CN111778791A - 低速轨道检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路轨道检测领域，提供了一种低速轨道检测系统，包括：惯性导航系统、里程计、轨距计和轨检车体；轨检车体包括T形梁、多个行走轮；所述T形梁内设有空腔，包括3个端，每个端的侧面上设置1个行走轮；所述惯性导航系统设置在所述T形梁的上方，所述轨距计设置在所述T形梁内部，所述里程计安装在行走轮上；所述惯性导航系统与所述里程计和轨距计通过电气接口连接，至少用于测量所述轨检车体的姿态、速度和位置数据，并结合里程计、轨距计的测量数据计算轨道几何状态。本系统将多种传感器数据进行深度融合，能提高轨道检测的精度。

Description

低速轨道检测系统与方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道检测领域，具体涉及一种低速轨道检测系统和低速轨道检测方法。

背景技术

本世纪以来，国家加大了轨道交通设施的建设，高铁、动车、普铁和地铁等各种轨道里程快速发展，列车运输任务的繁重也达到前所未有的程度。轨道是列车运行的基础，轨道几何参数指标(轨距、水平、轨向、高低、横向偏差和垂向偏差等)的优劣程度与列车运行时的安全性密切相关。

随着轨道交通列车的运行速度、行车密度和载重的不断增加，轨道性能经受着巨大考验，轨道的养护工作难度也在不断增加，轨道(几何参数)检测系统作为保障轨道安全的重要手段得到了高度重视。各类轨道的建设和养护过程中都需要全面检测轨道几何参数，目前国内外的各种轨道交通里程都在快速增加，对轨道检测系统的需求也随之快速增加。

目前，从检测载体和速度方面可将轨道检测系统分为两类：

(1)低速轨道检测系统：主要载体为不带动力的检测小车，通常为T形结构，检测作业时需要人工或其他带动力车辆推行，最高检测速度通常小于60公里/小时；

(2)高速轨道检测系统：主要载体为带动力的各种运营车(高铁、动车、普铁、城际列车、地铁等)和作业车(捣固车、打磨车、巡检车等)，在列车行驶过程中进行轨道检测，最高检测速度通常大于60公里/小时。

目前主要有以下三类低速轨道检测系统：低速光学轨道检测系统、低速陀螺轨道检测系统和低速惯导轨道检测系统。

低速惯导轨道检测系统是近年来出现的新一代轨道检测系统，该系统采用惯性导航系统检测方案，利用惯性导航系统和里程计、全站仪、卫星导航接收机(卫导接收机)等进行多传感器简单融合，可以连续测量左轨和右轨的三维坐标，可以进行相对测量和绝对测量，还可以有效扣除地球自转和重力引起的轨道检测误差，明显提高了轨道测量精度和可靠性。但是，现有的低速惯导轨道检测系统仍存在以下问题：

(1)实际的轨道检测作业工况(环境温度、检测速度、轨道参数)很复杂：环境温度变化范围达到80℃以上，环境温度变化时，惯性导航系统的陀螺和加速度计的零偏、安装误差和标度因数等参数都会发生变化，由此导致轨道检测精度下降；检测速度变化范围达到20倍以上，主要轨道参数(水平、轨向、高低)变化范围达到200mm以上，检测速度和轨道参数变化时，由于轨道检测车体的运动和振动特性会发生变化，导致惯性导航系统的陀螺和加速度计的零偏和标度因数等参数会发生变化，由此导致轨道检测精度下降。

(2)现有的低速惯导轨道检测系统采用惯性导航系统与全站仪、里程计、卫导接收机的多传感器简单融合数据处理方法，难以有效克服陀螺误差(零偏、安装误差、标度因数误差等)、加速度计误差(零偏、安装误差、标度因数误差等)、惯性导航系统初始对准误差等对轨道检测精度的负面影响。

(3)现有的低速惯导轨道检测系统应用在低速轨道检测系统上，该检测系统没有针对轨道检测领域的特殊情况结合轨道约束、车体动力学和重力异常模型解算和误差补偿，限制了轨道检测精度的进一步提高。

