CN110803200B - 一种基于cpiii控制点的轨道里程定位方法及装置 - Google Patents

一种基于cpiii控制点的轨道里程定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CPIII控制点的轨道里程定位方法及装置，属于铁路轨道测量领域，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，实现方式为：分别测量轨检小车上第一参考点及第二参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离及第二距离，且第一参考点与第二参考点之间的第三距离已知；根据第一距离、第二距离及第三距离，得到第一参考点、第二参考点及目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系；基于第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系，得到第一投影点及第二投影点的轨道里程，再结合轨检小车的几何参数，得到轨检小车对应中线位置的轨道里程值。本发明测量里程的方式简单实用。

Description

一种基于CPIII控制点的轨道里程定位方法及装置
技术领域
本发明属于铁路轨道测量领域，更具体地，涉及一种根据轨道控制网CPIII点确定A-INS轨检小车绝对里程的方法及装置。
背景技术
轨道里程是轨道几何状态精密测量数据的基准，轨道偏差量、轨道不平顺等各项轨道几何状态参数均需赋予精确的轨道里程属性才具有实际的意义和应用价值。目前的INS/GNSS轨检小车，能够实现厘米级的绝对定位精度，且没有误差的积累。INS/GNSS轨检小车测量数据对应的里程可以由以下手段进行确定：1)将INS/GNSS的绝对坐标转换到轨道施工所用的当地水平坐标系(例如与轨道控制网CPIII所在的坐标系统)，则任意测量点的绝对里程均可根据对应的绝对坐标投影到设计中线中计算得到。2)给定起点里程、终点里程(甚至是测段中任意一点的轨道里程)，根据INS/GNSS绝对坐标可以推算出轨检小车的任意时刻的平面行走距离，也即里程增量，初始里程加上里程增量则可得到任意时刻轨检小车的绝对里程。
然而，上述确定里程的方法1)需要已知两个坐标系的转换参数，这往往并不容易获得，尤其是对于既有线检测来说。而方法2)是一种很简便的方法，但是需要确定绝对的初始里程。因此，上述确定里程的方法均存在一定的局限性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于CPIII控制点的轨道里程定位方法及装置，由此解决现有确定里程的方法存在的两个坐标系转换参数不易获得及绝对初始里程确定较复杂而导致的现有里程确定方法较复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于CPIII控制点的轨道里程定位方法，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，所述方法包括：
(1)测量所述轨检小车上第一参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离，测量所述轨检小车上第二参考点与所述目标CPIII控制点之间的第二距离，其中，所述第一参考点与所述第二参考点之间的第三距离已知；
(2)根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离，得到所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系；
(3)基于所述第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系，得到所述第一投影点及所述第二投影点的轨道里程，再结合所述轨检小车的几何参数，得到所述轨检小车对应中线位置的轨道里程值。
优选地，步骤(2)包括：
(2.1)根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离得到由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形的两个目标角的角度值；
(2.2)基于所述三角形的两个目标角的角度值得到所述第一投影点与所述第三投影点之间的第四距离，所述第二投影点与所述第三投影点之间的第五距离。
优选地，当里程方向沿着A到B递增，则由MA'＝MP'-A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'+P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'；
当里程方向沿着A到B递减，由MA'＝MP'+A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'-P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'，其中，A'表示所述第一投影点，P'表示所述第三投影点，A'P'表示所述第四距离，MP'表示所述第三投影点的轨道里程，B'表示所述第二投影点，P'B'表示所述第五距离。
优选地，由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形为锐角三角形、钝角三角形及直角三角形中的任意一种。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于CPIII控制点的轨道里程定位装置，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，所述装置包括：
测量模块，用于测量所述轨检小车上第一参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离，测量所述轨检小车上第二参考点与所述目标CPIII控制点之间的第二距离，其中，所述第一参考点与所述第二参考点之间的第三距离已知；
第一位置确定模块，用于根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离，得到所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系；
