CN105155372B - 一种基于ins/gnss与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法。包括：T型车体组件、INS/GNSS惯性传感器组件/导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、全站仪组件、反射镜组件、轨距测量组件、高精度里程计组件、测量系统控制计算机组件。具备上述结构的INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法，在测量区间内，全站仪、INS/GNSS两种测量方法在各测量段交替使用；全站仪在每一测量段的起点、终点使用，提供轨道两点绝对几何参数测量值；INS/GNSS在每一测量段内连续使用，提供各段两点间相对几何参数测量值；两者测量值无缝衔接；前者两点绝对几何参数测量值作为后者在该段内的完整性约束，保证后者在该段内能够满足测量精度要求。

Description

一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量 方法

技术领域

本发明涉及一种轨道几何参数检测装置及其方法，尤其是涉及一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法。

背景技术

目前轨道交通系统在轨道施工验收和常规养护维修过程中普遍采用两种常规测量方法，基于光学测量原理的全站仪轨道几何参数光学检测小车；基于惯性测量原理与全球导航卫星系统组合测量技术(INS/GNSS)的惯性检测小车。前者通过全站仪后视一定数量的轨道控制网CPIII点，(铁道控制网CPIII是铁路建设时沿线路布设的平面、高裎控制网，是轨道铺设和运营维护的基准，点位间隔一般为60米，可用于插放光学测量棱镜组。)确定全站仪的测站位置，全站仪通过测量小车上的光学棱镜来确定轨道位置坐标和几何参数，光学检测小车的优点是：精度高，适合于外部几何参数测量，在符合规定条件下可以满足线路横向偏差，线路垂向偏差的要求；缺点是：效率低，测量数据为离散型(通常间隔为0.625m),测量速度1.8km/工作日，不适合轨道内部几何参数测量。后者通过INS/GNSS轨道小车实时测量轨道的几何参数，INS/GNSS惯性检测小车的优点是：效率高，测量数据连续性高，测量速度可达5km/h以上，适合于内部几何参数测量，特别适合于轨道平顺性几何参数测量，缺点是：无法满足轨道外部几何参数测量达到毫米级精度的要求，长时间测量精度依赖于GNSS是否有效，里程计精度的高低，GNSS信号质量差或无效时，测量精度下降。

授权公告号CN 103821054 B中国专利的技术方案“一种基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量系统及方法”，试图解决“在GNSS信号长时间中断时，采用全站仪的测量值替换GNSS测量值来校正INS固有的积累误差，确保轨道几何状态的精准测量”。其发明方案是：“基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量系统，包括测量单元，测量单元包括测量设备和移动支架；测量设备包括全站仪测量系统、惯性测量单元、里程计和位移传感器，惯性测量单元、里程计和位移传感器安装于移动支架上；全站仪测量系统包括全站仪和反射面，全站仪置于移动支架上或外，反射面安装于移动支架或放置于轨道钢轨轨顶面。”“基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量方法，包括步骤：(1)移动支架在轨道上移动，惯性测量单元、里程计和位移传感器采集测量数据；(2)停止移动支架，采用全站仪测量系统静态测量以获得移动支架位置信息或轨道特定断面位置信息的测量数据；(3)采用全站仪测量数据辅助惯性测量单元、里程计和位移传感器的测量数据，对轨道进行组合定位定姿解算，获取轨道位置坐标和姿态角序列”。

授权公告号CN 103821054 B中国专利的技术方案只解决了“在GNSS信号长时间中断时，采用全站仪的测量值替换GNSS测量值来校正INS固有的积累误差，”并不能解决即使GNSS有效，INS/GNSS惯性检测小车也无法满足轨道外部几何参数测量值达到毫米级精度要求的问题。该专利认为在INS/GNSS的测量方式下，只要GNSS有效就可满足轨道几何参数测量精度要求，认为：“GNSS提供的高频(大于1Hz)高精度的三维位置和速度信息，是对INS最关键也是最佳的校正信息，对于长时间维持和保证INS的相对测量精度至关重要”，“本发明在GNSS信号长时间中断时，采用全站仪的测量值替换GNSS测量值来校正INS固有的积累误差，确保轨道几何状态的精准测量”，理论和实践证明：INS/GNSS测量方式的定位精度为cm级，无法达到mm级，目前的技术水平无法得出：“在INS/GNSS的测量方式下，只要GNSS有效就可满足轨道全部几何参数测量精度要求”的结论。CN 103821054 B中国专利的技术方案并不能解决存在的全部问题。该专利“采用全站仪对轨道测量小车或轨道特定断面(特定轨枕处)进行测量”，其方法也非最优。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法。包括：T型车体组件、INS/GNSS惯性传感器组件/导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、全站仪组件、反射镜组件、轨距测量组件、高精度里程计组件、推杆组件、测量系统控制计算机组件。

