CN108225286B - 一种移动站车载全站仪位姿估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种移动站车载全站仪位姿估计方法，按如下步骤：(1)测量并计算车载全站仪和轨检仪的初始姿态；(2)基于全站仪位姿模型的位姿估计。本发明利用轨检仪在行进过程中，全站仪坐标系与轨检仪坐标系位姿关系始终不变的基本规律，构建全站仪和轨检仪位姿模型，并在此基础上结合行进中轨检仪姿态信息和1个CPIII控制点的测量数据，对移动站车载全站仪的位姿进行估计，从而实现全站仪免置平设站中棱镜点的自动照准和测量。该方法使全站仪在免置平设站过程中能自动、快速、精确地照准目标，适用于高速铁路无砟轨道的快速精调与日常维护，可有效提高车载全站仪轨道精测方法的测量效率和自动化程度。

Description

一种移动站车载全站仪位姿估计方法
技术领域
本发明属于铁路轨道测量技术领域。
背景技术
鉴于无砟轨道的高稳定、高平顺与低维护等特点，《高速铁路设计规范》中建议，高铁轨道结构宜采用全线无缝、无砟轨道结构。但同时，无砟轨道作为一种新的轨道结构，具有很强的试验性。通过在京沪、郑徐、沪昆等高速铁路的铺设和使用，我国已在轨道铺设、落成等方面取得了一定的成果，形成了自身的技术体系。然而，对于高铁无砟轨道三维坐标及绝对位置测量和控制方面，现有客运专线轨道测量仪(绝对测量技术)在环境适应性、测量效率、平顺性精度方面都在不足，这不但影响了我国高铁的建设速度、也增大了线路运营养护的成本。
现有的“绝对+相对”轨道精调技术表明，采用少量的轨道测量仪定位数据对轨道检查仪相对测量轨迹进行约束的技术模式是可行的，有利于更好地控制轨道绝对位置和线路平顺性。为进一步贯彻这一技术路线，避免轨道测量仪和轨道检查仪在数据采集中的独立使用造成的设备成本、人力成本和时间成本多重浪费，以两种仪器的测量技术为基础，进行车载全站仪轨道精测方法的研究，从根本上实现，一套设备和一套人马在一次测量内完成全部轨道数据的采集。所谓车载全站仪轨道精测方法，在原有轨道检查仪上安装了具有高精度免置平设站功能的全站仪和测量控制分析软件，在陀螺仪测量轨道相对轨迹同时，以CPIII控制网为基准进行全站仪免置平设站并采集轨道的定位数据。
为保证测量精度，车载全站仪在免置平设站过程中，通常需要测量6-8个CPIII控制点。根据全站仪免置平设站原理，在全站仪自身位置和姿态未知的情况下，需要人工进行至少4个CPIII控制点的照准和测量。当完成4个以上的CPIII控制点的测量以后，才能计算全站仪位置和姿态的初始解(粗解)，并以此为基础获得所有CPIII控制点在全站仪坐标系下的坐标和角度，实现程序控制下的后续待测点的自动照准和测量。全站仪安装于轨道检查仪上，其视准轴仅高出轨道面约30公分，不利于CPIII控制点的人工照准，而且，人工照准需要在全站仪前完成，而测量控制需要在电脑软件上进行，每进行一个CPIII控制点的人工照准和测量，需要测量人员往返于电脑和全站仪之间一次。综上所述，车载全站仪每次免置平设站都需要对前4个CPIII控制点进行人工照准和测量，工作繁琐，影响效率。
鉴于此，在轨道检查仪停稳后，即车载全站仪进行免置平设站前，利用轨道已知参数或轨道检查仪相关测量数据，对全站仪的位置和姿态进行估计即是技术可能也是工程需要。完成全站仪位置和姿态的估计后，可计算出所有CPIII控制点在全站仪坐标系下的近似坐标和近似角度，再结合全站仪的自动照准功能，实现全站仪快速精确地照准目标棱镜和精确测量，可极大地提高车载全站仪轨道精测系统的测量效率和自动化程度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术在全站仪位置未知，设站速度慢、自动化程度低的不足，提出一种移动站车载全站仪的位姿估计方法。
本发明是通过以下步骤实现的。
本发明所述的一种移动站车载全站仪位姿估计方法，按如下步骤：
(1)测量并计算车载全站仪和轨检仪的初始姿态。