第二位置确定模块，用于基于所述第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系，得到所述第一投影点及所述第二投影点的轨道里程，再结合所述轨检小车的几何参数，得到所述轨检小车对应中线位置的轨道里程值。
优选地，所述第一位置确定模块包括：
角度值确定模块，用于根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离得到由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形的两个目标角的角度值；
距离确定模块，用于基于所述三角形的两个目标角的角度值得到所述第一投影点与所述第三投影点之间的第四距离，所述第二投影点与所述第三投影点之间的第五距离。
优选地，所述第二位置确定模块，用于当里程方向沿着A到B递增，则由MA'＝MP'-A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'+P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'；
当里程方向沿着A到B递减，由MA'＝MP'+A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'-P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'，其中，A'表示所述第一投影点，P'表示所述第三投影点，A'P'表示所述第四距离，MP'表示所述第三投影点的轨道里程，B'表示所述第二投影点，P'B'表示所述第五距离。
优选地，由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形为锐角三角形、钝角三角形及直角三角形中的任意一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明利用简易的距离测量设备，即可方便地确定轨检小车的初始里程，无需引入全站仪等额外的测量设备，大大降低了硬件成本及施测成本，简单易行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种现有INS/GNSS轨道测量系统俯视图；
图2是本发明实施例提供的一种获取小车里程值的几何示意图；
其中，1为GNSS天线；2为IMU；3为位移传感器；4为车体框架；A、B、C为车轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种简单实用的确定绝对初始里程的方法。本发明所公开的方法是一种基于轨道控制网CPIII点来确定INS/GNSS轨检小车所在位置对应轨道里程的方法。利用CPIII控制点相对轨检小车的位置关系构造三角形，通过解算三角函数，并结合事先严格标定的小车移动支架的几何参数，推算得到小车所在位置对应轨道里程值。该方法主要作用于轨道测量中小车出发点和终点对应里程的确定，测量中途小车无需停下进行该操作。
该方法包括分别测量轨检小车上两个距离已知的参考点(如两个走行轮的轮轴)和附近某一轨道控制网(CPIII控制)控制点之间的距离，使得两个参考点及CPIII控制点形成的三角形的三边已知，三角形的几何形状唯一确定，参考轨道中线设计线型，三点分别向轨道中线进行投影，则根据三角函数关系可唯一确定三点在轨道中线上投影点之间的关系；由于CPIII控制点在中线的投影点里程可由CPIII控制点平面坐标值和设计线型求解得到，所以轨检小车上的两个参考点在中线上的投影点里程也可计算得到，从而作为轨检小车的初始里程值。
本发明基于图1的INS/GNSS轨道几何状态测量系统，公开一种根据轨道控制网CPIII控制点来确定INS/GNSS轨检小车所在位置对应轨道里程的方法及装置。但本发明所公开的方法本身并不受限于所引述的系统。
如图1所示公开的INS/GNSS轨道几何状态测量系统，包括小车车体框架4、三个车轮A、B、C、IMU 2、GNSS天线1及位移传感器3。
图2示出了本发明实施例计算的几何示意图，其中，小车三个轮子抽象为A、B、C三个点，小车对应中线位置为O点，图中虚线表示轨道中线，两侧实线表示轨道。
本实施例首先用卷尺测量距离惯导小车最近的CPIII控制点(P点)到轨检小车两轮(A点、B点)之间的距离S1、S2。
距离S1、S2的获取方式包括但不仅限于用卷尺测量。
小车两轮间距S是事先严格标定的，因此三角形△PAB的三边已知。
小车相对于CPIII控制点的摆放位置包括但不仅限于图2所示形式，所构成△PAB可以是锐角三角形，也可以是钝角三角形和直角三角形。
已知P点坐标，几何轨道中线的设计参数，可推算出P点在轨道中线上的投影点P'所对应的里程值MP'。
经由三角函数公式解算，可得小车对应中线位置的轨道里程值MO。
作为一种可选的实时方式，可以采用以下步骤得到小车对应中线位置的轨道里程值MO：
步骤1：由公式(1)和公式(2)得到∠PAB和∠PBA：
Figure GDA0003026192660000061
Figure GDA0003026192660000062
步骤2：计算三角形顶点P、A、B三点在轨道中线上投影点P'、A'、B'的相对位置关系：
考虑到CPIII控制点往往比轨道更高，P、A、B、C四点一般不在同一个平面，所以先将点P投影到AB边上的P”点，再投影到轨道中线上的P'点：
A'P'＝AP”＝S1×cos(∠PAB) (3)
P'B'＝P”B＝S2×cos(∠PBA) (4)
步骤3：计算点A'、点B'里程值MA'、MB'：
由于CPIII控制点在中线上的投影点里程MP'可由CPIII点平面坐标值和设计线型求解得到，所以可得：
当里程方向沿着A到B递增，这里推算公式为：
MA'＝MP'-A'P' (5)
MB'＝MP'+P'B' (6)
当里程方向沿着A到B递减，这里推算公式为：
MA'＝MP'+A'P' (7)
MB'＝MP'-P'B' (8)
步骤4：推算小车里程值MO：
由式(5)和式(6)或者式(7)和式(8)得到点A'、点B'对应的轨道里程值，再结合事先严格标定的轨检小车的几何参数(三个轮子A、B、C的相对位置关系)，即可推算得到小车对应中线位置的轨道里程值MO。
至此，得到INS/GNSS轨检小车所在位置对应轨道里程值。
小车里程值的获取方式包括但不仅限于上述步骤所述流程，还可以是其他所有能够得到O点里程值的方式，这些方式虽然形式不一，但都基于三角函数，原理一致。本发明实施例不做唯一性限定。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种基于CPIII控制点的轨道里程定位装置，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，该装置包括：