(4)现有的低速惯导轨道检测系统没有针对轨道检测领域的环境温度和动态特性需求，采用专门的温度补偿和系统标定方法，限制了轨道检测精度的进一步提高。

因此，亟需开发一种能够提高轨道检测精度的系统。

发明内容

针对现有技术存在的多个问题，本发明提供一种能够提高检测精度的低速轨道检测系统及低速轨道检测方法。

根据本发明的第一方面，提供一种低速轨道检测系统，包括：惯性导航系统、里程计、轨距计和轨检车体；其中，

轨检车体包括T形梁和多个行走轮；所述T形梁内设有空腔，包括3个端，每个端的侧面上设置1个行走轮；

所述惯性导航系统设置在所述T形梁的上方，所述轨距计设置在所述T形梁内部，所述里程计安装在行走轮上；

所述惯性导航系统与所述里程计、所述轨距计通过电气接口连接，至少用于测量所述轨检车体的姿态、速度和位置数据，并结合里程计、轨距计的数据计算轨道的几何状态。

根据本发明的一示例实施方式，低速轨道检测系统还包括卫星导航接收机，所述卫星导航接收机和所述惯性导航系统通过电气接口连接，并设置在装载低速轨道检测系统的检测车上，所述惯性导航系统还结合所述卫星导航接收机的数据计算轨道的几何状态。

根据本发明的一示例实施方式，低速轨道检测系统还包括全站仪，所述全站仪和所述惯性导航系统通过电气接口连接，并设置在装载低速轨道检测系统的检测车上，所述惯性导航系统还结合所述全站仪的数据计算轨道的几何状态。

将惯性导航系统解算数据与全站仪或卫星导航接收机数据进行深度融合，提高轨道检测精度。

根据本发明的一示例实施方式，低速轨道检测系统还包括显示控制装置，所述显示控制装置与所述惯性导航系统通过电气接口连接，至少用于系统的显示和控制。

根据本发明的一示例实施方式，所述卫星导航接收机和全站仪设置在所述T形梁的上方。

根据本发明的一示例实施方式，所述低速轨道检测系统还包括设置在T形梁上方的手推杆。

根据本发明的一示例实施方式，低速轨道检测系统还包括电源电路和电池，电源电路用于将外部电源转换为系统内部需要的各种电源，电池用于为系统各部分供电。

根据本发明的一示例实施方式，电池包括锂电池、铅酸电池或镍氢电池。

根据本发明的一示例实施方式，惯性导航系统包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、里程计数据的解算、轨距计数据的解算、多种测量模型和误差补偿模型解算；

通用接口电路至少用于连接里程计和轨距计。

根据本发明的一示例实施方式，导航计算机还用于完成卫星导航接收机数据的解算和全站仪数据的解算；通用接口电路还用于连接卫星导航接收机和全站仪。

根据本发明的一示例实施方式，通用接口电路还用于连接显示控制装置。

根据本发明的一示例实施方式，惯性导航系统还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量温度数据，所述通用接口电路还用于连接所述温度传感器，所述导航计算机还用于完成温度数据的解算。

根据本发明的一示例实施方式，导航计算机包括系统误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块、轨道检测解算模块和结果输出模块；

导航解算模块用于根据陀螺和加速度计测量数据完成姿态解算、速度解算和位置解算；

系统误差校正模块用于校正系统误差和重力异常误差；

最优估计模块至少用于将惯性导航数据、里程计数据、轨距计数据对系统误差进行最优估计；

轨道检测解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，导航计算机还包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块和车体动力学解算模块中的一个或多个模块；

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差；

轨道约束解算模块用于装载低速轨道检测系统的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿；

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，所述系统误差校正模块还用于校正重力异常误差。

根据本发明的一示例实施方式，所述最优估计模块还用于将轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据对系统误差进行最优估计。