建立轨检仪独立坐标系，原点建立轨检仪坐标系O'-X'Y'Z'，以X'轴正方向为轨道前进方向，Z'轴垂直于轨道所在平面，向上为正方向，Y'轴在轨道所在平面内，与X'轴和Z'轴正交，符合空间直角坐标系左手定则。轨检仪坐标系的正北方向角θ'、俯仰角α'可通过轨道设计线形计算得到，而水平倾斜角β'可通过水平传感器测量得到。根据空间坐标转换关系，可得到轨检仪坐标系O'-X'Y'Z'与大地坐标系O-XYZ的坐标转换关系(如式(1))：
Figure GDA0001642245690000021
其中，R′为轨检仪姿态矩阵，X、Y、Z为大地坐标系下的坐标，X′、Y′、Z′为轨检仪坐标系下的坐标，Xs、Ys、Zs为全站仪站点在大地坐标系下的坐标。
建立全站仪坐标系与大地坐标系之间的坐标转换关系，(Xs,Ys,Zs)为全站仪站点坐标。
Figure GDA0001642245690000022
其中，R为全站仪姿态矩阵，X、Y、Z为大地坐标系下的坐标，Xs、Ys、Zs为全站仪站点在大地坐标系下的坐标，x、y、z为全站仪坐标系下的坐标。
(2)基于全站仪位姿模型的位姿估计(全站仪当前的姿态矩阵、全站仪当前站点坐标)。
通过全站仪姿态矩阵R和轨检仪姿态矩阵R′，可求解全站仪坐标系到轨检仪坐标系的坐标旋转矩阵Rs：
Rs＝(R')-1R (3)
当轨检仪推至新的轨道位置时，根据里程增量△l，得到全站仪当前点里程l。再由此查询轨道设计线形中坡度表和曲线表，得到当前轨道坡度αi和轨道方向角θi，再结合轨检仪水平传感器测量值得到当前水平角βi，求解当前轨检仪坐标系与大地坐标系的坐标旋转矩阵R'i
Figure GDA0001642245690000031
测量过程中坐标旋转矩阵Rs保持不变，可得到全站仪当前的姿态矩阵：
Ri＝R'iRs (5)
控制全站仪对所跟踪的CPIII控制点进行测量，得到全站仪坐标系下该CPIII控制点的坐标(x,y,z)，根据公式(6)便可计算出全站仪当前站点坐标(Xsi,Ysi,Zsi)：
Figure GDA0001642245690000032
完成移动站车载免置平全站仪位置和姿态的估计。
基于已估计出的全站仪位置和姿态信息估计CPIII控制点位置。
CPIII棱镜在大地坐标系下的坐标(X,Y,Z)是已知的，通过公式(7)可求出CPIII控制点在全站仪坐标系下的坐标(x,y,z)：
Figure GDA0001642245690000033
全站仪坐标系下各目标棱镜的坐标(x,y,z)已知后，计算目标棱镜在全站仪坐标系下的其水平角Ah和垂直角Av，实现CPIII目标棱镜位置估计，达到指令控制下全站仪旋转和照准棱镜，达到提高免置平设站效率的目的。
本发明利用轨检仪在行进过程中，全站仪坐标系与轨检仪坐标系位姿关系始终不变的基本规律，构建全站仪和轨检仪位姿模型，并在此基础上结合行进中轨检仪姿态信息和1个CPIII控制点的测量数据，对移动站车载全站仪的位姿进行估计，从而实现全站仪免置平设站中棱镜点的自动照准和测量。该方法使全站仪在免置平设站过程中能自动、快速、精确地照准目标，适用于高速铁路无砟轨道的快速精调与日常维护，可有效提高车载全站仪轨道精测方法的测量效率和自动化程度。
附图说明
附图1为车载全站仪位姿模型示意图。
附图2为车载全站仪位姿估计程序流程图。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
全站仪坐标系与轨检仪坐标系之间的坐标旋转矩阵求解。
(1)轨道设计线形、CPIII设计坐标等资料的准备和数据导入软件。
(2)新建测量文件，开启相对测量，获取轨检仪相对测量数据后，进行首次全站仪免置平手动设站，通过平差方法求解全站仪站点坐标和姿态。采用公式3，求全站仪坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵R0。
