CN101625235A - 基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统 - Google Patents

Abstract

基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统，包括主处理器，存储和显示设备以及至少三套由载波相位差分GPS、惯性器件、数据处理单元组成的组合测量平台。通过载波相位差分GPS精确地测得由安装在车顶的GPS天线组成多组基线向量等数据，并与惯性器件测得的三维加速度和三维角速度耦合，结合角速度测量模型和基线测量模型进行处理，就可以得到精确的轨道曲率半径。本发明既提高了小半径时角速度测量法的精度，又利用基线测量法克服了角速度测量难以测量大半径的缺点，提高了轨道半径测量的精度和测量效率，而且测量精度受外力和干扰的影响比较小，适用于在列车较大的速度范围内测量轨道曲率半径，能够测量的半径范围增大，降低了轨道检测成本。

Description

基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统

技术领域

本发明涉及一种轨道大半径曲线测量系统，特别是一种基于多组由载波相位差分GPS和惯性器件组成的组合测量平台测量轨道曲率半径的测量系统。

背景技术

轨道大半径曲线测量是轨道检测中的重要环节之一，其主要目的是通过测量轨道曲率半径检测轨道状态，及时发现铁路轨道可能存在的问题，以便排除安全隐患，减少事故的发生。

目前的轨道检测车上，轨道半径测量主要采用惯性基准通过角速度测量，由于角速度大小受曲率半径影响，而且惯性器件的误差具有一定的时间累积特性，目前的测量方式主要应用于小半径(一般小于800-1300米)测量，而且精度比较低。当轨道曲率半径较大(800-1300米以上)时，角速度超出惯性器件可以测量的范围，目前的测量方式无法满足轨道检测不断提高的精度要求。

中国专利公开号CN1075518《铁道曲线半径测量方法》，提出了一种利用相邻车体在曲线上的相对偏转来测定所对应的曲线半径的方法。这种方法的优点是可以方便的测量轨道曲率半径。但是这种方法是通过测量相邻车体在曲线上的相对偏转来测量轨道曲率半径的，当半径较大时偏转角很小，往往超出目前通用仪器的测量范围，因此难以测量较大半径，而且目前的测量仪器条件下测量精度比较低。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服传统的轨道半径测量设备无法测量大半径的不足，提供一种应用于列车上基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统，该测量系统能够满足大半径测量要求，而且可以提高小半径测量精度。

本发明的解决方案是：基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统，特别是一种基于多组由载波相位差分GPS和惯性器件组成的组合测量平台测量轨道曲率半径的系统，所述的测量系统安装在列车上，它由至少三套组合测量平台、主处理器及存储和显示设备组成；其中：

每套组合测量平台由载波相位差分GPS、惯性器件和数据处理单元组成，所述载波相位差分GPS由多个测量型6PS天线和多个可以输出载波相位的GPS接收机组成，用来输出GPS相关数据，包括捕获信息、定位信息、星历信息、载波相位信息、GPS测量参考时间和秒脉冲信号PPS；惯性器件由一台三轴陀螺仪和一台三轴加速度计组成，用于输出组合测量平台内同步的惯性器件相关数据，包括惯性器件测量参考时间、三轴加速度、三轴角速度，其中三轴陀螺仪用来测量角速度，三轴加速度计用来测量加速度；载波相位差分GPS和惯性器件通过载波相位差分GPS输出的秒脉冲信号PPS同步；数据处理单元接收载波相位差分GPS的每个测量型GPS天线和GPS接收机测得的GPS相关数据及惯性器件测得的惯性器件相关数据，并将这些数据通过插值和滤波处理，得到同一组合测量平台内部同步的GPS相关数据及惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间，然后将GPS相关数据和惯性器件相关数据通过滤波处理得到载体姿态，同时将同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态数据通过总线传输到主处理器；

主处理器接收来自组合测量平台的数据，即同一组合测量平台内部同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间、运算得到的载体姿态数据，然后通过滤波和数据融合进行同步处理，得到不同组合测量平台之间高精度的同步的相关数据，对不同组合测量平台的GPS之间的同步的载波相位进行差分，就可以得到多组由GPS天线组成的基线向量，这些基线向量运动形成的轨迹与列车运行轨迹相关，反映了列车轨道信息，然后由角速度测量模型或基线测量模型分别得到粗略的测量半径，根据粗略测量的半径大小选择角速度测量模型(通过圆周运动角速度测量半径)或者基线测量模型(通过圆周多组弦线测量半径)，经过进行进一步处理得到精确的轨道曲率半径，并将需要的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据，发送到存储和显示设备；