所述一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法。T型车体组件是轨道几何参数测量用的可移动刚性测量平台，包括纵梁、横梁、三个行走轮，三个行走轮装有刹车机构和三个高精度里程计组件，其中两个行走轮安装在纵梁两端，另一个行走轮安装在横梁左端；推杆组件、全站仪组件、从左至右分别安装在T型车体组件的横梁上方；轨距测量组件安装在横梁装有行走轮的一端；测量系统控制组件装配到T型车体组件纵梁中部上方；惯性传感器组件装配到测量系统控制组件上方；导航卫星接收天线移动站装配到惯性传感器组件上方；导航卫星接收天线基站组件安放在轨道线路能满足与导航卫星接收天线移动站无线通信距离要求的位置上，导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件之间采用无线通讯方式；满足测量数量要求的棱镜组件安装在轨道沿线设置的CPIII测量点基座上。

测量系统控制计算机组件包含传感器控制单元，数据采集及存储器单元，数据处理单元。传感器控制单元，数据采集及存储器单元控制采集全站仪组件、惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件、棱镜组件共同测量的T型车体组件位置、姿态信息；控制采集轨距测量组件、高精度里程计组件的轨距和里程信息；测量系统控制计算机组件的数据处理单元处理相关数据、解算测量参数、输出测量结果。

本发明由测量人员将一次测量区间划分为若干测量段，在整个测量区间内，全站仪、INS/GNSS两种测量方式交替使用；

全站仪在每一测量段的起点、终点使用，全站仪固放在T型车体组件上，通过观测在轨道沿线设置的满足测量数量要求的CPIII点上的棱镜组件，获得T型车体组件在轨道两点上的绝对位置水平、高程坐标测量值。

INS/GNSS在每一测量段内使用，提供轨道两点间连续相对几何参数测量值，全站仪测量的轨道两点绝对位置水平、高程坐标测量值作为INS/GNSS测量方式在该段内的完整性约束，保证INS/GNSS测量方式在该段内能够满足测量精度要求；INS/GNSS测量方式测量段的长度由该方式能够在该段内保持满足测量精度要求来确定。

T型车体组件的每个起、停点既是全站仪的测量点，除测量区间的起点和终点外，前一测量段的终点也是后一测量段的起点，实现全站仪测量值与INS/GNSS方式测量值无缝衔接，两种测量值无缝衔接是本测量方式在测量区间内保持测量精度的关键。

具体测量步骤如下：

第一步，测量人员将一次测量区间划分为若干测量段。测量段的数量根据一次工作任务确定，一个测量段的长度由INS/GNSS与全站仪组合使用测量方式能够保持的测量精度来确定；

第二步，将T型车体组件安放在第1测量段的起点上，手动向下压三个行走轮的刹车扳手，将T型车体组件稳固停放在第测量段的起点上；

第三步，启动测量系统控制计算机组件，其控制单元使惯性传感器组件、全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件、三个高精度里程计组件、轨距测量组件全部进入工作状态，准备好接收各测量组件的测量数据；

第四步，通过全站仪固有的方式调平全站仪组件，通过对轨道沿线设置的CPIII点上的棱镜组件进行观测，测量T型车体组件在该点的位置水平、高程坐标，测量结果自动输入测量系统控制计算机组件；

第五步，手动向上抬起三个行走轮的刹车扳手，释放三个行走轮，推动推杆组件，使T型车体组件以近匀速状态通过测量段，在T型车体组件运动过程中，惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件、三个高精度里程计组件、轨距测量组件进入测量状态，获取相应测量数据并有序输入测量系统控制计算机组件，推行者控制T型车体组件停止于该段终点，操作三个行走轮的刹车装置将T型车体组件稳固停放在该测量段的终点上；

