北斗卫星导航系统在建筑工程行业的应用

1 北斗三维空间坐标系统

1.1 基本概念

一是地球卡门线内空间。指地球核心原点至地球表面平均半径6371km,地球表面至太空分界线(卡门线)100km,直径共计(6371+100)×2=12942(km)空间(见图1)。

二是三维空间坐标。在三维立体空间中,根据三个相交且相互垂直的异面决定一个“点”的概念,规定三个相交且相互垂直的异面,在地球卡门线空间内构成的坐标(见图2)。

1.2 地球卡门线内“北斗三维空间坐标系统”

“北斗三维空间坐标系统”是由无数个相交且相互垂直的异面组成(见图3、图4),每一个坐标由三个异面组成,即XX'面、YY'面、ZZ'面。

“北斗三维空间坐标系统”规定地球某一侧卡门线为起始0°面,其正面相对卡门线为终止360°面。因此,三组异面分别由XX'0°~XX'360°面;YY'0°~YY'360°面;ZZ'0°~ZZ'360°面组成(见图4)。

“北斗三维空间坐标系统”的坐标格式为0.0000°XX',0.0000°YY',0.0000°ZZ',例如地球核心原点的坐标为180.0000°XX',180.0000°YY',180.0000°ZZ'。

2 “北斗CAD”设计系统

“北斗CAD”是基于“北斗三维空间坐标系统”开发的北斗计算机辅助设计系统。建筑师通过计算机设计出建筑工程的整体或局部三维图,构成建筑工程三维图的每个“点”与北斗三维空间坐标相对应。

“北斗CAD”与AutoCAD工作原理和使用方法基本相同,区别在于AutoCAD中的世界坐标系(绝对坐标)被“北斗三维空间坐标系统”取代;“北斗CAD”与AutoCAD中的用户坐标系(相对坐标)原理相同。在“北斗CAD”系统中,用户可以任意定义用户坐标系的坐标原点,也可以使用户坐标系与“北斗三维空间坐标系统”相重合,用于确定设计成果在现实空间的位置。

3 “北斗3D打印”系统

3.1 构成

“北斗3D打印”系统主要由北斗导航卫星、北斗地面临时基站、3D打印工程机器人组成。

一是北斗导航卫星:在太空中负责发射导航定位信号(见图5);二是北斗地面临时基站:由北斗卫星公司提供的专用设备。该设备安装在工程施工现场,用于放大处理北斗卫星信号,提高定位精度,避免卫星信号间断和干扰(见图6);三是3D打印工程机器人:由计算机控制系统、自行式工程机器人和3D打印机三部分组合而成(见图7)。

3.2 原理

3D打印工程机器人同时接收来自“北斗导航卫星”的定位信号和“北斗地面临时基站”发出的校正信号,将这两个定位信号与3D打印工程机器人计算机控制系统中的“3D工程图”坐标匹配。3D打印工程机器人在北斗导航卫星的指引下,按照3D工程图自主打印施工(见图8)。

4 工作流程

建筑师构建工程概念图使用北斗CAD制作三维图导入3D打印工程机器人建立北斗地面临时基站3D打印工程机器人匹配定位信号和北斗三维坐标3D打印工程机器人自主工作(施工)(见图9)。

5 结语

一是建立“北斗三维空间坐标系统”,使卡门线内空间任何位置都能得到确定。为地球内部和大气层空间的边界规划、商业确权和空间租售等开发利用提供了标准和科学依据。

二是北斗“3D打印工程机器人”是大型工程机械与智能机器人结合的产物,也符合智能机器向大型化和微型化两极发展的趋势,有利于产业升级。

三是“北斗卫星导航系统”与“3D打印”技术结合并应用于建筑工程领域,是建筑工程行业的“革命”,不但改变传统施工工艺,而且催生新型建筑材料。未来建筑工程行业将更加突出工程“设计”,工程施工将被智能机械和3D打印技术所替代。未来建筑产品将更加大型化、复杂化、精制化和个性化。

(作者就读于青岛农业大学园林与林学院)

浏览次数:  更新时间:2017-10-09 08:23:21
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