CN109693686A - 一种基于双天线gnss/ins的轨向不平顺测量方法 - Google Patents

一种基于双天线gnss/ins的轨向不平顺测量方法 Download PDF

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王一军
左峙岳
余明杨
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Central South University
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/08—Measuring installations for surveying permanent way

Abstract

本发明公开了一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法。本发明针对现有技术的不足，以轨检仪为载体，构建动态基准站来实现双天线GNSS高精度差分测量，利用测得的高精度GNSS数据来校正INS的累积误差，得到铁轨一侧轨向数据后综合轨距数据得到铁轨另一侧的轨向数据，从而得到连续、准确的轨向不平顺测量数据。本发明包括以下步骤：步骤1：设备安装；步骤2：设备初始化；步骤3：数据测量；步骤4：数据融合；步骤5：轨向计算。

Description

一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法
技术领域
本发明涉及铁路工务线路检测领域，尤其涉及一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法。
背景技术
轨向(曲线段称为正矢)是指由于钢轨硬弯、扣件松动、缓和曲线顺坡不良等原因造成的钢轨内侧面测量点沿纵向的水平变化量，轨向值的大小反映了轨道左右两轨前进的方向。轨向对于行车的平稳性有重要意义，因为轨向不良会引起列车左右摇摆，加剧轮轨横向力，从而引起线路病害，对高速行车尤其如此。严重的轨向不平顺将会引起很大的横向力，可能使轨枕、扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横移，在无缝线路上，还会引起胀轨跑道，危及行车安全。
使用轨检仪进行轨向不平顺测量的重点和难点是要解决测量过程中严重的误差积累问题，而造成这一问题的原因是轨检仪测量轨向不平顺的核心测量元件是惯性器件。惯性器件有着短期测量精度高、数据更新率高、抗干扰能力强等优点，但其测量过程不参考外部环境而是通过内部积分计算进行，因此误差将随时间快速累积。而且这个累积误差属于原理上的问题，所以只能通过附加外部手段对其进行校正，这样就影响了测量的连续性，也使检测算法变得更加复杂。
因此有必要设计一种改进的轨向不平顺测量方法，在保证测量精度的前提下，不受累计误差的影响，实现全天候、长时间、连续的轨向不平顺测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法。
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法，该方法以轨检仪为载体，构建动态基准站来实现GNSS高精度差分测量，利用测得的高精度GNSS数据来校正INS的累积误差，得到铁轨一侧轨向数据后综合轨距数据得到铁轨另一侧的轨向数据，从而得到连续、准确的轨向不平顺测量数据。
本发明的技术方案是：
一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法，包括以下步骤：
步骤1：设备安装。将设备安装在载体上并与控制系统相连，双天线间保持一定距离，双天线安装位置的中点与INS测量模块测量位置重合；
步骤2：设备初始化。将系统通电，通过控制系统对设备进行参数设置，完成设备的初始校正，使INS测量和GNSS测量开始时刻相同，使设备开始记录数据；
步骤3：数据测量。推动轨检仪在铁轨上前进，INS测量模块和双天线GNSS测量模块以各自的测量频率对所在位置进行连续实时动态测量，得到各自的位置测量数据；
步骤4：数据融合。将测得的INS测量数据和双天线GNSS测量数据按照一定的判定依据和融合算法进行融合，得到最终的测量点位置测量数据，并传输给上位机进行存储、计算、分析；
步骤5：轨向计算。通过得到的测量点位置测量数据计算出一侧轨道的轨向数据，综合轨检仪测得的轨距计算出另一侧轨向数据，分析轨道不平顺情况。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1：将INS测量模块的测量数据(x0,y0)做为INS测量的最终输出位置测量数据(xINS,yINS)；
步骤3.2：通过构建动态基准站来进行GNSS差分测量，得到双天线位置测量数据为(x1,y1)和(x2,y2)，则双天线GNSS测量的最终输出位置测量数据(xGNSS,yGNSS)为式子(1)：
所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：对测量时刻测量数据的类别进行判定。在仅有INS测量数据的时刻，组合系统的位置测量数据(x,y)即为INS测量数据(xINS,yINS)；在既有INS测量数据又有GNSS测量数据的时刻，再对GNSS测量结果的可信度做一个判定；
步骤4.2：对GNSS测量结果的可信度进行判定。若判定GNSS测量结果可信，则通过融合算法将INS测量数据和GNSS测量数据进行融合，得到新的位置数据作为位置测量数据(x,y)输出；若判定GNSS测量结果不可信，则仍然以INS测量数据(xINS,yINS)做为组合系统的位置测量数据(x,y)。
所述步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1：将不间断测量得到的测量点位置数据组在上位机生成一段运行轨迹，根据轨向计算算法计算出测量一侧的轨向数据D1。
步骤5.2：将轨检仪测得的轨距数据L(单位为毫米)与测得的位置数据想、轨距标准值相加减得到另一侧的轨向数据D2,表达式为式子(2)：
D2＝D1+(L-1435) (2)
以上步骤通过双接收机间构建GNSS移动基准站来实现GNSS差分测量，解决了传统GNSS差分测量过程中基线过长或无基站信号覆盖的问题；通过GNSS测量数据定期修正INS测量所产生的累积误差，解决了轨向测量中的连续性问题。同时，本发明所述方法相比于其它累积误差外部校正手段成本更低、操作更方便。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图2为本发明的工作流程图。
图3为本发明的GNSS测量站工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法，包括GNSS测量站、INS测量模块、轨距传感器和上位机(图中未画出)四大结构。两个GNSS测量站的两个天线(天线A和天线B)安装在轨检仪的双轮梁上并对称分布，两个GNSS测量站的接收机(接收机A和接收机B)安装在轨检仪上，接收机A与天线A相连，接收机B与天线B相连，两台接收机均与轨检仪的上位机相连；INS测量模块安装在轨检仪的双轮梁的中点处(天线A与天线B连线的中点)，与轨检仪的上位机相连；轨距传感器安装在轨检仪的车体内，位于单轮梁的末端，与轨检仪车轮直接相连，通过传输线路与轨检仪的上位机相连；上位机为轨检仪整个系统共用的上位机。
系统工作时的流程如图2所示，在测量过程中，给轨检仪系统通电后，通过上位机对各测量系统进行设置，各测量系统完成初始化。工务人员推动轨检仪在铁轨上前进，各测量系统测量轨道相关数据并传输到上位机系统记录存储。INS测量模块连续测量所在位置的位置数据，GNSS测量站亦对所在位置进行连续测量。由于INS测量频率高于GNSS测量频率，相同时间内GNSS的测量数据少于INS的测量数据，在只有INS测量数据的时刻，系统以INS的测量数据为双轮梁中点的位置数据输出。在既有INS测量数据又有GNSS测量数据的时刻，系统将首先对GNSS的测量环境做一个评估，当卫星信号质量较差或没有卫星信号，GNSS测量数据可信度较低时，系统仍然以INS的测量数据为双轮梁中点的位置数据输出，不参考GNSS的测量数据；当卫星信号质量较好，GNSS测量数据可信度较高时，系统将INS测量数据和GNSS测量数据通过算法进行融合，消除INS测量中的累积误差，融合后的位置数据作为双轮梁的位置数据输出。输出的位置数据通过上位机算法计算得出轨道的左轨向，再结合轨距传感器测得的轨距信息计算出轨道的右轨向，从而完成对轨道不平顺的测量。
GNSS测量站工作流程如图3所示，当接收到的卫星信号质量较好时，首先以接收机A为流动站、接收机B为动态基准站进行差分，得到天线A的位置数据。再以接收机B为流动站，接收机A为动态基准站进行差分，得到天线B的位置数据。利用同一时刻差分测得的两天线位置数据计算出双轮梁中点(天线A与天线B连线的中点)的位置数据并作为GNSS测量的最终数据输出。
综上所述，利用该方法进行测量，通过构建动态基准站进行差分，利用测得的GNSS数据修正INS测量时所产生的累积误差，计算出一侧轨道的轨向数据后利用轨距数据计算另一侧轨道的轨向，能快速、准确、连续的对轨道不平顺进行测量。