存储和显示设备根据要求进行实时处理或事后处理，将主处理器的处理得到的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据存储到硬盘，以便进行事后处理或通过显示设备实时显示。

所述的测量系统安装在列车上的结构安排如下：至少三套组合测量平台安装在列车的不同部位，且相对距离尽量远；每个载波相位差分GPS(4)的四个测量型GPS天线呈矩形排布在同一节车厢车顶，且三套载波相位差分GPS的四个测量型GPS天线相对于所在车厢顶部的位置尽量一致；惯性器件安装在与铁轨运动一致的位置，即轮轴处或车底处，以减小悬挂偏差因素的影响。

所述的主处理器的轨道半径测量有角速度测量和基线测量两种测量模型；通过比较二者的精度，选取精度较高的数据，当轨道半径较小，即在800-1300米以下或者载波相位差分GPS不可用时，采用角速度测量模型，即利用圆周运动的角速度测量轨道曲率半径；当轨道半径较大，即800-1300米时，角速度值超出惯性器件的测量范围，采用基线测量模型，即通过载波相位差分GPS测量的载波相位差分得到多组基线，多组基线反映了包含车厢悬挂偏差、时延干扰信息的轨道信息，结合测得的载体姿态以及载体的运动特性和力学特性，采用滤波、优化、误差补偿方法，就可以尽量消除车厢悬挂偏差、时延以及其它误差的影响，得到轨道曲率半径。

大半径测量采用的基线测量法原理如下：固定于列车上的测量平台的相对位置反映了列车所在的轨道信息，因此通过精确测定固定于列车上的多个平台的相对位置结合其它的冗余信息，比如位置、姿态等信息，就可以测定列车所在轨道的曲率半径。在静态情况下，可以通过三个或者更多平台的相对位置信息，结合姿态等信息，进而解算得到轨道曲率半径。动态情况下，由于各个测量平台运行于相同的轨道，在轨道的同一点应具有相同的位置、速度信息，只是存在时间上的延迟和加速度、振动的影响。需要结合冗余信息，采用一定的技术手段，比如滤波，进行校正以消除干扰进而解算得到轨道曲率半径。在实时动态情况下，还需要考虑列车运动情况下数据传输、解算等因素造成的延时，根据列车速度做出距离改变的预算补偿，结合测得的位置得到对应位置的轨道曲率半径。考虑到载波相位差分GPS精确测定相对位置的特性，并通过加速度计和陀螺来弥补GPS信号难以保证的缺陷，保障信息的连续性，组成基于载波相位差分GPS、加速度计以及陀螺的多个分体惯性基准测量平台，就可以实现静态和实时动态情况下测量列车轨道曲率半径的目标。采用一定的软、硬件手段对载波相位差分GPS和惯性器件进行同步和耦合处理，使二者的数据尽量同步，以减小时间不同步造成的误差；对载波相位差分GPS作差分处理，通过合适的算法解算载波相位差分GPS的差分整周模糊度，保证数据的准确、实时和高精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：传统的铁路轨道半径测量采用惯性基准角速度测量法，无法满足大半径测量要求，而且精度比较低，在铁路检测要求越来越高的前提下远远不能满足测量要求。本发明采用角速度测量与基线测量相结合的方法，利用载波相位差分GPS和惯性器件耦合测量，不但提高了小半径情况下的测量精度，而且利用载波相位差分GPS测量高精度的相对位置的特性使得大半径也可以精确测量。本发明可以测量的范围宽，测量效率高、精度高，受列车运行速度和外力影响比较小，而且冗余信息多，可为多种设备提供数据。

附图说明

图1为本发明的组成结构图；

图2为本发明的软件流程图；

图3为本发明载波相位差分GPS得到基线向量和载体姿态流程图；

图4为本发明的整体工作流程图；

图5载波相位差分GPS的初始化流程图或工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由三套组合测量平台1、主处理器2及存储和显示设备3组成。

