。这里，这是不够的，计算仅一个净空高度。取而代之的安全通道，也成为提高船舶或提高水位窄走廊，必须为每个船型分别计算。最后Balduinbruuml;cke，以10米的宽度和12.1米一个高度，是在比较比铁路桥小且更高。

在测量活动期间桥梁和科布伦茨下方的封锁行动已执行。

4.2观测数据集

该传感器系统船上的科考船“MS宾根”由三个大地测量GNSS天线和接收器（以另外确定船只的态度）和战术级惯性测量单元（IMU），以稳定全球导航卫星系统中断的情况下，PNT数据生成。作为这项工作的论点集中GNSS只，这个集成解决方案的结果将简要地在文章的最后提出。用于分析已使用只有主GNSS天线的数据作为容器的姿态是从属优先权。该分析是基于两个小时，其间的示范区的两个通道，其中包括锁定和桥都收集到的数据。全球导航卫星系统接收器的测量速率已被设置为20Hz的。对于与基准比较该高速率时间不得不被下采样到1Hz的。参考轨迹通过使用大地全站仪确定GNSS的独立。参考轨迹的精度是1-2cm左右。对于RTK定位校正数据是由示范区中的一个基准站提供。购买力平价修正数据已经从Nasas喷气推进实验室（JPL）服务器（NASA_JPL）获得。

该数据已被使用开源GNSS处理软件RTKLib版本进行分析。 2.4.2（2013高须，高须和安田2010）。

5、结果与讨论

5.1 单GNSS处理

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