CN110017823B - 基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法与装置，该方法包括如下步骤：将全站仪固结于轨检仪上，轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪测量得到当前里程值以及当前水平角，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标；根据当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角；根据轨道方向角、当前水平角以及坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。本发明提出的轨道定位坐标计算方法，可提高所定位的坐标的精度，满足了实际应用需求。

Description

基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法及装置

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，特别涉及一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法及装置。

背景技术

在中国高速铁路的建设和维护中，保证线路具有高定位精度和高平顺性精度，是高速铁路测量和精调的核心目标。目前，我国高速铁路测量和精调主要采用的是基于CPIII控制网的绝对测量模式，该模式以客运专线轨道测量仪为代表，通过测量轨道的三维坐标控制轨道绝对位置和线路线形。其测量过程可总体概括为：全站仪在三脚架上置平和自由设站、小车棱镜坐标测量、小车姿态测量和轨道中线坐标计算。获得轨道三维坐标后，结合线路设计资料，可计算出线路绝对位置偏差和相对平顺性偏差(依据轨道前后测点的绝对位置偏差计算得到)。

目前，绝对测量模式使用广泛，但其超低的测量效率以及中短波的平顺性测量精度的不足，正在越来越受到人们的诟病。而采用相对测量模式，以轨道检查仪为代表，虽然相对测量模式不具备控制轨道的绝对位置的能力，但其中短波平顺性测量精度高，可迅速消除TQI超限，提高轨道质量指数，可按4km/h速度连续测量，大大提高测量效率，逐步在高速铁路轨道精调测量中占据一席之地。具体的，采用绝对测量小车按间隔(30米/点)测量轨道绝对位置，采用轨道检查仪连续推行测量轨道相对位置，将测量仪测量的轨道绝对数据导入轨检仪相对测量软件，进行轨道绝对定位数据与轨道相对轨迹数据之间的数据融合，实现控制轨道绝对位置的同时，控制轨道的相对平顺性，即“绝对+相对”测量模式。

然而，此种测量模式，由于存在设站的方向角误差以及棱镜测量的测角误差，导致轨道定位精度不高的问题。

发明内容

基于此，本发明的目的是为了解决现有技术中，采用“绝对+相对”测量模式，由于存在设站的方向角误差以及棱镜测量的测角误差，导致轨道定位精度不高的问题。

本发明提出一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述方法包括如下步骤：

将全站仪固结于轨检仪上，所述轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪测量得到当前里程值以及当前水平角，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标；

根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角；

根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述当前轨距值以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。

本发明提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，在将全站仪固结于轨检仪上，将轨检仪静置于轨道上之后，进行免置平设站并计算得到全站仪站点坐标，通过测量小车的当前里程值确定得到距离最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，并根据上述轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角，由于轨道方向角以及坡度角的计算是通过精准的位置坐标进行计算的，因此根据轨道方向角、当前水平角以及坡度角可精准地计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标，提高了精确度。

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点的方法包括如下步骤：

以|l-l_i|的最小值作为目标值，在预设线性数据库中查找确定距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点A_i以及轨道第二设计中线点A_i+1，其中轨道第一设计中线点A_i的三维坐标为(x_i,y_i,z_i)，轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标为(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，l为所述当前里程值，l_i以及l_i+1分别为所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的里程值，x_i以及x_i+1为北坐标，y_i以及y_i+1为东坐标，z_i以及z_i+1为高程。

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角的方法包括如下步骤：

其中所述坡度角α的计算公式为：

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述轨道方向角θ的计算公式为：

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述根据所述轨道方向角、所述当前水平角以及所述坡度角，计算得到全站仪坐标系下的轨道中线坐标的方法包括如下步骤：

根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述坡度角以及轨检仪坐标系下的轨道中线坐标，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述轨检仪坐标系下的轨道中线坐标(X′_c,Y′_c,Z′_c)的表达式为：

其中，D为左轨到X′-O′-Z′平面的横向距离，H为轨检仪坐标系下的轨道中线点到X′-O′-Y′平面的垂向距离，g为轨距。

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，计算所述大地坐标系下的轨道中线坐标(X,Y,Z)的公式为：

