CN115768952A - 用于测量轨道位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过能在轨道上行驶的轨道测量车(7)测量轨道位置的方法，其中，通过能在轨道上行驶的轨道测量车(7)、GPS天线(8)和与RTK校正数据服务(RTK‑KD)通信的RTK‑GPS接收器(11)进行测量行驶，其中，轨道测量车(7)的至少一个车轮(10)压在铁轨(4)上。为了在考虑边界条件，如受限位置、受限点和最大允许的轨道位置修正的情况下改进用于测量轨道位置的方法，以避免惯性测量系统在长的测量行驶中的漂移的缺点和轨道位置的仅仅是相对的信息，借助补偿扫描器(6)和计算单元(13)确定GPS天线(8)相对于轨道(4,10)的参考轴线的位置，并将测得的换算为直角坐标(Pi(xi,yi,zi))的GPS坐标通过计算单元(13)记录为空间曲线(3)，由该空间曲线形成位置图像(1)和纵向图像(2)，由位置图像计算目标曲率图像(ksoll)，由纵向图像计算目标纵向倾斜度图像(Nsoll)，并在测量车(7)上设置惯性系统(INS)，相同路段的修正空间曲线通过该惯性系统创建、通过计算单元(13)记录并作为修正值用于转换为直角坐标(Pi(xi,yi,zi))的GPS坐标。

Description

用于测量轨道位置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过能在轨道上行驶的轨道测量车测量轨道位置的方法，其中，通过能在轨道上行驶的轨道测量车、GPS天线和与RTK校正数据服务通信的RTK-GPS接收器进行测量行驶，其中，轨道测量车的至少一个车轮压在铁轨上。
背景技术
用于铁路的大多数轨道设计为有碴轨道。通过在其上行驶的列车的车轮力引起道碴的不规则的沉降和轨道的侧向位置几何关系的移位。道碴床的沉降导致高度、超高(弯道中)和方向中的误差。若超过这些几何变量的确定的舒适极限值或安全极限值，就需要维修工作。
通过线路上部工程机械对几何的轨道误差进行克服和纠正。为了通过养路机械或其他方法改进后的轨道位置的质量，确定了验收公差和容许公差。它表示产生的几何改进的质量的要求。
在此提到的重要的要考虑和记录的量是轨道的扭转、纵向高度或者说纵截面高度、轨道的方向或侧向位置和轨道的横向坡度或超高。
对于今天的主线路，轨道被完全测量。为此，基准点被固定在电杆上并且轨道的目标距离和目标高度被确定。在以此定义的支撑点之间，在轨道轴线中定义一直线(纵弦)，并且在电杆之间以约5m的间距相对于轨道轴线的高度和侧向距离(目标拱高，目标纵向高度)定义轨道的目标位置。轨道的目标曲率图、目标倾斜度变化和目标超高，以及电杆上的基准点数据(轨道间距、轨道高度)通常由铁路机构产生并提供给执行的维护公司。例如，在通过轨道捣固机对轨道设备进行大修和校正之前，必须首先测量轨道的实际位置。为此，在电杆处通过特殊的测量设备(基准点测量设备、全站仪等)确定轨道相对于基准点的实际距离和实际高度。由此通过目标和实际数据之间形成的差异确定对于电杆的位置和高度偏差。此外必须每隔5m确定基于纵弦的目标和实际轨道位置的偏差。为此有不同的测量方法，如EMSat(两部分的机器，主机带有激光接收器和基准点测量单元，先行机器单元带有激光器)。EMSat使用激光纵弦用于纵弦测量并使用基准点测量设备确定杆上的偏差。
由专利文献EP1028325已知一种方法，其使用带有GPS测量设备的EMSat。在此，通过GPS接收器确定固定的轨道测量车(其带有激光器用于纵弦测量)相对于在地球坐标系中已知的、与待测量的轨道部段相邻的位置固定安装的GPS参考站的相对位置。
在专利文献US4812991中已知一种方法和装置，用于急速和准确确定可移动接收器相对于固定安装的接收器根据坐标的位置。
关于该方法的更多细节也在专业期刊“Der Eisenbahningenieur”46(1995)8，第560至563页的文章“Stand der Langsehnenvermessung mittels EM-SAT oder GPS”中说明。
对于德国铁路，有约120万个基准点，其主要安设在杆上。德国铁路沿它们的线路设立了GPS参考点(DBRef系统，基本距离约4km)。通过使用GPS参考点和相应的方法，这120万个基准点可以被约7000个测量的GPS参考点取代。维护120万个基准点成本很高，测量轨道位置与这些基准点的实际差异也很复杂和昂贵。更详细的信息在专业期刊“DerEisenbahningenieur”58(2007)6，第9至13页的文章“SatellitengestützteGleisvermessung auch beim Oberbau”中。