根据本发明的一示例实施方式，车体动力学解算模块利用里程计数据、轨距计数据和运动模型进行运动参数解算和误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，导航计算机还包括误差补偿模块和故障检测模块；

误差补偿模块至少用于对陀螺数据、加速度计数据、里程计数据和轨距计数据进行误差补偿；

故障检测模块用于对各种误差补偿模块输出的数据进行故障检测；

结果输出模块至少用于输出轨道检测数据、惯性导航数据和轨道的几何状态数据。

根据本发明的一示例实施方式，最优估计模块还用于将卫星导航接收机数据和全站仪数据对系统误差进行最优估计，误差补偿模块还用于对卫星导航接收机数据和全站仪数据进行误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，最优估计模块还用于将温度数据对系统误差进行最优估计，误差补偿模块还用于对温度数据进行误差补偿。

采用最优估计模块对惯性导航数据、里程计数据、温度数据、卫星导航接收机数据、全站仪数据进行深度融合，可以提高轨道检测的精度和可靠性。

根据本发明的一示例实施方式，所述导航计算机还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于实时存储各种原始数据和结果数据，这些数据主要包括传感器数据、轨道检测数据、惯性导航数据和各种状态数据。

根据本发明的一示例实施方式，所述里程计至少用于测量装载低速轨道检测系统的检测车的里程和速度。

根据本发明的一示例实施方式，所述里程计包括光电编码器、磁电编码器、电阻编码器或磁钉加霍尔传感器。

根据本发明的一示例实施方式，所述里程计为2个以上，每个里程计设置在一个行走轮上。现有的低速轨道检测系统通常只采用1个里程计，本发明采用多个里程计，每个里程计安装在检测车的一个车轮上，可以明显提高里程测量精度和可靠性。

根据本发明的一示例实施方式，所述轨距计用于测量轨道的两个钢轨之间的距离，包括左侧轨距计和右侧轨距计。

根据本发明的一示例实施方式，所述轨距计采用直线位移传感器。

根据本发明的一示例实施方式，所述直线位移传感器包括电位计传感器、磁致伸缩位移传感器、光栅测量方式的直线位移传感器或激光图像测量方式的直线位移传感器。

根据本发明的一示例实施方式，所述卫星导航接收机用于测量装载低速轨道检测系统的检测车的位置和速度，同时提供以卫星导航系统为时间基准的时间数据和同步的秒脉冲信号。

根据本发明的一示例实施方式，所述全站仪用于测量CP3点的距离、方位角和俯仰角的参数，CP3点为轨道线路两侧每隔60米左右所布置的测量标志点。

根据本发明的一示例实施方式，T形梁的2个端在一条轨道的一侧，另1个端在另一条轨道的一侧。

根据本发明的一示例实施方式，所述行走轮用于检测车在轨道上行走。

根据本发明的一示例实施方式，轨检车体还包括多个限位轮、整体预紧装置和轨距预紧装置，所述多个限位轮包括分别设置在T形梁的3个端的行走限位轮和设置在位于同一侧铁轨的行走限位轮之间的轨距限位轮；整体预紧装置与所述行走限位轮连接，用于使行走限位轮紧靠钢轨内侧面；轨距预紧装置与所述轨距限位轮连接，并可以相对于轨检车体在轨枕方向移动，用于使轨距限位轮紧靠钢轨内侧面。

根据本发明的第二方面，提供一种低速轨道检测方法，包括如下步骤：

A：对惯性导航系统采用双位置对准方法进行初始对准；

B：根据轨道环境温度的变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行温度标定和误差补偿；

C：采集陀螺、加速度计、里程计、轨距计的数据；

D：对陀螺数据和加速度计数据根据重力异常解算模块的数据进行导航解算，并将导航解算的结果与里程计数据、轨距计数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计；