第六步，重复第四步操作，测量T型车体组件在该点的位置水平、高程坐标，结果输入测量系统控制计算机组件；

第七步，重复第五、第六步操作，直至全站仪组件测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

第八步，测量系统控制计算机组件内的数处理单元完成以下工作：

a.对存储数据预处理，包括:对卫星接收天线数据和惯性测量单元、全站仪数据分别进行丢包分析；对卫星收天线数据、惯性测量数据进行绘图显示，包括平面轨迹曲线、纬度曲线、经度曲线、高度曲线、东北天速度曲线、惯性测量数据；

b.对卫星接收天线数据进行载波相位差分解算、得到高精度的卫星定位信息；

c.惯性信息、卫星信息、里程信息和全站仪两点完整性约束信息融合的导航解算，获得最佳位置、姿态信息；

d.对位置、姿态信息解算，获得轨道高低、轨向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程等九种轨道参数；

e.按要求的数据格式输出测量数据。

本发明与现有技术相比，其优点在于：采用把INS/GNSS测量方式和全站仪测量方式放在同一测量平台上，将一次测量区间划分为若干测量段，在整个测量区间内，全站仪、INS/GNSS两种测量方式在各个测量段内交替使用。全站仪在每一测量段的起点、终点使用，提供轨道两点绝对高精度几何参数测量值，INS/GNSS在每一测量段内使用，高效提供轨道两点间连续相对几何参数测量值，全站仪测量的轨道两点绝对几何参数测量值作为INS/GNSS测量方式在该段内的完整性约束，保证INS/GNSS测量方式在该段内能够满足测量精度要求。该结构特征和工作方式克服了现有全站仪测量方式和INS/GNSS测量方式各自存在的不足，充分发挥了INS/GNSS测量方式的高效率，测量数据高连续性特点，结合全站仪测量方式对轨道外部几何参数高精度测量优势，实现了对轨道全部几何参数的快速、高精度测量

附图说明

图1为本发明一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统实施例的结构示意图。

图2为本发明一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统实施例的测量控制系统组成图。

图3为本发明一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统实施例的测量控制工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例作进一步详细的说明。

如图1所示，在本实施例中，本发明提供一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统及方法。包括：T型车体组件(1)、惯性传感器组件(2)，导航卫星接收天线移动站组件(3)、导航卫星接收天线基站组件(4)、全站仪组件(5)、反射镜组件(6)、轨距测量组件(7)、高精度里程计组件(8)、测量系统控制计算机组件(9)、CPIII测量点基座(10)、推杆组件(11)。

如图1所示，T型车体组件(1)是轨道几何参数测量用的可移动刚性测量平台，由纵梁(1-1)、横梁(1-2)、三个行走轮(1-3)组成，三个行走轮(1-3)装有刹车装置和三个高精度里程计组件(8)，其中两个行走轮(1-3)安装在纵梁(1-1)两端，另一个行走轮(1-3)安装在横梁(1-2)左端；推杆组件(11)和全站仪组件(5)从左至右分别安装在T型车体组件(1)的横梁(1-2)上方；轨距测量组件(7)安装在横梁(1-2)装有行走轮(1-3)的一端；测量系统控制计算机组件(9)装配到T型车体组件(1)纵梁(1-1)中部上方；惯性传感器组件(2)装配到测量系统控制计算机组件(9)上方；导航卫星接收天线移动站组件(3)装配到惯性传感器组件(2)上方；导航卫星接收天线基站组件(4)安放在轨道线路能满足与导航卫星接收天线移动站组件(3)无线通信距离要求的位置上，导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)之间采用无线通讯方式；满足测量数量要求的棱镜组件6安装在轨道沿线设置的CPIII测量点基座(10)上。

如图2所示：测量系统控制计算机组件(9)包含传感器控制单元，数据采集及存储器单元，数据处理单元。传感器控制单元，数据采集及存储器单元控制采集全站仪组件(5)、惯性传感器组件(2)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、棱镜组件(6)共同测量的T型车体组件(1)位置、姿态信息；控制采集轨距测量组件(7)、高精度里程计组件(8)的轨距和里程信息；测量系统控制计算机组件(9)的数据处理单元处理相关数据、解算测量参数、输出测量结果。

本发明由测量人员将一次测量区间划分为若干测量段，在整个测量区间内，全站仪组件(5)、INS/GNSS两种测量方式交替使用；

全站仪组件(5)在每一测量段的起点、终点使用，全站仪组件(5)固放在T型车体组件(1)上，通过观测在轨道沿线设置的满足测量数量要求的CPIII点上的棱镜组件(6)，获得T型车体组件(1)在轨道两点上的绝对位置水平、高程坐标测量值。

INS/GNSS测量方式在每一测量段内使用，提供轨道两点间连续相对几何参数测量值，全站仪组件(5)测量的轨道两点绝对位置水平、高程坐标测量值作为INS/GNSS测量方式在该段内的完整性约束，保证INS/GNSS测量方式在该段内能够满足测量精度要求；INS/GNSS测量方式测量段的长度由该方式能够在该段内保持满足测量精度要求来确定。

