CN107687114B - 一种轨道绝对位置与偏差测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁路轨道检测技术领域，公开了一种轨道绝对位置与偏差测量方法，包括：原始数据采集；时间同步原始数据；进行组合定位解算；通过航迹推算消除组合导航位置跳变，估计安装误差角；获得左右轨的大地坐标；通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高；将左右轨在当地坐标系下的三维坐标转换为施工里程，并根据设计文件计算对应里程的位置偏差量。本发明解决了现有技术中轨道绝对位置检测方法对检测设备的要求较高、测量效率较低、操作较为复杂的问题，达到了对轨道的绝对位置与偏差进行高精度、高效率测量的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及铁路轨道检测技术领域，尤其涉及一种轨道绝对位置与偏差测量方法。
背景技术
轨道检测在轨道建设和运营过程中都是至关重要的工作，主要包含两个方面：绝对位置检测和相对位置检测。其中绝对位置检测是指测量轨道左右轨在当地坐标系下的三维坐标并与设计坐标做差计算偏差量的过程。
目前常用的轨道绝对位置检测方法主要分为两种，一种是基于全站仪的测量方法，其检测原理和方法是以CPIII控制点为基准，将全站仪架设在轨道中线附近，通过CPIII控制点进行自由设站，然后观测架设在左右轨上离散特征点，得到其三维坐标及与设计值的偏差；另一种是基于多传感器组合的测量方法，常用的传感器包括惯性传感器(陀螺仪、加速度计)、里程计、激光扫描仪、相机等。如采用激光扫描与惯性传感器组合的方式，通过观测安装在控制点上的棱镜测量激光转角与倾角并与惯性传感器获取的姿态信息结合得到轨道与控制点的相对位置关系，进一步根据控制点坐标计算轨道点坐标及其与设计坐标的偏差量。
基于全站仪的绝对位置检测方法需要对各离散点进行逐个观测，测量效率低且对操作人员要求较高；而激光扫描与惯性器件组合的方法为满足高精度检测对倾角转角测量单元要求较高，且需要在测段沿线控制点上都架设棱镜，操作较为复杂。
发明内容
本发明实施例通过提供一种轨道绝对位置与偏差测量方法，解决了现有技术中轨道绝对位置检测方法对检测设备的要求较高、测量效率较低、操作较为复杂的问题。
本发明实施例提供一种轨道绝对位置与偏差测量方法，包括以下步骤：
原始数据采集；
时间同步所述原始数据；
进行组合定位解算；
通过航迹推算消除组合导航位置跳变，估计安装误差角；
获得左右轨的大地坐标；
通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高；
将左右轨在当地坐标系下的三维坐标转换为施工里程，并根据设计文件计算对应里程的位置偏差量；
其中，所述原始数据采集包括：通过GNSS接收机及GNSS天线采集观测数据；若存在GNSS不可测段，则通过全站仪采集观测数据；
通过惯性测量单元、里程计、位移传感器采集测量数据。
优选的，所述通过全站仪采集观测数据包括：将轨检小车上的GNSS天线替换为全站仪棱镜，在轨检小车轨道中线处架设全站仪，通过观测CPIII控制点进行自由设站，得到全站仪在当地坐标系下的平面坐标和高程。
优选的，每隔100米使用所述全站仪加测一个数据点。
优选的，GNSS采用动态后处理技术进行定位，利用参考站和轨检小车同步观测的GNSS数据进行站间星际差分，结合控制点坐标、标定值，并将非完整性约束和里程计测量值加入组合定位解算，获得惯性测量单元中心的三维坐标序列。
优选的，通过基于卡尔曼滤波的航迹推算滤波和平滑算法，估计俯仰角、航向角的安装误差角，并通过设计文件计算设计横滚角与实测横滚角的差异平均值标定横滚误差角。
优选的，通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高包括平面坐标转换和高程基准转换；
所述平面坐标转换包括将左右轨大地坐标高斯投影为高斯平面坐标、将高斯平面坐标转换到当地平面坐标；
所述高程基准转换为利用高程异常将大地高转换为正常高。