E：对步骤D的最优估计结果进行轨道解算模型的解算和误差补偿，得到轨道检测结果。

与现有的多种传感器的数据简单融合的方案相比，本发明在惯性导航系统、里程计和轨距计这些物理传感器的基础上，加入重力异常模型、轨道约束模型和车体动力学模型，将物理传感器和这三个模型进行深度融合，可以有效估计并补偿多种误差(初始对准误差、惯性导航系统安装误差、陀螺和加速度计的零偏、安装误差及标度因数)，提高轨道检测精度和可靠性。

根据本发明的一示例实施方式，步骤A中，所述对惯性导航系统采用双位置对准方法进行初始对准的方法包括：

A1：将惯性导航系统固定安装在低速轨道检测系统的车体上；

A2：将车体放置在地面或轨道上，静止预定时间；

A3：以竖直方向为轴旋转车体90至270度，使车体放置在地面或轨道上，静止预定时间；

A4：采用惯性导航系统数据和最优估计方法完成初始对准和水平陀螺零偏、水平加速度计零偏估计，其中，所述最优估计方法包括采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或最小二乘的方法进行最优估计。

根据本发明的一示例实施方式，所述预定时间为10至1000秒。

根据本发明的一示例实施方式，所述步骤A3中，所述旋转车体的方式为以竖直方向为轴，从上往下看顺时针或逆时针旋转。

根据本发明的一示例实施方式，所述步骤A2中，将车体沿需要测量的轨道方向的反方向放置，所述步骤A3中，旋转车体180度，使车体沿需要测量的轨道方向放置。

根据本发明的一示例实施方式，步骤B还包括根据检测速度和轨道参数变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行高精度标定和误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，步骤C中采集的里程计的数据为2个以上里程计的数据，步骤D中，将2个以上的里程计数据与导航解算的结果数据进行深度融合。

根据本发明的一示例实施方式，步骤D中，采用圆锥误差补偿、划桨误差补偿或涡卷误差补偿的方法进行导航解算。

根据本发明的一示例实施方式，步骤D中，采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或最小二乘的方法进行最优估计。

根据本发明的一示例实施方式，步骤D中，最优估计采用单级或多级的最优估计结构。

根据本发明的一示例实施方式，步骤C中，还采集卫星导航接收机的数据，并在步骤D中将卫星导航接收机数据进行最优估计。

根据本发明的一示例实施方式，步骤C中，还采集全站仪的数据，并在步骤D中将全站仪数据进行最优估计。

根据本发明的一示例实施方式，步骤C中，还采集温度传感器的数据，并在步骤D中将温度数据进行最优估计。

本发明的有有益效果是：

本发明从多种可能导致检测精度降低的角度着手进行改进，提供了一种低速轨道检测系统和低速轨道检测方法，能够提高轨道检测的精度和可靠性，具体通过以下几点进行阐述：

(1)本发明采用多种传感器深度融合的方案，将惯性导航系统与全站仪、里程计、轨距计、卫星导航接收机进行深度融合，采用最优估计方法对惯性导航系统的姿态误差和惯性器件(陀螺和加速度计)误差进行有效估计和补偿，从而提高轨道检测精度和可靠性。

(2)本发明在深度融合的过程中，将重力异常模型、轨道约束模型和车体动力学模型作为虚拟传感器并与惯性导航系统、全站仪、里程计、轨距计、卫星导航接收机这些物理传感器的数据进行深度融合，可以进一步提高轨道检测的精度和可靠性。

(3)本发明采用双位置对准方法，能明显降低惯性导航系统的初始对准误差，有效估计水平陀螺零偏和水平加速度计零偏，进一步提高轨道水平参数测量精度和可靠性。

(4)本发明对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行高精度温度补偿，提高环境温度变化时的轨道检测精度和可靠性。

