CN106597513A - 一种基于多模导航系统的轨道检测系统和数字化地图生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模导航系统的轨道检测系统和数字化地图生成方法，卫星信号接收机获取卫星信号之后，将信号输入数据处理单元，数据处理单元对信号进行解算，得到精确定位坐标存储在存储单元中。特定软件根据定位坐标可生成数字化地图，方便铁路工务工作者使用。

Description

一种基于多模导航系统的轨道检测系统和数字化地图生成 方法

技术领域

本发明涉及一种基于多模导航系统的轨道检测系统和数字化地图生成方法。

背景技术

目前为了实现轨道检测和生成相应的数字地图，一般都是采用轨道检测仪器沿轨道运动，以获得相应的轨道数据，但现有技术手段下制作的轨道检测仪器一般采用陀螺仪等传感器，综合现有的轨检仪装置运行情况，其缺点如下：

1)精度较低，由于采用的传感器不能全局测量，其累计误差较大。

2)可测弦长较短，导致长弦检测只能采用拼接技术，多次拼接后结果误差较大。

3)制作成本高，传感器及机械结构要求极高，成本高昂。

发明内容

为了克服目前轨检仪数据采集不准确的技术问题，本发明提供一种能够准确采集轨道数据并实现准确生成数字地图的基于多模导航系统的轨道检测系统和数字化地图生成方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于多模导航系统的轨道检测系统，包括轨检仪本体、卫星信号接收装置、用户终端,

所述轨检仪本体设置于铁路轨道上并沿铁路轨道运动；

所述的信号接收装置包括安装于轨检仪上的卫星定位信号接收机；

所述的用户终端包括互相通信连接的数据处理单元、存储单元和显示装置，所述的数据处理单元通信连接信号接收装置，所述的存储单元和显示装置分别通信连接数据处理单元。

一种基于多模导航系统的铁路轨道检测的数字化地图的生成方法，采用如权利要求1所述的基于多模导航系统的轨道检测系统，包括以下步骤：

步骤一：沿铁路轨道移动检仪本体，并利用信号接收装置采集沿途的坐标信号；

步骤二：将步骤1中得到的坐标信号经数据处理单元进行差分处理，得到精确坐标并储存在储存单元中；

步骤三：利用精确坐标生成数字化地图。

所述的方法，所述的步骤二的具体步骤为：

步骤1，按零基线法连接卫星信号接收装置，将接受装置设置于沿铁轨轨道移动的物体上并进行卫星信号接收；

步骤2，接收到卫星信号后，计算表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差放大程度的GDOP值，取同一历元中GDOP值最小的四颗星作为解算用卫星；

步骤3，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据；

步骤4，采用LAMBDA法固定整周模糊度；

步骤5，根据步骤2、3、4的结果计算各采样点坐标。

所述的方法，所述的步骤1中，所述的零基线法连接卫星信号接收装置，是设置两台接收机，并通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站。

所述的方法，所述的步骤1中，在通过零基线法接收到卫星信号后，将卫星信号数据再进行差分处理。

所述的方法，所述的步骤2中，GDOP值V_GDOP通过以下公式计算：

其中，H为导航系统测量矩阵，trace是指矩阵(H^T*H)对角线元素之和，H^T是矩阵H的转置矩阵；

其中，表示第i颗卫星方向余弦。

所述的方法，所述的步骤3中，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳的步骤包括：

(1)由计算预报值：

其中X(i|i)为t_i时刻状态向量，为由X(i|i)预测的t_i+1时刻状态向量；

(2)由P(i|i)计算预报误差方差阵：

P(i+1|i)=φP(i|i)φ^T+ΓQΓ^T

式中，Q=Eq(i)²，q(i)为误差模型，E为单位矩阵，P(i|i)为误差方阵，P(i+1|i)为由P(i|i)计算预报误差方差阵， T为采样间隔；

(3)计算增益矩阵和预报残差：

式中μ为检验周跳的阀门值，K(i+1)为增益矩阵，v(i+1)为预报残差，B为系统参数矩阵；

(4)计算滤波值和滤波误差方差阵：

当|v(i+1)|＜μ、|v(i+2)|＜μ，则把i改为i+1，滤波再返回步骤(1)继续进行递推，当|v(i)|＜μ、|v(i+1)|＞μ时，对|v(i+2)|的周跳阀门值应改为μ(＞μ)，若：

