CN114353835A - 惯性轨道测量仪动态校准系统、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

惯性轨道测量仪动态校准系统、方法及其应用，该系统是基于双速度传感器与车载天线阵列组合的惯性轨道测量仪动态校准系统，包括轨道、轨距传感器、惯性传感器、差分基站；车载天线阵列每根地面天线中心位置都具备对应的工程坐标系坐标；并且同一根地面天线至少与两个差分基站的数据进行解算；轨道采用速度传感器进行速度测量,并配合轨距传感器进行航向角偏移测量；将该速度变化和角度变化用于惯性传感器的加速度和角速度校准；所述差分基站通过无线通信链路与所述车载天线阵列实现无线通信。本发明解决了惯性轨道测量仪校准需要静态停留的问题，避免了现有技术在开始测量前必须静态校准的问题，实现惯性轨道测量仪的动态校准。

Description

惯性轨道测量仪动态校准系统、方法及其应用

技术领域

本发明属于铁路轨道测量技术领域，涉及一种惯性轨道测量仪动态校准方法及其应用，尤其是涉及一种基于双速度传感器与多天线阵列组合的惯性轨道测量仪动态校准方法及其应用。

背景技术

轨道测量仪是铁路测量专用设备，用于轨道内外部几何参数测量。传统的惯性轨道测量仪（简称“测量小车”），测量前需要进行绝对校准，主要校准方式有：

1.全站仪校准

（1）把CPⅢ成果输入到全站仪中，先对测区内CPⅢ控制点进行检查，确保控制点数据(平面坐标及高程)正确无误，检查控制点是否受到破坏。全站仪观测周边8个CPⅢ点进行不整平自由设站，如果现场条件不满足，至少应使用6个控制点。全站仪不整平自由设站平差计算后东坐标、北坐标和高程的中误差应在1mm以内，方向的中误差应在2秒以内，否则应重新设站。与测量小车同向的控制点参与自由设站平差计算时弃用要谨慎。

（2）设站后要使用控制点检核全站仪设站，搬站前也要再次检核，以证实此次设站测量结果的可靠性；如测量条件不佳，测量期间可增加检核次数。采集数据时测量小车要停稳，全站仪采用精确模式，棱镜要正对全站仪。

（3）全站仪自由设站观测完成后，得到全站仪自由设站处的三维坐标和高程，通过无线通讯将数据传送至测量分析软件，结合轨距、超高等信息进行数据处理后推算得到测量小车初始位置的三维坐标。

2、激光断面仪校准

将测量小车放置在垂直于单个固定目标（可是CPⅢ控制点或固定桩轨道控制点）的位置。将激光定位仪激光大致对准垂直方向，并点击“测量”按钮。将激光对准距离> 2m，垂直角>5°的固定目标上安置的十字靶标中心。激光定位仪校准时将进行距离和角度测量，整个校准过程需要保持测量小车静止，进而小车获得初始位置处的三维坐标。

3、单天线GNSS静态校准

（1）将轨道测量小车上的流动站安装在对中杆上测量几个已知控制点，检核已知控制点偏差的方式判断测量精度。

（2）将天线安置在测量小车的横梁卡槽中心，将全球导航定位系统GNSS基准站接收到的数据通过网络实时传输给流动站（测量小车）中的GNSS接收机。小车数据分析软件将采集到的数据、流动站采集到的GNSS数据以及检测出的轨道内部几何参数进行数据融合，计算出对应里程处的轨道中线三维坐标和轨面高程。

方式1 采用光学测量方法，需要观测多个已知标定点，需要提前将已知点成果输入数据分析软件，全站仪进行自由设站观测至少6个标定点，观测完成后根据自由网平差结果选择并剔除坐标不符值超限（设站残差建议控制在0.7mm（东坐标、北坐标、高程）、2.0″（方位角））的控制点。整个校准过程小车需要保持静止。

方式2采用光学测量方法，需要利用单个已知标定点，如CPIII或固定桩轨道控制点；需要提前将已知点成果输入，采用强制对中安置于轨道测量小车上的全站仪或激光定位仪照准已知控制点，获取测量小车距已知控制点间距离和角度，进而反算得到小车中心的三维坐标和小车初始位置姿态。该过程同样需要在静止情况下进行。