(5)本发明对陀螺和加速度计的标度因数对称性、非线性进行高精度标定，明显提高在检测速度和轨道参数变化时的检测精度和可靠性。

(6)本发明将多个里程计和惯性导航系统进行深度融合，明显提高测量精度和可靠性。

附图说明

图1是低速轨道检测系统的检测部件的连接关系图。

图2是导航计算机的模块连接关系图。

图3是轨检车体的立体图。

图4是轨检车体的主视图。

图5是轨检车体沿需要测量的轨道方向的反向放置示意图。

图6是轨检车体沿需要测量的轨道方向的正向放置示意图。

其中，1—惯性导航系统，2—里程计，3—轨距计，4—卫星导航接收机，5—全站仪，6—T形梁，7—手推杆，8—行走轮，9—限位轮。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

根据本发明的第一种实施方式，本发明提供一种低速轨道检测系统，如图1-3所示，包括：惯性导航系统1、里程计2、轨距计3、卫星导航接收机4、全站仪5、显控电脑和轨检车体。惯性导航系统1与里程计2、轨距计3、卫星导航接收机4、全站仪5和显控电脑通过电气接口连接。

惯性导航系统1至少用于测量轨检车体的姿态、速度和位置数据，并结合里程计2、轨距计3、卫星导航接收机4和全站仪5的数据计算轨道的几何状态。

惯性导航系统1包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机、温度传感器和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、温度数据的解算、里程计数据的解算、轨距计数据的解算、卫星导航接收机数据的解算、全站仪数据的解算、多种测量模型和误差补偿模型解算；

温度传感器用于测量温度数据；

通用接口电路至少用于连接里程计2、轨距计3、卫星导航接收机4、全站仪5、温度传感器和显控电脑。

如图2所示，导航计算机包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块、车体动力学解算模块、系统误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块、轨道检测解算模块、误差补偿模块、故障检测模块、数据存储模块和结果输出模块。

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差。

轨道约束解算模块用于装载低速轨道检测系统的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿。

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿，车轮动力学解算模块利用里程计数据、轨距计数据和运动模型进行运动参数解算和误差补偿。

导航解算模块用于完成姿态解算、速度解算和位置解算。

系统误差校正模块用于校正系统误差和重力异常误差。

最优估计模块用于将惯性导航数据(即为陀螺数据和加速度数据经过导航解算模块解算之后的数据)、里程计数据、温度数据、轨距计数据、卫星导航接收机数据、全站仪数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据对系统误差进行最优估计；采用最优估计模块对惯性导航数据、里程计数据、温度数据、轨距计数据、卫星导航接收机数据、全站仪数据进行深度融合，可以提高轨道检测的精度和可靠性。

轨道检测解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿。

误差补偿模块用于对陀螺数据、加速度计数据、里程计数据、轨距计数据、全站仪数据、卫星导航接收机数据和温度数据进行误差补偿。

故障检测模块用于对各种误差补偿模块输出的数据进行故障检测。

所述数据存储模块用于实时存储各种原始数据和结果数据，这些数据主要包括传感器数据、轨道检测数据、惯性导航数据和各种状态数据。

结果输出模块至少用于输出轨道检测数据、惯性导航数据和轨道的几何状态数据至显控电脑。

里程计2用于测量装载低速轨道检测系统的检测车的里程和速度，安装在检测车的车轮上。里程计包括光电编码器、磁电编码器、电阻编码器或磁钉加霍尔传感器。现有的低速轨道检测系统通常只采用1个里程计，本实施方式采用2或3个里程计，每个里程计2安装在检测车的一个车轮上，可以明显提高里程测量精度和可靠性。

轨距计3设置在轨检车体的T形梁6的空腔内，用于测量轨道的两个钢轨之间的距离，包括左侧轨距计和右侧轨距计，轨距计3采用直线位移传感器。直线位移传感器包括电位计传感器、磁致伸缩位移传感器、光栅测量方式的直线位移传感器、激光图像测量方式的直线位移传感器。