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

此时L(i+1)，L(i+2)，……，L(i+N)如果大致符合一条三次曲线，即90％以上的点符合一条三次曲线，则判断有周跳发生，当

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

成立，卡尔曼滤波递推到i+2为止，即完成对一个历元的周跳验证，再从i+3开始重新计算与P(0|0)，返回步骤(1)开始验证下一个历元，直到遍历所有历元。

所述的方法，所述的步骤4中，采用LAMBDA法固定整周模糊度的步骤包括：

根据公式：

其中，P、L分别表示伪距和相位观测值，单位为m，上标k表示卫星，下表i表示接收机，小标F表示频点；

p＝|r_i-r^k|表示信号从卫星传播到接收机通过的空间距离，单位为m，r_i＝[x_i，y_i，z_i]^T，r^k＝[x^k，y^k，z^k]^T分别为测站和卫星的位置矢量；

dt，δt分别表示接收机和卫星钟差(sec)；

G：对流层延迟(m)；

电离层延迟(m)，α为常量，TEC为信号传播路径的电子密度总量，f_F为信号频率；

dm，δm：分别为伪距和相位观测量的多径误差(m)；

N：相位模糊度(cycle)；

λ：载波波长(m/cycle)；

c：光在真空中传播的速度(m/sec)；

e，ε：分别为伪距和相位观测噪声(m)；

先计算模糊度实数解，再利用搜索算法将模糊度实数解约束为整数解，采用模糊度最小二乘降相关判定搜索算法。

所述的方法，所述的步骤5中，计算各采样点坐标的步骤为：

根据步骤2确定选择的卫星之后，得到4颗卫星坐标(x，y，z)，

根据公式：

其中：为载波相位观测量，λ为载波波长，r为卫星与接收机几何距离，

(X，Y，Z)为待求采样点坐标，δt_u为接收机钟差，δt^(s)为卫星钟差，I为电离层延迟，G为对流层延迟，N为步骤4求得的整周模糊度，为测量噪声，利用4颗卫星列观测方程组并求解，得到采样点坐标(X，Y，Z)。

所述的方法，所述的步骤三的具体步骤为：

根据步骤二得到的采样点坐标，以每个采样点在数字化地图中显示为一节点，通过计算任意两节点的坐标以及铁路轨道标准值，得到数字化地图。

本发明通过卫星定位技术，能够准确解算出铁轨精确坐标，并通过相应的坐标得到精确的数字化地图，实现了成本低且精确的数字化地图制作。

附图说明

图1为本发明轨道检测系统示意图；

图2为本发明轨道检测系统的电路示意图；

图3为轨迹地图的示意图；

图4为图3小方框内小范围轨迹地图的示意图；

图中1为铁轨，2为轨检仪本体，3为安装在轨检仪上的两台精度定位装置，4为终端，5为轨检仪的运行轨迹，6为从轨检仪的运行轨迹上截取的一个小方框。

具体实施方案

图1为基于多模导航系统的轨检仪示意图，图中1为两根铁轨，2为轨检仪本体，3为安装在轨检仪上的两台精度定位装置，4为用户终端，包含了数据处理单元、存储单元、输出装置。轨检仪本体设置于铁路轨道上并沿铁路轨道运动，信号接收装置包括安装于轨检仪上的卫星定位信号接收机。

图2为该系统各个部分的联系，定位装置在接收到卫星信号以后将信号及定位坐标传输给数据处理单元，数据处理单元将信号及坐标进行处理解算，得到精确位置。数据处理单元再将处理结果存储在存储单元，方便使用者查找以及分析。一旦有需要，数据处理单元又将信息从存储单元中提取出来，传输到输出装置中，可根据使用者的需求决定以何种方式表现出来，显示在显示器中。