优选的，高斯平面坐标和当地坐标通过四参数法转换；若没有提供四参数，则根据控制点反算四参数。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本发明实施例中，在GNSS观测良好的环境中，依赖GNSS与INS组合来抑制惯导误差发散，得到高精度的GNSS/INS组合定位定姿结果；在GNSS观测条件恶劣的环境中，兼容全站仪辅助，通过少量的全站仪观测点作为观测更新抑制惯导误差发散，得到高精度定位定姿结果。本发明充分利用GNSS定位长期稳定的高精度定位优势和INS出色的相对位置及姿态速度测量能量，并结合全站仪测量辅助，实现全面连续的轨道绝对位置及偏差测量。本发明采用GNSS连续测量，作业效率远高于传统的全站仪测量离散点测量。测量工作相对独立，全站仪辅助可在测量前或测量后独立进行，不影响作业效率。此外，本发明利用航迹推算估计安装误差角并消除存在的位置跳变，可以很大程度上提高算法的精度和稳定性。本发明采用便携式操作，对测量人员专业要求较低。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种轨道绝对位置与偏差测量方法的流程图；
图2为本发明测量水平偏差量和全站仪测量水平偏差量的结果对比图；
图3为本发明测量高程偏差量和全站仪测量高程偏差量的结果对比图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种轨道绝对位置与偏差测量方法，解决了现有技术中轨道绝对位置检测方法对检测设备的要求较高、测量效率较低、操作较为复杂的问题。
本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种轨道绝对位置与偏差测量方法，包括以下步骤：
原始数据采集；
时间同步所述原始数据；
进行组合定位解算；
通过航迹推算消除组合导航位置跳变，估计安装误差角；
获得左右轨的大地坐标；
通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高；
将左右轨在当地坐标系下的三维坐标转换为施工里程，并根据设计文件计算对应里程的位置偏差量；
其中，所述原始数据采集包括：通过GNSS接收机及GNSS天线采集观测数据；若存在GNSS不可测段，则通过全站仪采集观测数据；
通过惯性测量单元、里程计、位移传感器采集测量数据。
在本发明实施例中，在GNSS观测良好的环境中，依赖GNSS与INS组合来抑制惯导误差发散，得到高精度的GNSS/INS组合定位定姿结果；在GNSS观测条件恶劣的环境中，兼容全站仪辅助，通过少量的全站仪观测点作为观测更新抑制惯导误差发散，得到高精度定位定姿结果。本发明充分利用GNSS定位长期稳定的高精度定位优势和INS出色的相对位置及姿态速度测量能量，并结合全站仪测量辅助，实现全面连续的轨道绝对位置及偏差测量。本发明采用GNSS连续测量，作业效率远高于传统的全站仪测量离散点测量。测量工作相对独立，全站仪辅助可在测量前或测量后独立进行，不影响作业效率。此外，本发明利用航迹推算估计安装误差角并消除存在的位置跳变，可以很大程度上提高算法的精度和稳定性。本发明采用便携式操作，对测量人员专业要求较低。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先，按照要求将轨检小车安装在轨道上，确保正常工作后可以进行测量工作。
测量设备安装在轨检小车上，包括惯性测量单元(IMU)、GNSS接收机、GNSS天线、里程计、位移传感器；GNSS接收机板卡内置于惯性测量单元的壳体内，惯性测量单元固定于轨检小车上，GNSS天线通过天线安装杆固定在轨检小车上，惯性测量单元(IMU)与GNSS天线之间的相对位置以及惯性测量单元(IMU)与轨检小车间的相对位置和相对姿态均已事先标定。
本发明提供的一种轨道绝对位置与偏差测量方法，如图1所示，主要包括两个部分：数据采集和数据处理。
第一部分，数据采集及时间同步。
数据采集包括：通过GNSS接收机及GNSS天线采集观测数据；若存在GNSS不可测段，则通过全站仪采集观测数据；通过惯性测量单元、里程计、位移传感器采集测量数据。
1.1在GNSS可用测段(可用卫星数大于4的情况)，利用固定在轨检小车上的GNSS接收机及GNSS天线采集GNSS观测数据，由于本发明数据处理采用GNSS事后动态差分定位(PPK)模式定位，需要在控制点上架设另一台接收机作为参考站进行同步观测。