测量模块，用于测量轨检小车上第一参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离，测量轨检小车上第二参考点与目标CPIII控制点之间的第二距离，其中，第一参考点与第二参考点之间的第三距离已知；
第一位置确定模块，用于根据第一距离、第二距离及第三距离，得到第一参考点、第二参考点及目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系；
第二位置确定模块，用于基于第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对位置关系，得到第一投影点及第二投影点的轨道里程，再结合轨检小车的几何参数，得到轨检小车对应中线位置的轨道里程值。
其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于CPIII控制点的轨道里程定位方法，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，其特征在于，所述方法包括：
(1)测量所述轨检小车上第一参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离，测量所述轨检小车上第二参考点与所述目标CPIII控制点之间的第二距离，其中，所述第一参考点与所述第二参考点之间的第三距离已知；
(2)根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离，得到所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对距离关系；
(3)基于所述第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对距离关系，得到所述第一投影点及所述第二投影点的轨道里程，再结合所述轨检小车的第一参考点、第二参考点及第三参考点之间沿轨道中线方向的相对距离，得到所述轨检小车对应中线位置的轨道里程值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离得到由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形的两个目标角的角度值；
(2.2)基于所述三角形的两个目标角的角度值得到所述第一投影点与所述第三投影点之间的第四距离，所述第二投影点与所述第三投影点之间的第五距离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当里程方向沿着A到B递增，则由MA'＝MP'-A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'+P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'；
当里程方向沿着A到B递减，由MA'＝MP'+A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'-P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'，其中，A'表示所述第一投影点，P'表示所述第三投影点，A'P'表示所述第四距离，MP'表示所述第三投影点的轨道里程，B'表示所述第二投影点，P'B'表示所述第五距离。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形为锐角三角形、钝角三角形及直角三角形中的任意一种。
5.一种基于CPIII控制点的轨道里程定位装置，用于确定轨检小车所在位置对应的轨道里程，其特征在于，所述装置包括：
测量模块，用于测量所述轨检小车上第一参考点与目标CPIII控制点之间的第一距离，测量所述轨检小车上第二参考点与所述目标CPIII控制点之间的第二距离，其中，所述第一参考点与所述第二参考点之间的第三距离已知；
第一位置确定模块，用于根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离，得到所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点在轨道中线上的第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对距离关系；
第二位置确定模块，用于基于所述第一投影点、第二投影点及第三投影点的相对距离关系，得到所述第一投影点及所述第二投影点的轨道里程，再结合所述轨检小车的第一参考点、第二参考点及第三参考点之间沿轨道中线方向的相对距离，得到所述轨检小车对应中线位置的轨道里程值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一位置确定模块包括：
角度值确定模块，用于根据所述第一距离、所述第二距离及所述第三距离得到由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形的两个目标角的角度值；
距离确定模块，用于基于所述三角形的两个目标角的角度值得到所述第一投影点与所述第三投影点之间的第四距离，所述第二投影点与所述第三投影点之间的第五距离。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二位置确定模块，用于当里程方向沿着A到B递增，则由MA'＝MP'-A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'+P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'；
当里程方向沿着A到B递减，由MA'＝MP'+A'P'得到所述第一投影点的轨道里程MA'，由MB'＝MP'-P'B'得到所述第二投影点的轨道里程MB'，其中，A'表示所述第一投影点，P'表示所述第三投影点，A'P'表示所述第四距离，MP'表示所述第三投影点的轨道里程，B'表示所述第二投影点，P'B'表示所述第五距离。
8.根据权利要求5至7任意一项所述的装置，其特征在于，由所述第一参考点、所述第二参考点及所述目标CPIII控制点构成的三角形为锐角三角形、钝角三角形及直角三角形中的任意一种。
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