数据处理单元中特定软件可将得到的精确坐标生成一幅轨检仪(即定位装置)运行轨迹的三维地图。

图3为一幅大范围轨检仪运行轨迹的俯视图，1为轨检仪的运行轨迹，2为我们截取的一个小方框。

图4为放大的图三小方框内的轨检仪运行轨迹示意图，该图中每一个点即为定位装置采样的点，任意两点之间的距离可由坐标算出。所以，该装置可以得到范围允许内的任意两点之间的弦长，尤其在铁路轨道长弦测量中有极大优势，相较于一般以小推大弦测法减少了多次测量的累积误差。

在进行坐标点采样以建立数字化地图时，包括以下步骤：

步骤一：沿铁路轨道移动检仪本体，并利用信号接收装置采集沿途的坐标信号；

步骤二：将步骤1中得到的坐标信号经数据处理单元进行差分处理，得到精确坐标并储存在储存单元中；

步骤三：利用精确坐标生成数字化地图。

其中步骤二的具体步骤为：

步骤(1)：北斗定位坐标解算

北斗卫星定位精度的提高，主要从数据源质量和关键参数解算两个方面进行改进。

1).星座构型

同一历元会有多颗可见星，利用最小GDOP法选择4颗卫星。适当提高卫星仰角门限并且根据卫星轨道特性排除明显不符合要求的卫星，降低解算空间。

GDOP值表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差的放大程度。

其中，H为导航系统测量矩阵，

其中，表示第i颗卫星方向余弦，

降低GDOP值则可提高定位精度。

2).观测量主要误差修正

接收机i观测到卫星k的伪距和相位观测值分别表示如下：

其中各符号意义如下：

P，L：分别表示伪距和相位观测值(m)，上标k表示卫星，下表i表示接收机，小标F表示频点；

ρ＝|r_i-r^k|：表示信号从卫星传播到接收机通过的空间距离(m)，r_i＝[x_i，y_i，z_i]^T，r^k＝[x^k，y^k，z^k]^T分别为测站和卫星的位置矢量；

dt，δt：分别表示接收机和卫星钟差(sec)；

G：对流层延迟(m)；

电离层延迟(m)，α为常量，TEC为信号传播路径的电子密度总量，f_F为信号频率；

dm，δm：分别为伪距和相位观测量的多径误差(m)；

N：相位模糊度(cycle)；

λ：载波波长(m/cycle)；

c：光在真空中传播的速度(m/sec)；

e，ε：分别为伪距和相位观测噪声(m)。

上述公式反映了接收机观测值的主要误差源，可将其分为三类：(1)与卫星相关的误差，主要包含卫星星历误差、卫星钟差和卫星天线相位中心偏差；(2)与信号传播相关的误差，主要包含电离层和对流层延迟；(3)与接收机相关的误差，主要包含接收机天线相位中心偏差、多路径效应和测量噪声。

为有效去除上述误差，采用零基线差分处理，即两台接收机通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站，再将数据经过差分处理，可有效消除卫星星历误差、卫星钟差、卫星天线相位中心偏差、电离层延迟、对流层延迟、天线相位中心偏差、多路径效应。

3).周跳及粗差探测

采用卡尔曼滤波方法探测周跳，各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据，其步骤为：

(1)由计算预报值：

(2)由P(i|i)计算预报误差方差阵：

P(i+1|i)＝φP(i|i)φ^T+ΓQΓ^T

式中，Q＝Eq(i)²；

(3)计算增益矩阵和预报残差：

式中μ为检验周跳的阀门值；

(4)计算滤波值和滤波误差方差阵：

当|v(i+1)|＜μ、|v(i+2)|＜μ，则把i改为i+1，滤波再返回步骤(1)继续进行递推，当|v(i)|＜μ、|v(i+1)|＞μ时，对|v(i+2)|的周跳阀门值应改为μ(＞μ)，若：