每套组合测量平台1由载波相位差分GPS4、惯性器件5和数据处理单元6组成。载波相位差分GPS4由四个测量型GPS天线和四个可以输出载波相位的GPS接收机7组成，用来输出GPS的相关数据，GPS的相关数据包括捕获信息、定位信息、星历信息、载波相位信息、GPS测量参考时间和秒脉冲信号PPS等；惯性器件5用于输出组合测量平台内同步的惯性器件相关数据，包括惯性器件测量参考时间、三轴加速度、三轴角速度，它由一台三轴陀螺仪8和一台三轴加速度计9组成，三轴陀螺仪8用来测量角速度，三轴加速度计9用来测量加速度；载波相位差分GPS4和惯性器件5通过载波相位差分GPS4输出的秒脉冲信号PPS同步；数据处理单元6接收载波相位差分GPS4的每个测量型GPS天线和GPS接收机7测得的GPS相关数据及惯性器件5测得惯性器件相关数据，并将这些数据通过插值和滤波等处理，得到同一组合测量平台1内部同步的GPS相关数据及惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间，然后将GPS相关数据和惯性器件相关数据通过滤波处理得到载体姿态，同时将同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态数据通过CAN总线或其它总线传输到主处理器；

主处理器2接收来自组合测量平台1的数据，即同一组合测量平台1内部同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间、运算得到的载体姿态数据，然后通过滤波和数据融合进行同步处理，得到不同组合测量平台之间高精度的同步的相关数据，对不同组合测量平台的GPS之间的同步的载波相位进行差分，就可以得到多组由GPS天线组成的基线向量，这些基线向量运动形成的轨迹与列车运行轨迹相关，反映了列车轨道信息，然后由角速度测量模型或基线测量模型分别得到粗略的测量半径，根据粗略测量的半径大小选择角速度测量模型或者基线测量模型，经过进行进一步处理得到精确的轨道曲率半径，并将需要的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据，发送到存储和显示设备3；

存储和显示设备3根据要求进行实时处理或事后处理，将主处理器2的处理得到的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据存储到硬盘，以便进行事后处理或通过显示设备实时显示。

如图2所示，本发明的数据处理单元6的具体实现过程如下：

(1)数据接收和初步处理

数据处理单元6实时接收载波相位差分GPS4的每个测量型GPS天线和GPS接收机测得的GPS相关数据，比如GPS参考测量时间、捕获信息、定位信息、星历信息、载波相位等，并判断GPS卫星是否失锁，直到读取未失锁的GPS相关数据。

数据处理单元6实时接收惯性器件5测得的惯性器件相关数据，包括角速度、加速度以及惯性器件的测量参考时间等数据，并根据角速度测量和姿态测量的要求进行力学编排。

(2)数据处理

将步骤(1)处理过的GPS相关数据和惯性器件相关数据根据参考时间进行排列，将GPS参考时间和惯性器件参考时间作为变量，对GPS数据和惯性器件数据进行线性插值，得到所有参考时间对应的GPS数据和惯性器件数据，这些数据是在同一组合测量平台内部同步的，然后检验修复GPS周跳，得到同一组合测量平台内部同步的GPS相关数据和惯性器件相关数据；

然后通过数据处理利用惯性器件数据得到角速度和载体姿态，利用载波相位差分GPS得到基线向量和载体姿态。

惯性器件得到角速度和载体姿态的技术属于领域内公知技术，参考以光衢《惯性导航原理》(航空工业出版社)，只是采用载波相位差分GPS实时标定。

载波相位差分GPS得到基线向量和载体姿态，如图3所示，载波相位定位公式如下：

$\mathrm{\λ}{\mathrm{\φ}}_R^j={\mathrm{\ρ}}_R^j+d{\mathrm{\ρ}}_n+c({\mathrm{dt}}^j-d{T}_R)+{\mathrm{\λN}}_R^j-d_{\mathrm{ion}}^j+d_{\mathrm{trep}}^j+\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{rx}}\right)+\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mult}}\right)$

其中，λ为载波的波长，φ_R ^j是接收机R到卫星j在t_k时刻的载波相位测量值，ρ_R ^j是接收机R到卫星j在t_k时刻的距离，dρ_n为距离误差，dt^j为卫星j的钟差，dT_R为接收机R的钟差，c为无线电传播速度，N_R ^j是载波相位的整周模糊度，d_ion ^j为电离层传播误差，d_trep ^j为对流层传播误差，ε(φ_rx)是由于接收机噪声而引起的相位测量误差；ε(φ_mult)是由于多路径效应而引起的相位测量误差。