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述方法还包括如下步骤：

根据所述全站仪坐标系下的轨道中线坐标(X,Y,Z)、轨道第一设计中线点A_i的三维坐标以及轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标计算得到线路横向偏差以及垂向偏差。

所述基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述线路横向偏差的表达式为：

所述垂向偏差的表达式为：

其中，

本发明还提出一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算装置，其中，所述装置包括：

第一计算模块，用于将全站仪固结于轨检仪上，所述轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪检测得到当前里程值、当前水平角以及当前轨距值，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标；

第二计算模块，用于根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角；

第三计算模块，用于根据所述轨道方向角、所述当前水平角以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法的流程图；

图2为本发明第一实施例中车载全站仪免置平设站示意图；

图3为本发明第一实施例中小车空间直角坐标系下的横垂向偏差示意图；

图4为本发明第二实施例提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

采用绝对测量小车按间隔(30米/点)测量轨道绝对位置，采用轨道检查仪连续推行测量轨道相对位置，将测量仪测量的轨道绝对数据导入轨检仪相对测量软件，进行轨道绝对定位数据与轨道相对轨迹数据之间的数据融合，实现控制轨道绝对位置的同时，控制轨道的相对平顺性，即“绝对+相对”测量模式。然而，此种测量模式，由于存在设站的方向角误差以及棱镜测量的测角误差，导致轨道定位精度不高的问题。

为了解决这一技术问题，本发明还提出一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，请参阅图1至图3，对于本发明第一实施例提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其中，所述方法包括如下步骤：

S101，将全站仪固结于轨检仪上，所述轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪检测得到当前里程值、当前水平角以及当前轨距值，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标。

在本步骤中，将全站仪固结于轨检仪上，将轨检仪静置于轨道上。当轨检仪停在轨道上时，通过其内部传感器测量轨道内部几何状态参数，其中倾角传感器测量得到线路超高S，距离传感器测量得到线路轨距G，里程传感器测量得到当前里程L。此外，通过轨检仪检测得到当前水平角。

此外，上位机程序通过GSI(Geo Serial Interface)串口控制全站仪完成8个CPIII控制点的测量，得到全站仪坐标系下的三维坐标值P_i(X′_i,Y′_i,Z′_i)，其中i＝1,2,...,8。通过免置平设站算法，计算全站仪站点坐标(X_s,Y_s,Z_s)。在此需要说明的是，免置平设站算法，为公知技术，详细可见中国专利(申请号：201210356828.1)，因此在本步骤中，对免置平设站算法不再赘述。

S102，根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角。

如上所述，全站仪静置于轨检仪上，与轨检仪之间的位置关系保持不变，将全站仪抽象成空间中具有三维坐标的点，即全站仪的站点(X_s,Y_s,Z_s)。

在本步骤中，需要确定轨检仪坐标系下的轨道中线坐标。如说明书附图2所示：建立独立的空间直角坐标系O′-X′Y′Z′(以下称轨检仪坐标系)：以全站仪站点为坐标系原点；以轨检仪测臂方向为X′轴，轨道里程增大方向为X′轴正方向；以轨检仪横梁方向为Y′轴，指向测臂的另一侧轨道；以X′轴和Y′轴正交方向为Z′轴，方向向上。

在本实施例中，轨检仪坐标系下的轨道中线坐标(X′_c,Y′_c,Z′_c)的表达式为：

其中，D为左轨到X′-O′-Z′平面的横向距离，H为轨检仪坐标系下的轨道中线点到X′-O′-Y′平面的垂向距离，g为轨距。

进一步的，根据上述的当前里程值l确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点A_i以及轨道第二设计中线点A_i+1，并计算得到轨道方向角以及坡度角。其中，以|l-l_i|的最小值作为目标值，根据当前里程值L在设计线形数据库(以0.625m为间距的轨道设计数据，包括当前里程值l_i，北坐标x_i，东坐标y_i、高程z_i、超高h_i、轨距g_i等)中查询得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点A_i以及轨道第二设计中线点A_i+1。

其中，轨道第一设计中线点A_i的三维坐标为(x_i,y_i,z_i)，轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标为(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，l为当前里程值。

其中坡度角α的计算公式为：

轨道方向角θ的计算公式为：

此外，当前水平角β由轨检仪水平传感器测量值得到。

S103，根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述当前轨距值以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。