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

此时L(i+1)，L(i+2)，……，L(i+N)如果大致符合一条三次曲线，即90％以上的点符合一条三次曲线，则判断有周跳发生，当

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

成立，卡尔曼滤波递推到i+2为止，从i+3开始重新计算与P(0|0)，返回步骤(1)开始验证下一个历元，直到遍历所有历元。

4).关键参数解算

根据公式：

已知经过零基线差分处理后，主要误差均被消除，剩余的接收机测量噪声可由滤波算进行抑制。因此，优化整周模糊度解算方法是提高北斗系统定位精度的主要手段。模糊度解算一般分为两个步骤，先计算模糊度实数解，再利用搜索算法将模糊度实数解约束为整数解。为提高整数最小二乘法的搜索速度，采用LAMBDA方法，全称为模糊度最小二乘降相关判定。

步骤(2)：长弦轨向计算

根据上述结果计算各采样点坐标的步骤为：

根据步骤2确定选择的卫星之后，得到4颗卫星坐标(x，y，z)，

根据公式：

其中：为载波相位观测量，λ为载波波长，r为卫星与接收机几何距离，

(X，Y，Z)为待求采样点坐标，δt_u为接收机钟差，δt^(s)为卫星钟差，I为电离层延迟，G为对流层延迟，N为步骤4求得的整周模糊度，为测量噪声，利用4颗卫星列观测方程组并求解，得到采样点坐标(X，Y，Z)。

得到数字化地图的步骤三的具体步骤为：

根据步骤二得到的采样点坐标，以每个采样点在数字化地图中显示为一节点，通过计算任意两节点的坐标以及铁路轨道标准值，得到数字化地图。

Claims (10)

1.一种基于多模导航系统的轨道检测系统，其特征在于：包括轨检仪本体、卫星信号接收装置、用户终端，

所述轨检仪本体设置于铁路轨道上并沿铁路轨道运动；

所述的信号接收装置包括安装于轨检仪上的卫星定位信号接收机；

所述的用户终端包括互相通信连接的数据处理单元、存储单元和显示装置，所述的数据处理单元通信连接信号接收装置，所述的存储单元和显示装置分别通信连接数据处理单元。

2.一种基于多模导航系统的铁路轨道检测的数字化地图的生成方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于多模导航系统的轨道检测系统，包括以下步骤：

步骤一：沿铁路轨道移动检仪本体，并利用信号接收装置采集沿途的坐标信号；

步骤二：将步骤1中得到的坐标信号经数据处理单元进行差分处理，得到精确坐标并储存在储存单元中；

步骤三：利用精确坐标生成数字化地图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的步骤二的具体步骤为：

步骤1，按零基线法连接卫星信号接收装置，将接受装置设置于沿铁轨轨道移动的物体上并进行卫星信号接收；

步骤2，接收到卫星信号后，计算表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差放大程度的GDOP值，取同一历元中GDOP值最小的四颗星作为解算用卫星；

步骤3，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据；

步骤4，采用LAMBDA法固定整周模糊度；

步骤5，根据步骤2、3、4的结果计算各采样点坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的零基线法连接卫星信号接收装置，是设置两台接收机，并通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，在通过零基线法接收到卫星信号后，将卫星信号数据再进行差分处理。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，GDOP值V_GDOP通过以下公式计算：

$V_{GDOP}=\sqrt{trace{(H^T*H)}^{-1}}$

其中，H为导航系统测量矩阵，trace是指矩阵(H^T*H)对角线元素之和，H^T是矩阵H的转置矩阵；

$H=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\α}}_X^1& {\mathrm{\α}}_Y^1& {\mathrm{\α}}_Z^1& 1& 0\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\mathrm{\α}}_X^n& {\mathrm{\α}}_Y^n& {\mathrm{\α}}_Z^n& 1& 0\end{array}\right]$