方式3 采用单天线GNSS测量技术，需要获取差分修正信息，进行RTK解算后才能获得小车天线所在位置的地理坐标。由于测量时小车可能处于倾斜轨面上，还需要其他惯性传感器获得航向角、俯仰角和倾斜角，才能正确解算出小车初始位置和初始姿态。最后INS和GNSS接收机各自独立工作，INS计算得到的位置、速度与GNSS接收机输出的位置、速度之差作为量测输入，通过卡尔曼滤波器估计INS误差，并将估计出的惯性元器件误差和导航参数误差进行反馈校正：估计出的加速度计、陀螺仪零偏反馈给INS，修正下一时刻的原始数据，校正后的导航参数反馈给INS系统，作为下一时刻递推计算的初始值。该系统对惯性传感器精度要求较高，且需要旋转小车，分别静止一段时间，校准惯性传感器之后才能开始测量。

方法1和2中的惯性测量小车，采用光学测量技术，均需要静态校准。且光学测量受场地和天气限制，风霜雨雪天气、或者小车与已知目标点无法通视，都影响测量。

方法3需要惯性传感器测量姿态角进行配合，而惯性传感器使用前需要进行校准，需要旋转车体、并静止一段时间。一旦邻线有列车经过，校准过程必须重新开始。且测量结果为大地坐标，需要进行坐标转换工作，才能映射为工程坐标。

此外，上述现有技术无法避免天气或测量环境对测量的制约因素，增加了静态校准的过程，从而大幅增加了轨道测量初始化时间，不能做到随走随测，同时测量结果还需坐标转换，不能直接输出，大幅降低了测量效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种惯性轨道测量仪动态校准方法，解决现有技术中存在的问题，其技术方案如下：

一种惯性轨道测量仪动态校准系统，该系统是基于双速度传感器与车载天线阵列组合的惯性轨道测量仪动态校准系统，包括、轨道、轨距传感器、车载控制器、惯性传感器、无线通信模块、差分基站；其特征为：

所述车载天线阵列包括两根或两根以上地面天线，每根地面天线中心位置都具备对应的工程坐标系坐标；并且同一根地面天线至少与两个差分基站的数据进行解算；

左右所述轨道采用各自独立的速度传感器进行速度测量,并配合轨距传感器进行航向角偏移测量；将该速度变化和角度变化用于惯性传感器的加速度和角速度校准；

所述差分基站通过无线通信链路与车载天线实现无线通信。

本发明公开一种惯性轨道测量仪动态校准方法，包括上述惯性轨道测量仪动态校准系统，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：通过无线电，以RTK方式，进行相对测量，获得RTK固定解情况下相对不同地面差分基站的距离、偏航角和俯仰角；

步骤2：根据每个天线与不同基准站之间的三角关系，采用三角定位法，代入工程坐标系下的基站三维坐标，求得三个天线的中心坐标；

步骤3：根据天线坐标的空间关系，以选取点P为车载坐标系原点，获得P点在工程坐标系下的三维绝对坐标和测量小车的空间姿态角S；

步骤4：采用轨距传感器测量轨距变化，采用两侧轨道的编码器/速度传感器测量速度，采用惯性传感器获得三轴加速度和三轴角速度信息；

步骤5：结合姿态角，通过对加速度进行积分获得速度，结合速度测量值，来实现测量车在行走情况下的加速度计校准；同时，结合采用轨距传感器测量的轨距计算轨向角变化率ω，实现走行情况下的陀螺仪校准；

步骤6：采用卡尔曼滤波方式，将多天线阵列计算的三维绝对坐标与对速度传感器和惯性传感器进行时间积分后的位置和姿态变化量进行融合。持续更新输出测量小车三维坐标和姿态角，实现惯性测量小车的动态校准和持续输出。