对该公式作站际、星际差分，对于卫星i、j，接收机A、B，且当接收机A、B相距较近时，得到载波相位差分GPS的双差方程如下：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\mathrm{\λ}}[({\stackrel{\→}{S}}^i-{\stackrel{\→}{S}}^j)\·{\stackrel{\→}{b}}_{\mathrm{AB}}+\mathrm{\λ}{\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}+\mathrm{\ϵ}]$

其中，Δφ_AB ^ij为卫星i、j，接收机A、B的双差载波相位，

为卫星i、j相对于接收机A或B的向量(接收机A、B相距较近)，为接收机A、B组成的基线向量，ΔN_AB ^ij为卫星i、j，接收机A、B的双差整周模糊度，ε微小误差。可见，该双差方程已经消除了接收模块钟差、电离层误差、对流层误差等的大部分。

由于

的模长可以精确测定到毫米级，而且基本不变，因此根据几何约束及其它条件，求解双差整周模糊度，就可以得到高精度的相对位置向量：既可以求同一套载波相位差分GPS内部的GPS天线之间的相对位置向量，也可以求不同载波相位差分GPS的天线组成的基线向量。

通过固定在同一载体上的载波相位差分GPS的载波相位差分得到的基线的相对位置向量，利用双矢量定姿的原理：不共线的两个矢量可以得到载体姿态，利用两组基线向量在载体坐标系和GPS测得的WGS-84坐标系中的坐标，就可以得到载体姿态。对多个矢量组成矛盾方程求解载体相对WGS-84坐标系的高精度的姿态。这些均属于本领域技术人员的公知常识。

然后将得到的载体姿态数据、参考时间等数据通过Kalman滤波提高载体姿态的测量精度，并对惯性器件其它数据进行标定。

当GPS不可用时，如失锁或周跳难以修复，则采用惯性器件的数据得到载体位置、姿态数据等。

(3)数据发送

将步骤(2)得到的数据，包括组合测量平台内部同步的拟合参考时间、组合测量平台内同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、载体姿态等，通过CAN或者其它总线发送到主处理器2。

如图2所示，本发明的主处理器2的具体实现过程如下：

(1)数据接收和初步处理

接收多个组合测量平台1发送的数据，包括组合测量平台内部同步的拟合参考时间、组合测量平台内同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、载体姿态等，并把这些数据通过插值、数据融合得到整个系统同步的数据，包括整体同步的拟和参考时间、多个组合测量平台所在的载体的姿态、多组惯性器件数据、多组载波相位差分GPS数据等。

(2)数据处理

将步骤(1)得到的整体同步的惯性器件相关数据通过角速度测量模型(通过圆周运动角速度测量半径)，得到角速度测量的轨道曲线半径。

将步骤(1)得到的整体同步的GPS数据通过多基线测量模型(通过圆周上的多条弦线测量半径)，得到多基线测量的轨道曲线半径。

初步比较角速度测量的轨道曲线半径和多基线测量的轨道曲线半径的精度，结合半径大小，选择精度高的半径数据：当半径小于800-1300米或者载波相位差分GPS不可用时，采用惯性器件测得的半径数据，当载波相位差分GPS可用而且半径大于800-1300米时，采用载波相位差分GPS测得的半径数据。将选取的半径数据进行小波滤波处理，滤除高频噪声，减小列车悬挂偏差，得到高精度的轨道半径数据。

(3)数据发送

将初步处理得到的组合测量平台内部同步的拟合参考时间、组合测量平台内同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、载体姿态及最终得到的轨道曲率半径等数据发送到存储和显示设备3进行存储或实时显示。

如图3所示，该系统的整体工作模式分为初始化、正常工作两个阶段。首先进行惯性器件初始对准和载波相位差分GPS初始化，然后通过载波相位差分GPS得到的高精度数据对惯性器件进行标定。在正常工作阶段，有实时处理和时候处理两种模式。在事后处理模式下，将载波相位差分GPS和惯性器件测量的数据以及初步处理的数据进行归档，存储到硬盘，以便事后分析、处理；考虑列车运行和数据传输、处理的延时，就可以得到对应位置的轨道半径数据。在实时工作模式下，载波相位差分GPS和惯性器件实时耦合测量，考虑数据传输、处理的延时时间段内列车的运行距离，就可以得到GPS和惯性器件测量时刻列车相应位置的轨道半径数据。