其中，表示第i颗卫星方向余弦。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳的步骤包括：

(1)由计算预报值：

$\hat{X}(i+1|i)=\mathrm{\φ}X\left(i\right|i),i\≥0;$

其中X(i|i)为t_i时刻状态向量，为由X(i|i)预测的t_i+1时刻状态向量；

(2)由P(i|i)计算预报误差方差阵：

P(i+1|i)＝φP(i|i)φ^T+ГQГ^T

式中，Q＝Eq(i)²，q(i)为误差模型，E为单位矩阵，P(i|i)为误差方阵，P(i+1|i)为由P(i|i)计算预报误差方差阵， T为采样间隔；

(3)计算增益矩阵和预报残差：

K(i+1)＝P(i+1|i)B^T(BP(i+1|i)B^T+σ²)^-1

$v(i+1)=L(i+1)-B\hat{X}(i+1|i)$

|v(i+1)|＜μ

式中μ为检验周跳的阀门值，K(i+1)为增益矩阵，v(i+1)为预报残差，B为系统参数矩阵；

(4)计算滤波值和滤波误差方差阵：

$\hat{X}(i+1|i+1)=\hat{X}(i+1|i)+K(i+1)v(i+1)$

P(i+1|i+1)＝(I-K(i+1)B)P(i+1|i)

当|v(i+1)|＜μ、|v(i+2)|＜μ，则把i改为i+1，滤波再返回步骤(1)继续进行递推，当|v(i)|＜μ、|v(i+1)|＞μ时，对|v(i+2)|的周跳阀门值应改为μ(＞μ)，若：

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

此时L(i+1)，L(i+2)，……，L(i+N)如果大致符合一条三次曲线，即90％以上的点符合一条三次曲线，则判断有周跳发生，当

|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ

成立，卡尔曼滤波递推到i+2为止，即完成对一个历元的周跳验证，再从i+3开始重新计算与P(0|0)，返回步骤(1)开始验证下一个历元，直到遍历所有历元。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中，采用LAMBDA法固定整周模糊度的步骤包括：

根据公式：

$P_{i,F}^k={\mathrm{\ρ}}_i^k+c*({\mathrm{dt}}_i-{\mathrm{\δt}}^k)+G_i^k+I_{i.F}^k+{\mathrm{dm}}_{i,F}^k+e_{i,F}^k$

$L_{i,F}^k={\mathrm{\ρ}}_i^k+c*({\mathrm{dt}}_i-{\mathrm{\δt}}^k)+G_i^k-I_{i.F}^k+{\mathrm{\λ}}_F*N_{i,F}^k+{\mathrm{\δm}}_{i,F}^k+{\mathrm{\ϵ}}_{i,F}^k$

其中，P、L分别表示伪距和相位观测值，单位为m，上标k表示卫星，下表i表示接收机，小标F表示频点；

ρ＝|r_i-r^k|表示信号从卫星传播到接收机通过的空间距离，单位为m，r_i＝[x_i，y_i，z_i]^T，r^k＝[x^k，y^k，z^k]^T分别为测站和卫星的位置矢量；

dt，δt分别表示接收机和卫星钟差(sec)；

G：对流层延迟(m)；

电离层延迟(m)，α为常量，TEC为信号传播路径的电子密度总量，f_F为信号频率；

dm，δm：分别为伪距和相位观测量的多径误差(m)；

N：相位模糊度(cycle)；

λ：载波波长(m/cycle)；

c：光在真空中传播的速度(m/sec)；

e，ε：分别为伪距和相位观测噪声(m)；

先计算模糊度实数解，再利用搜索算法将模糊度实数解约束为整数解，采用模糊度最小二乘降相关判定搜索算法。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中，计算各采样点坐标的步骤为：

根据步骤2确定选择的卫星之后，得到4颗卫星坐标(x，y，z)，

根据公式：

其中：为载波相位观测量，λ为载波波长，r为卫星与接收机几何距离，

$r=\sqrt{{(x-X)}^2+{(y-Y)}^2+{(z-Z)}^2}$

(X，Y，Z)为待求采样点坐标，δt_u为接收机钟差，δt(s)为卫星钟差，I为电离层延迟，G为对流层延迟，N为步骤4求得的整周模糊度，为测量噪声，利用4颗卫星列观测方程组并求解，得到采样点坐标(X，Y，Z)。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的步骤三的具体步骤为：

根据步骤二得到的采样点坐标，以每个采样点在数字化地图中显示为一节点，通过计算任意两节点的坐标以及铁路轨道标准值，得到数字化地图。