有益效果：

本发明重点解决惯性轨道测量仪校准需要静态停留的问题，采用双速度传感器与多天线阵列相结合，避免了现有技术在开始测量前必须静态校准的问题，可以实现惯性轨道测量仪的动态校准。

相比现有技术，本发明避免了天气或测量环境对测量的制约因素，减少了静态校准的过程，可以大幅缩短轨道测量初始化时间，实现随走随测，测量结果无需坐标转换，直接输出，大幅提高了测量效率。

附图说明

图1为本发明惯性轨道测量仪动态校准系统的结构框图；

图2为本发明惯性轨道测量仪动态校准方法动态校准流程图；

图3为本发明惯性轨道测量仪每个天线与不同基准站间空间位置三角关系示意图；

图4为本发明惯性轨道测量仪三个天线的平面坐标空间关系示意图；

图5为本发明惯性轨道测量仪实时偏航角变化率计算原理图。

图1中，0.轨道，1.车载控制器，2.惯性传感器，3.轨距传感器，4.无线通信模块，11.第一车载天线，12.第二车载天线，13.第三车载天线，21.第一速度传感器，22.第二速度传感器， 41.第一差分基站，42.第二差分基站，51.第一无线通信链路，52.第二无线通信链路。

具体实施方式

参见图1所示。一种惯性轨道测量仪动态校准系统，该系统是基于双速度传感器与车载天线阵列组合的惯性轨道测量仪动态校准系统，包括、轨道、轨距传感器、车载控制器、惯性传感器2、无线通信模块、差分基站；所述车载天线阵列包括两根或两根以上地面天线，每根地面天线中心位置都具备对应的工程坐标系坐标；并且同一根地面天线至少与两个差分基站的数据进行解算；左右所述轨道采用各自独立的速度传感器进行速度测量,并配合轨距传感器进行航向角偏移测量；将该速度变化和角度变化用于惯性传感器的加速度和角速度校准；所述差分基站通过无线通信链路与车载天线实现无线通信。所述速度传感器（21、22）、车载天线（31、32、33）、惯性传感器（2）、轨距传感器（3）通过车载控制器建立通信，采用里程脉冲，对上述各传感器数值进行同步。利用所述车载天线阵列获取的三维绝对坐标和空间姿态角，结合双速度传感器配合轨距传感器以及惯导传感器获得的速度和角度变化，采用卡尔曼滤波方式，持续更新测量数据，实现动态校准的目的。

在GNSS测量过程中，由于星历、卫星和接收机时钟误差、大气层变化、多多路径效应等因素，会导致测量误差；利用RTK方式，建立双差方程，寻求载波相位的固定解，求取车载GNSS接收机与基准站之间的相对距离和角度，可以大幅提高GNSS测量精度。利用相对测量所带来的精度改善，将一个接收机与两个基准站之前的距离和角度作为约束条件，直接求解对应工程坐标系下的坐标，避免了事后坐标转换带来的精度损失，也降低了求解难度。由于RTK测量的特点，只有固定解模式时才有最高精度，然后并非每次测量都可以获得固定解，利用惯性传感器，可以在两次固定解结果之间进行航位推算，利用卡尔曼滤波方式，可以方便可靠地进行数据融合。

现有测量方式，每次使用惯性传感器前都需要对惯性传感器进行静态校准，利用双速度传感器，配合轨距传感器，可以分别测量出速度变化和航向角偏移量，由于惯性传感器测量的加速度值和角速度值分别为单位时间内的速度变化量和角度变化量，因此，利用双速度传感器和轨距传感器数据，可以在动态走行的情况下对惯性传感器进行动态校准，无需静态过程。

本发明公开一种惯性轨道测量仪动态校准方法，包括如下步骤：

步骤1：通过无线通信，以RTK方式，进行相对测量，获得RTK固定解情况下相对不同地面差分基站的距离、偏航角和俯仰角；

步骤2：根据每个天线与不同基准站之间的三角关系，采用三角定位法，代入工程坐标系下的基站三维坐标，求得三个天线的中心坐标；

步骤3：根据天线坐标的空间关系，以选取点P为车载坐标系原点，获得P点在工程坐标系下的三维绝对坐标和测量小车的空间姿态角S；

步骤4：采用轨距传感器测量轨距变化，采用两侧轨道的编码器/速度传感器测量速度，采用惯性传感器获得三轴加速度和三轴角速度信息；

步骤5：结合姿态角，通过对加速度进行积分获得速度，结合速度测量值，来实现测量车在行走情况下的加速度计校准；同时，结合采用轨距传感器测量的轨距计算偏航角变化率ω，实现走行情况下的陀螺仪校准；