如图4所示，载波相位差分GPS4的初始化以及工作工程如下：首先通电，使GPS天线和接收模块正常工作，然后进入GPS的卫星捕获模式，当捕获结束且捕获的具有相同伪随机码的卫星数不小于4的时候，载波相位差分GPS正常工作，不断获取接收模块的定位信息、参考时间、星历信息、载波相位等信息，并进行数据处理。在正常工作模式下，如果具有相同伪随机码的卫星数小于4，则需要重新捕获卫星。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统，其特征在于：所述的测量系统安装在列车上，它由至少三套组合测量平台(1)、主处理器(2)及存储和显示设备(3)组成；其中：

每套组合测量平台(1)由载波相位差分GPS(4)、惯性器件(5)和数据处理单元(6)组成，所述载波相位差分GPS(4)由多个测量型GPS天线和多个可以输出载波相位的GPS接收机(7)组成，用来输出GPS相关数据，包括捕获信息、定位信息、星历信息、载波相位信息、GPS测量参考时间和秒脉冲信号PPS；惯性器件(5)由一台三轴陀螺仪(8)和一台三轴加速度计(9)组成，用于输出组合测量平台内同步的惯性器件相关数据，包括惯性器件测量参考时间、三轴加速度、三轴角速度，其中三轴陀螺仪(8)用来测量角速度，三轴加速度计(9)用来测量加速度；载波相位差分GPS(4)和惯性器件(5)通过载波相位差分GPS(4)输出的秒脉冲信号PPS同步；数据处理单元(6)接收载波相位差分GPS(4)的每个测量型GPS天线和GPS接收机测得的GPS相关数据及惯性器件(5)测得的惯性器件相关数据，并将这些数据通过插值和滤波处理，得到同一组合测量平台(1)内部同步的GPS相关数据及惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间，然后将GPS相关数据和惯性器件相关数据通过滤波处理得到载体姿态，同时将同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态数据通过总线传输到主处理器(2)；

主处理器(2)接收来自组合测量平台(1)的数据，即同一组合测量平台(1)内部同步的GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间、运算得到的载体姿态数据，然后通过滤波和数据融合进行同步处理，得到不同组合测量平台之间高精度的同步的相关数据，对不同组合测量平台的GPS之间的同步的载波相位进行差分，就可以得到多组由GPS天线组成的基线向量，这些基线向量运动形成的轨迹与列车运行轨迹相关，反映了列车轨道信息，然后由角速度测量模型(通过圆周运动角速度测量半径)或基线测量模型(通过圆周多组弦线测量半径)分别得到粗略的测量半径，根据粗略测量的半径大小选择角速度测量模型或者基线测量模型，经过进行进一步处理得到精确的轨道曲率半径，并将需要的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据，发送到存储和显示设备(3)；

存储和显示设备(3)根据要求进行实时处理或事后处理，将主处理器(2)的处理得到的数据，包括GPS相关数据、惯性器件相关数据、同一组合测量平台内同步的拟合参考时间和载体姿态、基线向量和轨道曲率半径最终数据存储到硬盘，以便进行事后处理或通过显示设备实时显示。

2、根据权利要求1所述的基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量技术，其特征在于：所述的测量系统安装在列车上的结构安排如下：至少三套组合测量平台(1)安装在列车的不同部位，且相对距离尽量远；每个载波相位差分GPS(4)的四个测量型GPS天线呈矩形排布在同一节车厢车顶，且三套载波相位差分GPS(4)的四个测量型GPS天线相对于所在车厢顶部的位置尽量一致；惯性器件(5)安装在与铁轨运动一致的位置，即轮轴处或车底处，以减小悬挂偏差因素的影响。

3、根据权利要求1所述的基于多个分体惯性基准的轨道半径曲线测量系统，其特征在于：所述的主处理器(2)的轨道半径测量有角速度测量和基线测量两种测量模型；通过比较二者的精度，选取精度较高的数据，当轨道半径较小，即在800-1300米以下或者载波相位差分GPS不可用时，采用角速度测量模型，即利用圆周运动的角速度测量轨道曲率半径；当轨道半径较大，即超过800-1300米时，角速度值超出惯性器件的测量范围，采用基线测量模型，即通过载波相位差分GPS测量的载波相位差分得到多组基线，多组基线反映了包含车厢悬挂偏差、时延干扰信息的轨道信息，结合测得的载体姿态以及载体的运动特性和力学特性，采用滤波、优化、误差补偿方法，就可以尽量消除车厢悬挂偏差、时延以及其它误差的影响，得到轨道曲率半径。

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