T型车体组件(1)的每个起、停点既是全站仪组件(5)的测量点，除测量区间的起点和终点外，前一测量段的终点也是后一测量段的起点，实现全站仪组件(5)测量值与INS/GNSS方式测量值无缝衔接，两种测量值无缝衔接是本测量方式在测量区间内保持测量精度的关键。

如图3所示：采用所述基于INS/GNSS与全站仪组件(5)组合使用的轨道几何参数测量系统测量控制工作流程图：

第一步，测量人员将一次测量区间划分为若干测量段。测量段的数量根据一次工作任务确定，一个测量段的长度由INS/GNSS测量方式与全站仪组件(5)组合使用测量方式所能保持的测量精度来确定；

第二步，将T型车体组件(1)安放在第1测量段的起点上，手动向下压三个行走轮(1-3)的刹车扳手，将T型车体组件(1)稳固停放在第1测量段的起点上；

第三步，启动测量系统控制计算机组件(9)，其控制单元使惯性传感器组件(2)、全站仪组件(5)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、三个高精度里程计组件(8)、轨距测量组件(7)全部进入工作状态，准备好接收各测量组件的测量数据；

第四步，通过全站仪固有的方式调平全站仪组件(5)，通过对轨道沿线设置的CPIII点上安装的棱镜组件(6)进行观测，测量T型车体组件(1)在该点的位置水平、高程坐标，测量结果自动输入测量系统控制计算机组件(9)；

第五步，手动向上抬起三个行走轮(1-3)的刹车扳手，释放三个行走轮(1-3)，推动推杆组件(11)，使T型车体组件(1)以近匀速状态通过测量段，在T型车体组件(1)运动过程中，惯性传感器组件(2)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、三个高精度里程计组件(8)、轨距测量组件(7)进入测量状态，获取相应测量数据并有序输入测量系统控制计算机组件(9)，推行者控制T型车体组件(1)停止于该段终点，手动向下压三个行走轮(1-3)的刹车扳手，将T型车体组件(1)稳固停放在该测量段的终点上；

第六步，首先判断是否到达测量区间的最后一个测量段的终点，如果没到，则重复第四步操作，测量T型车体组件(1)在该点的位置水平、高程坐标，测量结果输入测量系统控制计算机组件(9)；

第七步，重复第五、第六步操作，直至全站仪组件(5)测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

第八步，测量系统控制计算机组件(9)内的数处理单元完成以下工作：

a.对存储数据预处理；

b.对卫星接收天线数据进行载波相位差分解算、得到高精度的卫星定位信息；

c.惯性信息、卫星信息、里程信息和全站仪两点完整性约束信息融合的导航解算，获得最佳位置、姿态信息；

d.对位置、姿态信息解算，获得轨道高低、轨向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程等九种轨道参数；

e.按要求的数据格式输出测量数据。

本发明克服了现有全站仪测量方式和INS/GNSS测量方式各自存在的不足，充分发挥了NS/GNSS测量方式的高效率，测量数据高连续性特点，结合全站仪测量方式对轨道外部几何参数高精度测量优势，实现了对轨道全部几何参数的快速、高精度测量。

总之，本发明的实施例公布的是其较佳的实施方式，但并不限于此。本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统，其特征在于：包括T型车体组件(1)、惯性传感器组件(2)，导航卫星接收天线移动站组件(3)、导航卫星接收天线基站组件(4)、全站仪组件(5)、棱镜组件(6)、轨距测量组件(7)、高精度里程计组件(8)、测量系统控制计算机组件(9)、CPIII测量点基座(10)和推杆组件(11)；T型车体组件(1)是轨道几何参数测量用的可移动刚性测量平台，由纵梁(1-1)、横梁(1-2)和三个行走轮(1-3)组成，三个行走轮(1-3)装有一个具有刹车扳手的刹车装置和三个高精度里程计组件(8)，其中两个行走轮(1-3)安装在纵梁(1-1)两端，另一个行走轮(1-3)安装在横梁(1-2)左端；推杆组件(11)和全站仪组件(5)从左至右分别安装在T型车体组件(1)的横梁(1-2)上方；轨距测量组件(7)安装在横梁(1-2)装有行走轮(1-3)的一端；测量系统控制计算机组件(9)装配到T型车体组件(1)纵梁(1-1)中部上方；惯性传感器组件(2)装配到测量系统控制计算机组件(9)上方；导航卫星接收天线移动站组件(3)装配到惯性传感器组件(2)上方；导航卫星接收天线基站组件(4)安放在轨道线路能满足与导航卫星接收天线移动站组件(3)无线通信距离要求的位置上，导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)之间采用无线通讯方式；满足测量数量要求的棱镜组件(6)安装在轨道沿线设置的CPIII测量点基座(10)上；全站仪组件(5)、惯性传感器组件(2)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、棱镜组件(6)共同测量T型车体组件(1)位置、姿态信息；轨距测量组件(7)、高精度里程计组件(8)分别输出轨距和里程信息；测量系统控制计算机组件(9)包含传感器控制单元、数据采集及存储器单元、数据处理单元，测量系统控制计算机组件(9)控制相关测量传感器，采集存储数据、处理数据、解算测量参数、输出测量结果；