步骤6：采用卡尔曼滤波方式，将多天线阵列计算的三维绝对坐标与对速度传感器和惯性传感器进行时间积分后的位置和姿态变化量进行融合。持续更新输出测量小车三维坐标和姿态角，实现惯性测量小车的动态校准和持续输出。

下面我们对上述步骤做出详细阐述。参见如图2所示。

步骤1：通过无线通信，以RTK方式，进行相对测量，获得RTK固定解情况下相对不同地面差分基站的距离、偏航角和俯仰角：

在两处已知工程坐标点处分别架设RTK基站B₀、B₁，通过无线方式，播发该处基站测量的四个卫星星座（GPS、BDS、GLONASS和GALILEO）的原始观测量数据（伪距、载波相位等），同时测量小车上的三个GNSS接收机也同步进行原始观测量读取：

其中，测量小车接收机与差分基站接收机对卫星j的观测值分别为：

通过单差：消除了卫星钟差，基本消除了电流层、对流层延迟误差。

通过双差：消除了星历误差，进一步消除了电流层、对流层延迟误差。

通过三差：消除了整周模糊度、电流层、对流层延迟误差。

从而获得各天线相对不同差分站的六组相对距离（Δx, Δy, Δz），继而计算出各天线对应基站距离、俯仰角和偏航角，完成三天线的相对定位。表示如下：

式中，

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的距离；

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的偏航角；

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的俯仰角。

步骤2：根据每个天线与不同基准站之间的三角关系，采用三角定位法，代入工程坐标系下的基站三维坐标，可以求得三个天线的中心坐标：

如图3所示，测量小车天线1同时与基站B0和基站B1进行联合观测，构成三角定位，其中，

分别为天线1与相应基站与正北方向夹角，

分别为天线1与相应基站的空间距离。B0、B1在工程坐标系的三维坐标表示如下：

，

将步骤1的获得的相对测量带入下式，与已知基站坐标联合解算，可以求得天线1在工程坐标系中的三维坐标X1（x₁₁,y₁₁,z₁₁）：

步骤3：已知测量小车车载天线中心点绝对坐标后，根据各天线在小车的相对位置关系，获得测量小车的俯仰角、翻滚角和在工程坐标系下的航向角；选取小车的T型交叉在轨道平面的坐标点作为P点，根据P点与天线中心点的相对位置关系，解算出P点坐标。

具体内容如下：如图4所示，根据天线坐标的空间关系，选取点P为车载坐标系原点，从而获得P点在工程坐标系下的三维绝对坐标（x,y,z）和测量小车的空间姿态角S(φ,θ,ψ)，共六个参数，具体计算公式如下：

式中，

φ——测量小车偏航角；

θ——测量小车俯仰角；

ψ——测量小车横滚角；

x ₁₁、x ₁₂和x ₁₃——测量小车3个车载天线x坐标值；

y ₁₁、y ₁₂和y ₁₃——测量小车3个车载天线y坐标值；

z ₁₁、z ₁₂和z ₁₃——测量小车3个车载天线z坐标值。

步骤4：采用轨距传感器（3）测量轨距变化，采用测量小车两侧的速度传感器（21、22）测量小车左右轮速度v _L 和v _R ，采用惯性传感器（2）获得三轴加速度和三轴角速度信息。

步骤5：结合姿态角，通过对加速度进行积分获得速度，结合速度测量值，来实现测量车行走情况下的加速度计校准；同时，结合采用轨距传感器（3）测量的轨距l和步骤4中测量的速度v _L 、v _R ，计算偏航角变化率ω，实现走行情况下的陀螺仪校准，计算原理如下：