卫星导航接收机4用于测量装载低速轨道检测系统的检测车的位置和速度，同时提供以卫星导航系统为时间基准的时间数据和同步的秒脉冲信号。

全站仪5用于测量CP3点的距离、方位角和俯仰角的参数，CP3点为轨道线路两侧每隔60米左右所布置的测量标志点。

显控电脑至少用于系统的显示和控制。

低速轨道检测系统还包括电源电路(图中未示出)和电池(图中未示出)，电源电路用于将外部电源转换为系统内部需要的各种电源，电池用于为系统各部分供电。电池包括锂电池、铅酸电池或镍氢电池。

如图3和图4所示，轨检车体包括T形梁6、手推杆7、3个行走轮8和4个限位轮9。T形梁6内设有空腔，包括3个端，其中一个端在一条轨道的一侧，另外两个端在另一条轨道的一侧。每个端上设置1个行走轮8，用于检测车在轨道上行走。限位轮9设置在T形梁6的底部，包括分别设置在T形梁6的3个端的行走限位轮和1个设置在位于同一侧的行走限位轮之间的轨距限位轮。手推杆7、低速轨道检测系统的惯性导航系统1、轨距计3、卫星导航接收机4和全站仪5设置在T形梁6的上方，里程计2安装在行走轮8上，每个里程计2安装在一个行走轮8上。

轨检车体还包括整体预紧装置(图中未示出)和轨距预紧装置(图中未示出)，整体预紧装置与行走限位轮连接，用于使行走限位轮紧靠钢轨内侧面；轨距预紧装置与轨距限位轮连接，并可以相对于轨检车体在轨枕方向移动，用于使轨距限位轮紧靠钢轨内侧面。

根据该低速轨道检测系统检测铁路轨道，包括如下步骤：

A：对惯性导航系统1采用双位置对准方法进行初始对准；

B：根据轨道环境温度变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行温度标定和误差补偿，根据检测速度和轨道参数变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行高精度标定和误差补偿；

C：采集陀螺、加速度计、温度传感器、2个以上的里程计、轨距计、卫星导航接收机和全站仪的数据；

D：对陀螺数据和加速度计数据根据重力异常解算模块的数据进行导航解算，并将导航解算的结果与温度数据、卫星导航接收机数据、里程计数据、轨距计数据、全站仪数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计；

E：对步骤D的最优估计结果进行轨道解算模型的解算和误差补偿，得到轨道检测结果。

步骤A中，所述对惯性导航系统采用双位置对准方法进行初始对准的方法包括：

A1：将惯性导航系统1固定安装在低速轨道检测系统的轨检车体上；

A2：如图5所示，将车体沿需要测量的轨道方向的反向放置在地面或轨道上，静止10至1000秒；

A3：如图6所示，以竖直方向为轴旋转车体180度，使车体沿需要测量的轨道方向放置在地面或轨道上，静止10至1000秒；除了旋转车体180度之外，在实际操作中，还可以旋转90度或270度，旋转车体的度数范围可以在90至270度之间；

A4：采用惯性导航系统数据和最优估计方法完成初始对准和水平陀螺零偏、水平加速度计零偏估计，其中，所述最优估计方法包括采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或最小二乘的方法进行最优估计。

采用惯性导航数据和最优估计方法完成高精度初始对准和惯性器件(陀螺和加速度计)的误差估计，与单位置对准相比，该方法能明显提高初始对准精度，并且还可以估计惯性器件的误差，从而提高轨道检测精度。

步骤D中，采用圆锥误差补偿、划桨误差补偿或涡卷误差补偿的方法进行导航解算；然后采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或最小二乘的方法进行最优估计，最优估计采用单级或多级的最优估计结构。

与现有的多种传感器的数据简单融合的方案相比，本发明在惯性导航系统1、里程计2、轨距计3、全站仪5和卫星导航接收机4这些物理传感器的基础上，加入重力异常模型、轨道约束模型和车体动力学模型，将物理传感器和这三个模型进行深度融合，可以有效估计并补偿多种误差(初始对准误差、惯性导航系统安装误差、陀螺和加速度计的零偏、安装误差及标度因数)，提高轨道检测精度和可靠性。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种低速轨道检测系统，其特征在于，包括：惯性导航系统、里程计、轨距计和轨检车体；

