1引言

流动式起重机作为大型工程机械的核心设备，在基础设施建设、工业安装和应急救援等领域发挥着不可或缺的作用。随着超大吨位起重机的广泛应用，其臂架作为主要承载构件，刚度不足引发的变形或失效已成为安全隐患的主要来源。在起重机性能测试中，臂头位移是量化臂架刚度的核心指标，直接影响设备的作业效率和安全性。然而，传统测试方法（如激光测距或应变计）在复杂环境下面临诸多挑战：安装繁琐、易受天气影响，且难以实现实时非接触测量。

GPS差分技术作为一种高精度卫星定位手段，已在桥梁监测、船舶导航和地质勘测等领域得到验证。 其通过基准站修正卫星信号误差，实现厘米级定位精度。本文聚焦于DGPS在起重机臂头位移测试中的鲁棒性，分析其在建筑密集区、电磁干扰和动态负载等复杂场景下的适应性。通过系统设计、误差模型和实验验证，探讨该技术的优势与局限，为工程实践提供指导。

2 GPS差分技术原理

GPS 差分技术的核心原理是通过一个已知精确位置的基准站，计算出 GPS 定位的误差并生成修正信息，再将其发送给附近的用户接收机，从而消除或削弱定位误差，提升精度。核心原理:“算差-传差-补差”三步法”GPS 差分技术的工作流程可拆解为三个核心步骤，所有类型的差分技术都围绕这一逻辑展开。

2.1基准站计算误差(算差)

基准站的地理位置是经过精确测量确定的已知值。它会接收所有可见 GPS卫星的信号，并用自身已知坐标反算出一个“理论伪距"。将这个“理论伪距”与实际接收的“测量伪距"对比，就能计算出当前的定位误差值(包含卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等共性误差)。

2.2实时传输修正信息(传差)

基准站将计算出的误差值(或修正参数)，通过无线电、网络等通信链路，实时发送给其覆盖范围内(通常几公里到几百公里)的用户接收机。

2.3用户机修正定位结果(补差)

用户接收机在接收 GPS 卫星信号的同时，接收基准站发来的修正信息。它会用这个修正信息对自身的定位计算结果进行调整，最终得到精度更高的位置坐标。

主要分类:按修正信息的不同

根据基准站发送的修正信息内容，主流的 GPS 差分技术可分为三类，精度和适用场景各有差异。GPS差分技术技术类型：伪距差分(DGPS)、载波相位差分(RTK)、广域差分(WADGPS)。

RTK-DGPS的工作原理如下：基准站接收卫星信号，计算伪距和相位观测值，并通过无线链路（如UHF或4G）传输差分改正数给流动站。流动站结合自身观测值进行实时解算，输出三维坐标。位移测量则通过连续坐标差分计算：

△r=r_t-r₀


其中，r_t为t时刻臂头坐标，r₀为参考坐标。该技术在理想条件下可达1-5 cm精度，但复杂环境会引入多路径效应（信号反射）和信号丢失（LOS遮挡）等问题。

为提升鲁棒性，可集成辅助传感器（如IMU惯性测量单元），形成融合系统：使用卡尔曼滤波算法优化数据：

其中，Kk为卡尔曼增益，z_k为观测值。该融合增强了系统对干扰的容忍度。

3 系统设计与测试方法

3.1 系统架构

本文设计的测试系统包括硬件和软件两部分。硬件模块：高精度GPS接收机（如u-blox ZED-F9P模块）、基准站天线、流动站安装于起重机臂头，以及数据传输单元（支持LoRa无线通信）。软件采用嵌入式平台（如STM32微控制器），集成RTKLIB开源库进行差分解算和位移算法开发。

位移计算算法：采集实时坐标序列，通过小波变换滤除噪声，并应用误差补偿模型处理多路径干扰。系统更新率达10 Hz以上，适用于动态测试。

3.2 复杂环境模拟

为分析鲁棒性，设计了三种典型复杂场景：

• 信号遮挡环境：模拟建筑密集区，使用金属屏障阻挡卫星信号，测试信号丢失时的定位连续性。

• 电磁干扰环境：引入无线电噪声源，评估多路径效应对精度的影响。

• 动态负载环境：在起重机臂架施加振动和负载变化，考察系统对运动模糊的响应。

实验采用对照组：与激光总站仪（精度<1 mm）比较，量化DGPS误差。

4 鲁棒性分析

4.1 理论分析

鲁棒性指系统在扰动下的稳定性，可通过误差传播模型评估。DGPS的定位误差主要源于：

• 多路径误差： 

• 信号可用性：卫星可见数<4时，定位失败率上升。

在复杂环境下，RTK固定解概率通过模糊度分辨率（ADR）评估：高ADR确保鲁棒性。融合IMU可将漂移误差从米级降至厘米级，提升容错能力。

4.2 仿真模拟

使用MATLAB/Simulink构建模型，模拟起重机臂头运动轨迹（正弦振动，幅度5-10 cm）。引入Gaussian噪声和间歇遮挡，结果显示：纯DGPS在遮挡下误差峰值达20 cm，而融合系统误差<5 cm，鲁棒性提升30%。

4.3 实验结果

现场实验在城市工地进行，测试臂长50 m起重机。静态位移误差：2.3 cm（RMS）；动态位移误差：3.8 cm。在干扰环境下，系统恢复时间<5 s，远优于标准GPS（>30 s）。与激光仪对比，相关系数>0.95，证明高鲁棒性。

讨论：DGPS的优势在于非接触和实时性，但受卫星几何分布影响。未来可集成5G增强信号传输。

5 结论

GPS差分技术在复杂环境下起重机臂头位移测试中展现出显著鲁棒性，能够有效应对遮挡和干扰，实现高精度测量。该技术为工程安全监测提供了高效解决方案。未来研究可聚焦多传感器融合和AI优化，进一步提升适应性。

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