如图5所示，图中表示测量小车在两个相邻时刻的位姿，其中θ ₁是两相邻时刻测量小车绕圆弧运动的角度，θ ₃是两相邻时刻测量小车航向角的变化量。d是测量小车右轮比左轮多走的距离，测量小车的实际行进速度v可由左右轮行进速度的平均值计算得到：

由图中几何关系可得，θ ₁、θ ₂和θ ₃相等，且由于相邻时刻时间差较小，θ ₂可近似表示为：

式中，

——相邻时刻的时间间隔。

则测量小车偏航角变化率可由下式计算得到：

步骤6：对上述传感器测量值进行融合，其中，GNSS传感器可以获得P点三维绝对坐标（x,y,z）和测量小车的空间姿态角S(φ,θ,ψ)，速度传感器可以获得测量小车速度和偏航角变化率，惯性传感器可以获得当前的三维加速度和三维角速度，用于位置推算。为了避免万向节死锁，将欧拉角转换为四元数，具体转换公式如下：

采用扩展卡尔曼滤波方式，流程如下：

1、监听卫星传感器、速度传感器和惯性传感器数据，按照前面步骤，初始化系统状态向量为：

其中，p为位置，v是速度，q为四元数，

为各参数误差

建立运动方程：

其中，f为状态变化矩阵，I为外部输入变换矩阵，q_w为噪声，h为观测矩阵，r_w为观测向量。

2、从k-1到k，时间间隔为dt，预测更新如下：

其中：

3、读取惯性传感器数据

，作为控制输入，其中：a为加速度，

为角速度。

4、读取到GNSS天线阵列数据，并按照前面步骤，解算为三维工程坐标及测量小车姿态角的四元数形式，表示如下：

作为观测量，进行状态更新，得到更新后的系统状态及系统协方差矩阵；

5、同理，读取到速度传感器数据，通过姿态角，转换为三轴速度，

，进行状态更新，得到更新后的系统状态及系统协方差矩阵；

由此，不断迭代更新，完成扩展卡尔曼滤波。将多天线阵列计算的三维绝对坐标、姿态角与速度传感器、惯性传感器测量的数据进行融合，持续更新输出测量小车三维坐标、速度和姿态角，实现惯性测量小车的动态校准和持续输出。

采用本发明解决了传统惯性轨道测量仪需要静态校准的问题，实现惯性测量单元的动态校准，减少了轨道测量仪静止校准时间，避免了天气及测量环境等外部因素的影响，实现惯性轨道测量仪实时动态校准，可实时得到测量小车的三维坐标和姿态角。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种惯性轨道测量仪动态校准系统，该系统是基于双速度传感器与车载天线阵列组合的惯性轨道测量仪动态校准系统，包括、轨道、轨距传感器、惯性传感器、差分基站；其特征为：

所述车载天线阵列包括两根或两根以上地面天线，每根地面天线中心位置都具备对应的工程坐标系坐标；并且同一根地面天线至少与两个差分基站的数据进行解算；

左右所述轨道采用各自独立的速度传感器进行速度测量,并配合轨距传感器进行航向角偏移测量；将该速度变化和角度变化用于惯性传感器的加速度和角速度校准；

所述差分基站通过无线通信链路与所述车载天线阵列实现无线通信。

2.根据权利要求1所述的惯性轨道测量仪动态校准系统，其特征为：所述速度传感器、车载天线、惯性传感器、轨距传感器通过车载控制器建立通信，采用里程脉冲，对上述各传感器数值进行同步。

3.根据权利要求1所述的惯性轨道测量仪动态校准系统，其特征为：利用所述车载天线阵列获取的三维绝对坐标和空间姿态角，结合双速度传感器配合轨距传感器以及惯导传感器获得的速度和角度变化，采用卡尔曼滤波方式，持续更新测量数据，实现动态校准的目的。

4.惯性轨道测量仪动态校准方法，包括权利要求1-3任一所述的惯性轨道测量仪动态校准系统，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：通过无线通信，以RTK方式，进行相对测量，获得RTK固定解情况下相对不同地面差分基站的距离、偏航角和俯仰角；