测量人员将一次测量区间划分为若干测量段，在整个测量区间内，全站仪、INS/GNSS两种测量方式交替使用，全站仪在每一测量段的起点、终点使用，提供轨道两点绝对几何参数测量值；INS/GNSS在每一测量段内使用，提供轨道两点间相对几何参数测量值；INS/GNSS测量方式测量段的长度由该方式能够在该段内保持满足测量精度要求来确定；全站仪测量的轨道两点绝对几何参数测量值作为INS/GNSS测量方式在该段内的完整性约束，保证INS/GNSS测量方式在该段内保持满足测量精度要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统，其特征在于：所述的全站仪组件(5)通过对在轨道沿线设置的满足测量数量要求的CPIII点上的棱镜组件(6)进行观测，测量T型车体组件(1)在每个起、停点的位置坐标，全站仪组件(5)的测量点与T型车体组件(1)在每个起、停点重合，实现全站仪组件(5)测量值与惯性传感器组件(2)/导航卫星接收天线移动站组件(3)测量值在公共测量点上无缝衔接，两种测量值无缝衔接是本测量方式在测量区间内保持测量精度的关键点。

3.一种利用权利要求1或2所述的基于INS/GNSS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量系统实现轨道几何参数测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，测量人员将一次测量区间划分为若干测量段，测量段的数量根据一次工作任务确定，一个测量段的长度由INS/GNSS与全站仪组合使用测量方式能够保持的测量精度来确定；

第二步，将T型车体组件(1)安放在第1测量段的起点上，手动向下压三个行走轮(1-3)的刹车扳手，将T型车体组件(1)稳固停放在第1测量段的起点上；

第三步，启动测量系统控制计算机组件(9)，其控制单元使惯性传感器组件(2)、全站仪组件(5)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、三个高精度里程计组件(8)、轨距测量组件(7)全部进入工作状态，准备好接收各测量组件的测量数据；

第四步，通过全站仪固有的方式调平全站仪组件(5)，通过对轨道沿线安装在CPIII测量点基座(10)上的棱镜组件(6)的观测，测量T型车体组件(1)在该点的位置水平、高程坐标，测量结果自动输入测量系统控制计算机组件(9)；

第五步，手动向上抬起三个行走轮(1-3)的刹车扳手，释放三个行走轮(1-3)，推动推杆组件(11)，使T型车体组件(1)以近匀速状态通过测量段，在T型车体组件(1)运动过程中，惯性传感器组件(2)、导航卫星接收天线移动站组件(3)与导航卫星接收天线基站组件(4)、三个高精度里程计组件(8)、轨距测量组件(7)进入测量状态，获取相应测量数据并有序输入测量系统控制计算机组件(9)，推行者控制T型车体组件(1)停止于该段终点，手动向下压三个行走轮(1-3)的刹车扳手，将T型车体组件(1)稳固停放在该测量段的终点上；

第六步，重复第四步操作，测量T型车体组件(1)在该点的位置水平、高程坐标，测量结果输入测量系统控制计算机组件(9)；

第七步，重复第五、第六步操作，直至全站仪组件(5)测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

第八步，测量系统控制计算机组件(9)内的数据处理单元完成以下工作：

a.对存储的数据进行预处理；

b.对卫星接收天线数据进行载波相位差分解算、得到高精度的卫星定位信息；

c.惯性信息、卫星信息、里程信息和全站仪两点完整性约束信息融合的导航解算，获得最佳位置、姿态信息；

d.对位置、姿态信息解算，获得轨道高低、轨向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程九种轨道参数；

e.按要求的数据格式输出测量数据。