Claims (4)

1.一种基于双天线GNSS/INS的轨向不平顺测量方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤1：设备安装。将设备安装在载体上并与控制系统相连，双天线间保持一定距离，双天线安装位置的中点与INS测量模块测量位置重合；
步骤2：设备初始化。将系统通电，通过控制系统对设备进行参数设置，完成设备的初始校正，使INS测量和GNSS测量开始时刻相同，使设备开始记录数据；
步骤3：数据测量。推动轨检仪在铁轨上前进，INS测量模块和双天线GNSS测量模块以各自的测量频率对所在位置进行连续实时动态测量，得到各自的位置测量数据；
步骤4：数据融合。将测得的INS测量数据和双天线GNSS测量数据按照一定的判定依据和融合算法进行融合，得到最终的测量点位置测量数据，并传输给上位机进行存储、计算、分析；
步骤5：轨向计算。通过得到的测量点位置测量数据计算出一侧轨道的轨向数据，综合轨检仪测得的轨距计算出另一侧轨向数据，分析轨道不平顺情况。
2.根据权利要求1所述的数据测量步骤，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将INS测量模块的测量数据(x0,y0)做为INS测量的最终输出位置测量数据(xINS,yINS)；
步骤2：通过构建动态基准站来进行GNSS差分测量，得到双天线位置测量数据为(x1,y1)和(x2,y2)，则双天线GNSS测量的最终输出位置测量数据为
3.根据权利要求1所述的数据融合步骤，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对测量时刻测量数据的类别进行判定。在仅有INS测量数据的时刻，组合系统的位置测量数据(x,y)即为INS测量数据(xINS,yINS)；在既有INS测量数据又有GNSS测量数据的时刻，再对GNSS测量结果的可信度做一个判定；
步骤2：对GNSS测量结果的可信度进行判定。若判定GNSS测量结果可信，则通过融合算法将INS测量数据和GNSS测量数据进行融合，得到新的位置数据作为位置测量数据(x,y)输出；若判定GNSS测量结果不可信，则仍然以INS测量数据(xINS,yINS)做为组合系统的位置测量数据(x,y)。
4.根据权利要求1所述的轨向计算步骤，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将不间断测量得到的测量点位置数据组在上位机生成一段运行轨迹，根据轨向计算算法计算出测量一侧的轨向数据D1。
步骤2：将轨检仪测得的轨距数据L(单位为毫米)与测得的位置数据想、轨距标准值相加减得到另一侧的轨向数据D2,计算方法为D2＝D1+(L-1435)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110700029A (zh) * 2019-09-29 2020-01-17 清华大学 一种轨道平顺性测试方法及系统
CN111776009A (zh) * 2020-07-17 2020-10-16 江西日月明测控科技股份有限公司 一种长大桥轨道的检测方法、系统、可读存储介质及检测装置
CN114353835A (zh) * 2022-01-21 2022-04-15 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 惯性轨道测量仪动态校准系统、方法及其应用

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