进一步的，在计算得到了轨道方向角以及坡度角，并测量得到了当前水平角之后，计算全站仪坐标系下的轨道中线坐标。具体为：

在计算得到了全站仪坐标系下的轨道中线坐标，结合该全站仪坐标系下的轨道中线坐标(X,Y,Z)，轨道第一设计中线点A_i的三维坐标以及轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标计算得到线路横向偏差以及垂向偏差。

在本步骤中，线路横向偏差的表达式为：

垂向偏差的表达式为：

其中，

本发明提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，在将全站仪固结于轨检仪上，将轨检仪静置于轨道上之后，进行免置平设站并计算得到全站仪站点坐标，通过测量小车的当前里程值确定得到距离最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，并根据上述轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角，由于轨道方向角以及坡度角的计算是通过精准的位置坐标进行计算的，因此根据轨道方向角、当前水平角、当前轨距值以及坡度角可精准地计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标，提高了精确度。

请参阅图4，对于本发明第二实施例提出的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算装置，其中，所述装置包括第一计算模块11、第二计算模块12以及第三计算模块13；

其中所述第一计算模块11具体用于：

将全站仪固结于轨检仪上，所述轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪检测得到当前里程值、当前水平角以及当前轨距值，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标；

所述第二计算模块12具体用于：

根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角；

所述第三计算模块13具体用于：

根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述当前轨距值以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将全站仪固结于轨检仪上，所述轨检仪静置于轨道上之后，通过轨检仪测量得到当前里程值、当前水平角和当前轨距值，并测量得到各个CPIII控制点在全站仪坐标系下的三维坐标值，通过免置平设站算法计算得到全站仪站点坐标；

根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角；

根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述当前轨距值以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标；

根据所述当前里程值确定得到距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点以及轨道第二设计中线点的方法包括如下步骤：

以|l-l_i|的最小值作为目标值，在预设线性数据库中查找确定距离当前轨道位置最近的轨道第一设计中线点A_i以及轨道第二设计中线点A_i+1，其中轨道第一设计中线点A_i的三维坐标为(x_i,y_i,z_i)，轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标为(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，l为所述当前里程值，l_i以及l_i+1分别为所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的里程值，x_i以及x_i+1为北坐标，y_i以及y_i+1为东坐标，z_i以及z_i+1为高程；

所述根据所述轨道方向角、所述当前水平角、当前轨距值以及所述坡度角，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标的方法包括如下步骤：

根据所述轨道方向角、所述当前水平角、所述当前轨距值、所述坡度角以及轨检仪坐标系下的轨道中线坐标，计算得到大地坐标系下的轨道中线坐标；

计算所述大地坐标系下的轨道中线坐标(X,Y,Z)的公式为：

其中，α为坡度角；β为当前水平角；θ为轨道方向角；X_s、Y_s、Z_s为通过免置平设站获得的大地坐标系下全站仪站点坐标；D为左轨到X′-O′-Z′平面的横向距离，H为轨检仪坐标系下的轨道中线点到X′-O′-Y′平面的垂向距离，g为轨距值；O′-X′Y′Z′表示独立的空间直角坐标系：以全站仪站点为坐标系原点；以轨检仪测臂方向为X′轴，轨道里程增大方向为X′轴正方向；以轨检仪横梁方向为Y′轴，指向测臂的另一侧轨道；以X′轴和Y′轴正交方向为Z′轴，方向向上；

所述方法还包括如下步骤：

根据所述全站仪坐标系下的轨道中线坐标(X,Y,Z)、轨道第一设计中线点A_i的三维坐标以及轨道第二设计中线点A_i+1的三维坐标计算得到线路横向偏差以及垂向偏差；

所述线路横向偏差的表达式为：

所述垂向偏差的表达式为：

其中，

2.根据权利要求1所述的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其特征在于，根据所述轨道第一设计中线点以及所述轨道第二设计中线点的三维坐标计算得到轨道方向角以及坡度角的方法包括如下步骤：

其中所述坡度角α的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其特征在于，所述轨道方向角θ的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的基于全站仪免置平设站的轨道定位坐标计算方法，其特征在于，所述轨检仪坐标系下的轨道中线坐标(X_c',Y_c',Z_c')的表达式为：

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