步骤2：根据每个天线与不同基准站之间的三角关系，采用三角定位法，代入工程坐标系下的基站三维坐标，求得三个天线的中心坐标；

步骤3：根据天线坐标的空间关系，以选取点P为车载坐标系原点，获得P点在工程坐标系下的三维绝对坐标和测量小车的空间姿态角S；

步骤4：采用轨距传感器测量轨距变化，采用两侧轨道的编码器/速度传感器测量速度，采用惯性传感器获得三轴加速度和三轴角速度信息；

步骤5：结合姿态角，通过对加速度进行积分获得速度，结合速度测量值，来实现测量车在行走情况下的加速度计校准；同时，结合采用轨距传感器测量的轨距计算轨向角变化率ω，实现走行情况下的陀螺仪校准；

步骤6：采用卡尔曼滤波方式，将多天线阵列计算的三维绝对坐标与对速度传感器和惯性传感器进行时间积分后的位置和姿态变化量进行融合；持续更新输出测量小车三维坐标和姿态角，实现惯性测量小车的动态校准和持续输出。

5.根据权利要求4所述的惯性轨道测量仪动态校准方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：在两处已知工程坐标点处分别架设RTK基站B₀、B₁，通过无线方式，播发该处基站测量的四个卫星星座的伪距、载波相位原始观测量数据，同时测量小车上的三个GNSS接收机也同步进行原始观测量读取：

其中，测量小车接收机与差分基站接收机对卫星j的观测值分别为：

式中

为待定点A和B坐标值；

、

是星历误差；

是卫星钟误差；

、

分别是A和B 接收机的电离层延迟误差，

、

分别是A和B接收机的对流层延迟误差；

、

为接收机A、B处观测值的整周模糊度；

通过单差：消除了卫星钟差，基本消除了电流层、对流层延迟误差；

通过双差：消除了星历误差，进一步消除了电流层、对流层延迟误差；

通过三差：消除了整周模糊度、电流层、对流层延迟误差；

从而获得各天线相对不同差分站的六组相对距离（Δx, Δy, Δz），继而计算出各天线对应基站距离、俯仰角和偏航角，完成三天线的相对定位，表示如下：

式中，

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的距离；

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的偏航角；

——测量小车3个车载天线与地面差分基站B₀、B₁的俯仰角。

6.根据权利要求4所述的惯性轨道测量仪动态校准方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：测量小车天线1同时与基站B0和基站B1进行联合观测，构成三角定位，其中，

分别为天线1与相应基站与正北方向夹角，

分别为天线1与相应基站的空间距离，B0、B1在工程坐标系的三维坐标表示如下：

，

将步骤1的获得的相对测量带入下式，与已知基站坐标联合解算，求得天线1在工程坐标系中的三维坐标X1（x₁₁,y₁₁,z₁₁）：

。

7.根据权利要求4所述的惯性轨道测量仪动态校准方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：已知测量小车车载天线中心点绝对坐标后，根据各天线在小车的相对位置关系，获得测量小车的俯仰角、翻滚角和在工程坐标系下的航向角；选取小车的T型交叉在轨道平面的坐标点作为P点，根据P点与天线中心点的相对位置关系，解算出P点坐标。

8.根据权利要求4所述的惯性轨道测量仪动态校准方法，其特征为：所述步骤5进一步包括如下内容：测量小车在两个相邻时刻的位姿，其中θ ₁是两相邻时刻测量小车绕圆弧运动的角度，θ ₃是两相邻时刻测量小车航向角的变化量，d是测量小车右轮比左轮多走的距离，测量小车的实际行进速度v可由左右轮行进速度的平均值计算得到：

由图中几何关系可得，θ ₁、θ ₂和θ ₃相等，且由于相邻时刻时间差较小，θ ₂可近似表示为：

式中，

——相邻时刻的时间间隔；

则测量小车偏航角变化率可由下式计算得到：

。

9.将权利要求4-8任一所述的惯性轨道测量仪动态校准方法应用于轨道内外部几何参数测量中。

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