轨检车体包括T形梁、多个行走轮；所述T形梁包括3个端，每个端的侧面上设置1个行走轮；

所述惯性导航系统设置在所述T形梁的上方，所述轨距计设置在所述T形梁内部，所述里程计安装在行走轮上；

所述惯性导航系统与所述里程计和所述轨距计通过电气接口连接，至少用于测量所述轨检车体的姿态、速度和位置数据，并结合里程计、轨距计的数据计算轨道几何状态。

2.根据权利要求1所述的低速轨道检测系统，其特征在于，惯性导航系统包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计的测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、里程计数据的解算、轨距计数据的解算、多种测量模型和误差补偿模型解算；

通用接口电路至少用于连接里程计和轨距计。

3.根据权利要求2所述的低速轨道检测系统，其特征在于，导航计算机包括系统误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块、轨道检测解算模块和结果输出模块；

导航解算模块用于根据陀螺和加速度计的测量数据完成姿态解算、速度解算和位置解算；

系统误差校正模块用于校正系统误差和重力异常误差；

最优估计模块至少用于将惯性导航数据、里程计数据、轨距计数据对系统误差进行最优估计；

轨道检测解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿；

结果输出模块至少用于输出轨道检测数据、惯性导航数据和轨道的几何状态数据。

4.根据权利要求2所述的低速轨道检测系统，其特征在于，导航计算机还包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块和车体动力学解算模块中的一个或多个模块；

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差；

轨道约束解算模块用于装载低速轨道检测系统的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿；

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿。

5.根据权利要求3所述的低速轨道检测系统，其特征在于，所述里程计为2个以上；

轨检车体还包括多个限位轮、整体预紧装置和轨距预紧装置，所述多个限位轮设置在所述T形梁的底部，包括分别设置在T形梁的3个端的行走限位轮和设置在位于同一侧铁轨的行走限位轮之间的轨距限位轮；整体预紧装置与所述行走限位轮连接，用于使行走限位轮紧靠钢轨内侧面；轨距预紧装置与所述轨距限位轮连接，用于使轨距限位轮紧靠钢轨内侧面。

6.根据权利要求1所述的低速轨道检测系统，其特征在于，还包括全站仪或卫星导航接收机，将惯性导航系统解算数据与全站仪或卫星导航接收机数据进行深度融合，提高轨道检测精度。

7.一种低速轨道检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A：对惯性导航系统采用双位置对准方法进行初始对准；

B：根据轨道环境温度的变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行温度标定和误差补偿；

C：采集陀螺、加速度计、里程计和轨距计的测量数据；

D：根据陀螺数据和加速度计数据、重力异常解算数据进行导航解算，并将导航解算的结果与里程计数据、轨距计数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计；

E：对步骤D的最优估计结果进行轨道解算模型的解算和误差补偿，得到轨道检测结果。

8.根据权利要求7所述的低速轨道检测方法，其特征在于，步骤A中，所述对惯性导航系统采用双位置对准方法进行初始对准的方法包括：

A1：将惯性导航系统固定安装在低速轨道检测系统的车体上；

A2：将车体放置在地面或轨道上，静止预定时间；

A3：以竖直方向为轴旋转车体90至270度，使车体放置在地面或轨道上，静止预定时间；

A4：采用惯性导航系统数据和最优估计方法完成初始对准和水平陀螺零偏、水平加速度计零偏估计，其中，所述最优估计方法包括采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或最小二乘的方法进行最优估计。

9.根据权利要求7所述的低速轨道检测方法，其特征在于，所述步骤B还包括根据检测速度和轨道参数变化特性对陀螺和加速度计的零偏、安装误差、标度因数进行高精度标定和误差补偿。

10.根据权利要求7所述的低速轨道检测方法，其特征在于，所述步骤C中采集的里程计数据为2个以上里程计的数据，所述步骤D中，将2个以上的里程计数据与导航解算的结果数据进行深度融合。

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