(3)根据轨检仪水平传感器测量信息和线路设计线形中的方向角和俯仰角数据，采用公式1求解轨检仪坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵R'0。
(4)通过公式13中的矩阵求逆和矩阵乘法求解全站仪坐标系到轨检仪坐标系的坐标旋转矩阵。姿态和轨道中线坐标计算，求出全站仪坐标系与轨检仪坐标系间的坐标旋转矩阵RS。
Rs＝(R'0)-1R0 (8)
其程序流程如附图2中首次全站仪免置平设站和轨道定位测量部分所示。
实施例2。
进行移动站车载全站仪位姿的估计。
(1)推行轨检仪至第1站，通过里程、超高等相对测量数据计算轨检仪坐标系与大地坐标系之间的坐标旋转矩阵R'1。
(2)基于全站仪坐标系与轨检仪坐标系之间的位姿关系始终不变的客观规律，计算全站仪坐标系与大地坐标系之间的坐标旋转矩阵。
(3)通过对第1站第1个CPIII控制点坐标(x11,y11,z11)的测量，计算全站仪第1站的站点坐标。
其程序流程如附图2中第i次全站仪免置平设站和轨道定位测量部分所示。
实施例3。
(1)对CPIII目标棱镜的位置进行估计。
(2)完成车载全站仪站点坐标(Xsi,Ysi,Zsi)和旋转矩阵Ri的估计后，通过公式(7)估计当前站8个CPIII控制点在全站仪坐标系下的水平角和垂直角；
(3)使用全站仪GeoCOM接口调用全站仪机载程序，将其视准轴定位到待测量的CPIII基桩点附近，旋转定位子程序为AUT_MakePositioning(double Hz,double V,AUT_POSMODE POSMode,AUT_ATRMODE ATRMode,BOOLE bDummy)，Hz和V即为水平角和垂直角，其余为与旋转定位相关的模式参数。ATRMODE为AUT_TARGET时，当全站仪旋转到目标位置后，将会在照准范围内自动照准棱镜。

Claims (1)

1.一种移动站车载全站仪位姿估计方法，其特征是按如下步骤：
(1)测量并计算车载全站仪和轨检仪的初始姿态
建立轨检仪独立坐标系O'-X'Y'Z'，其以全站仪站点(Xs,Ys,Zs)为原点，以X'轴正方向为轨道前进方向，Z'轴垂直于轨道所在平面，向上为正方向，Y'轴在轨道所在平面内，与X'轴和Z'轴正交，符合空间直角坐标系左手定则；轨检仪坐标系的正北方向角θ'、俯仰角α'通过轨道设计线形计算得到，而水平倾斜角β'通过水平传感器测量得到；根据空间坐标转换关系，得到轨检仪坐标系O'-X'Y'Z'与大地坐标系O-XYZ的坐标转换关系：
Figure FDA0002602991260000011
其中，R′为轨检仪姿态矩阵，X、Y、Z为大地坐标系下的坐标，X′、Y′、Z′为轨检仪坐标系下的坐标，Xs、Ys、Zs为全站仪站点在大地坐标系下的坐标；
建立全站仪坐标系与大地坐标系之间的坐标转换关系：
Figure FDA0002602991260000012
其中，R为全站仪姿态矩阵，x、y、z为全站仪坐标系下的坐标；
(2)基于全站仪位姿模型的位姿估计
通过全站仪姿态矩阵R和轨检仪姿态矩阵R′，求解全站仪坐标系到轨检仪坐标系的坐标旋转矩阵Rs：
Rs＝(R')-1R (3)
当轨检仪推至新的轨道位置时，根据里程增量△l，得到全站仪当前点里程l，再由此查询轨道设计线形中坡度表和曲线表，得到当前轨道坡度αi和轨道方向角θi，再结合轨检仪水平传感器测量值得到当前水平角βi，求解当前轨检仪坐标系与大地坐标系的坐标旋转矩阵R'i：
Figure FDA0002602991260000013
测量过程中坐标旋转矩阵Rs保持不变，得到全站仪当前的姿态矩阵：
Ri＝R'iRs (5)
控制全站仪对所跟踪的CPIII控制点进行测量，得到全站仪坐标系下该CPIII控制点的坐标(x,y,z)，根据公式(6)计算出全站仪当前站点坐标(Xsi,Ysi,Zsi)：
Figure FDA0002602991260000021
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