1.2在GNSS不可测段，需要使用全站仪观测少量点以抑制惯导误差的发散。根据轨道绝对位置及偏差量测量精度需求，需要在GNSS不可测段，每隔100米使用全站仪加测一个点。进行全站仪测量具体操作如下：将轨检小车上的GNSS天线取下，在该位置安装全站仪棱镜；在轨检小车的轨道中线附近架设全站仪，通过观测周围的CPIII点进行自由设站，得到全站仪在该当地坐标系下的平面坐标和正常高；对轨检小车上的棱镜进行多测回观测，取平均作为棱镜中心点的平面坐标和高程。
1.3利用秒脉冲(PPS)进行观测数据的时间同步，具体实施方法是利用GNSS时间作为基准产生PPS，每个PPS对应一个GNSS时间，然后将PPS对应的GNSS时间作为IMU数据、里程计数据和位移传感器数据的时间，从而实现所有数据的时间同步。
第二部分，数据处理与结果输出。
2.1GNSS/INS组合定位解算，其中GNSS定位采用PPK定位模式，利用参考站和小车端同步观测的GNSS数据进行站间星际差分，结合已知的控制点坐标得到高精度的轨检小车GNSS天线中心的三维坐标；GNSS/INS组合方式采用松组合模式，融合非完整性约束和里程计测量值辅助，并利用提前标定的GNSS天线与IMU中心杆臂值，计算出IMU中心的三维坐标序列。
2.2利用航迹推算(DR)消除组合导航位置跳变，并估计俯仰角和航向角安装误差角。由于组合导航位置存在量级较小的位置跳变，虽不影响绝对定位精度，但是影响处理结果的连续平滑性，位置跳变通过航迹推算进行消除。另一方面，为了满足轨道非完整性约束条件，必须估计安装误差角，通过设计卡尔曼滤波器，以消除位置跳变的三维坐标和俯仰角、航向角安装误差角为状态向量，以里程、位置、姿态进行无约束DR作为状态方程，以GNSS/INS组合定位位置作为量测更新辅助DR解算，估计俯仰、航向安装误差角。最后通过平滑算法进一步优化滤波结果。横滚安装误差角通过设计文件标定，其中可以根据设计参数计算设计横滚角，直线段设计横滚角为0，圆曲线设计横滚角为常数。通过大量实测数据横滚角与设计横滚角之差的均值作为标定的横滚安装误差角。
2.3计算动态杆臂。杆臂是指IMU中心到左右轨的北方向、东方向、天顶方向的距离，由于小车运动过程中姿态的变化，导致杆臂不断变化，所以称为动态杆臂。动态杆臂的计算方法分为两步：首先计算在载体坐标系下的杆臂，与轨检小车的设计结构有关。然后通过组合导航结果的姿态角计算载体坐标系和导航坐标系的方向余弦矩阵，将载体坐标系下的杆臂转换到导航坐标系，得到动态杆臂。进一步利用动态杆臂补偿，根据GNSS/INS定位结果和对应杆臂计算得到左右轨的大地坐标，所述大地坐标包括经纬度和大地高。
2.4通过坐标系转换，得到左右轨的当地平面坐标及高程。坐标系转换包括平面坐标转换和高程基准转换。其中，平面坐标转换步骤包括：将左右轨的大地坐标高斯投影为高斯平面坐标、将高斯平面坐标转换到当地平面坐标。高斯平面坐标与当地坐标转换通过四参数法转化，如果没有提供转换参数，通过提供有两套平面坐标的控制点进行四参数估计，进而进行平面坐标转换。高程基准转换指将大地高转化到当地高程系统下，一般为水准高(正常高)，而大地高和正常高的转换需要利用高程异常，通过给定有大地高和正常高的控制点进行高程拟合得到高程异常，进而将大地高转化为正常高。
2.5将左右轨在当地坐标系下的三维坐标转化为施工里程，并根据设计文件计算对应里程的位置偏差量。若需要可按里程内插计算测段内任一里程的左右轨绝对位置及偏差量。
本发明为了满足不同观测环境的适用性，在GNSS观测良好的环境依赖GNSS与INS组合来抑制惯导误差发散，得到高精度的GNSS/INS组合定位定姿结果；在GNSS观测条件恶劣的环境(如隧道)兼容全站仪辅助，通过少量的全站仪观测点作为观测更新抑制惯导误差发散，也能得到高精度定位定姿结果。
本发明为了正确利用轨道测量中非完整性约束辅助，通过基于卡尔曼滤波的航迹推算滤波和平滑算法估计俯仰航向安装误差角，并通过设计文件计算设计横滚角与实测横滚角的差异平均值标定横滚误差角。
本发明充分利用GNSS定位长期稳定的高精度定位优势和INS出色的相对位置及姿态速度测量能力，结合在GNSS不可用情况下少量的全站仪测量辅助，测量获得IMU中心的三维坐标，利用航迹推算改正组合导航结果的位置跳变，另外结合安装误差角估计，添加非完整性约束辅助，通过滤波平滑得到最优坐标序列。进而通过动态杆臂计算补偿得到轨道左右轨三维坐标序列，结合设计文件计算得到轨道绝对位置和偏差量，从而实现全面连续的轨道绝对位置及偏差测量。
为了验证本发明的测量重复性，设计实验对同一段轨道数据进行了一次往返测量。同时为了验证测量精度，通过高精度全站仪每隔5米测量一次作为基准进行对比验证。其中d4测回为正向测量，d5测回为反向测量。从图2可以看出，本发明的水平偏差量测量两个测回差异均小于1cm，大多数小于0.5cm，与全站仪控制点符合程度小于1cm。从图3可以看出，本发明的高程偏差量两个测回差异均小于1cm，多数小于0.5cm，与全站仪控制点符合程度小于1cm。因此，本发明能够满足高精度、高效率轨道检测需求的轨道绝对位置及偏差量测量。
本发明实施例提供的一种轨道绝对位置与偏差测量方法至少包括如下技术效果：
在本发明实施例中，在GNSS观测良好的环境中，依赖GNSS与INS组合来抑制惯导误差发散，得到高精度的GNSS/INS组合定位定姿结果；在GNSS观测条件恶劣的环境中，兼容全站仪辅助，通过少量的全站仪观测点作为观测更新抑制惯导误差发散，得到高精度定位定姿结果。本发明充分利用GNSS定位长期稳定的高精度定位优势和INS出色的相对位置及姿态速度测量能量，并结合全站仪测量辅助，实现全面连续的轨道绝对位置及偏差测量。本发明采用GNSS连续测量，作业效率远高于传统的全站仪测量离散点测量。测量工作相对独立，全站仪辅助可在测量前或测量后独立进行，不影响作业效率。此外，本发明利用航迹推算估计安装误差角并消除存在的位置跳变，可以很大程度上提高算法的精度和稳定性。本发明采用便携式操作，对测量人员专业要求较低。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
原始数据采集；
时间同步所述原始数据；
进行组合定位解算；
通过航迹推算消除组合导航位置跳变，估计安装误差角；
获得左右轨的大地坐标；
通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高；
将左右轨在当地坐标系下的三维坐标转换为施工里程，并根据设计文件计算对应里程的位置偏差量；
其中，所述原始数据采集包括：通过GNSS接收机及GNSS天线采集观测数据；若存在GNSS不可测段，则通过全站仪采集观测数据；
通过惯性测量单元、里程计、位移传感器采集测量数据。
2.根据权利要求1所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，所述通过全站仪采集观测数据包括：将轨检小车上的GNSS天线替换为全站仪棱镜，在轨检小车轨道中线处架设全站仪，通过观测CPIII控制点进行自由设站，得到全站仪在当地坐标系下的平面坐标和高程。
3.根据权利要求2所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，每隔100米使用所述全站仪加测一个数据点。
4.根据权利要求1所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，GNSS采用动态后处理技术进行定位，利用参考站和轨检小车同步观测的GNSS数据进行站间星际差分，结合控制点坐标、标定值，并将非完整性约束和里程计测量值加入组合定位解算，获得惯性测量单元中心的三维坐标序列。
5.根据权利要求1所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，通过基于卡尔曼滤波的航迹推算滤波和平滑算法，估计俯仰角、航向角的安装误差角，并通过设计文件计算设计横滚角与实测横滚角的差异平均值标定横滚误差角。
6.根据权利要求1所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，通过坐标转换获得左右轨的当地平面坐标及正常高包括平面坐标转换和高程基准转换；
所述平面坐标转换包括将左右轨大地坐标高斯投影为高斯平面坐标、将高斯平面坐标转换到当地平面坐标；
所述高程基准转换为利用高程异常将大地高转换为正常高。
7.根据权利要求6所述的轨道绝对位置与偏差测量方法，其特征在于，高斯平面坐标和当地坐标通过四参数法转换；若没有提供四参数，则根据控制点反算四参数。
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