“通常的”GPS测量的精度在米的量级。通过所谓的差分GPS，精度可以提高到亚米范围。这对于轨道几何学应用还是太不准确。已知虚拟GPS校正数据服务，其将实时运动学(RTK)校正数据发送到合适的GPS接收器。以此只需要一个在轨道上移动的GPS支持的测量车。RTK-GPS具有的优点是，它可以借助RTK校正数据非常精确地确定绝对位置(位置方面约5mm，高度方面约10-15mm)。同时通过一个GPS接收器接收的卫星和卫星系统越多，结果就越准确。现代的卫星接收器同时接收和处理卫星系统GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou、QZSS、IRNSS和SBAS。它们可以将数据发送给校正服务并在第二个通道上接收校正数据。5-15mm范围内的精度对于计算用于轨道捣固机的针对上浮或方向的修正值来说太不精确，但它足以定义轨道几何的绝对参考点。
为了校正轨道误差已经有不同的轨道校正方法。有仅将轨道位置平整的相对法和绝对法。在绝对法中，按照预先规定的测量的目标几何形状校正轨道位置。铁路轨道的目标几何形状作为轨道位置规划图并且在输入养路机械的控制计算机后可用于在了解测量系统表现情况下计算系统误差。若已知针对机器测量设备前端部的绝对修正值，则机器测量系统的前端部就被导引到目标曲线上并且后端部被导引到已经校正的轨道上。在工作位置进行校正过程和提升过程。捣固机在轨道纵轴线中的位置通过里程计确定。
若目标几何形状是未知的，则在作业前通过已知方法通过用于方向的弦系统和用于纵向高度的弦系统测量轨道位置。在此通过摆锤检测横向实际倾斜度。通过弦系统测量轨道位置带有传递函数，就是说测得的信号在形状、加强和相位方面与实际的轨道误差有偏差。测量值与轨道的曲率相似。通过弦测量系统测量轨道的高度位置也提供了带有传递函数的曲率比例信号(纵向高度变化)。从测量数据不能确定倾斜度的变化(从一个倾斜度到另一个倾斜度的过渡)，因为不能区分轨道位置的纵向高度误差(基于弦测量)和也以纵向高度差出现的倾斜度过渡。此外，从纵向高度测量不能推断出实际倾斜度(机器处于确定的落差中，但这不能从测量中得出，因为整个测量系统处于倾斜中并且只进行相对测量)。
为了按照已知的通常方法优化轨道位置，测得的拱高和纵向高度被平滑形成目标拱高曲线和目标纵向高度曲线。然后形成测得的和平滑的“目标拱高图像”和“实际拱高图像”(或“目标纵向高度图像”和“实际纵向高度图像”)之间的差异。通过数字过滤器计算近似的反传递函数(例如见专利文献DE10337976B4)。现在将该反传递函数用于测得的“实际位置图像”和平滑的“目标位置拱高图像”和“目标位置纵向高度图像”之间的差异。以此近似得到高度和方向方面的轨道误差。对于纵向高度，与方向相反的是有另外的处理步骤，因为只能升高不能下降。从优化中形成的升降曲线必须定义成正的。为此将抬升校正这样提高，以便不出现负值(下降)。因此这些计算是困难和不准确的，因为基于用弦测量的拱高图像和纵向高度图像，并且传递函数是复杂的函数。
现有技术是用于测量纵向高度、方向和横向倾斜的弦测量系统和摆锤或倾斜度量具。现有技术是用于确定测量系统在轨道上的位置的里程计。现有技术是卫星导航系统(例如GPS、GLONASS、BeiDou或Galileo)。现有技术是惯性导航系统(INS)，其由通常带有三个加速度和转动速率传感器的中央传感器单元构成。通过集成由IMU(惯性测量单元)测得的加速度和转动速率，在INS中连续确定车辆的空间运动和由此确定相应的地理位置。INS系统以约为100-1000赫兹的数据率工作，精度高并且漂移小(<0.01°至0.05°/小时)。在不移动的暂停期间它们自动校准。INS的主要优点是它可以无参照物地运行。加速度可以通过相对于车辆固定的加速度传感器(“strap-down”)测量。当然原则上也可以仅使用一个IMU，在此情况中必须通过独立的倾斜度量具测量绝对的滚动角度。该测量系统的优点是可以独立于离心加速度测量的滚动角度，系统的传递函数适用于较广的范围增强＝1，即测量车辆在空间中的实际轨道，而不出现轨道误差的形状、增强或相位扭曲。从车辆在空间的该三维轨迹和通过里程计的等距测量可以得到三维坐标。通过投影到xy平面上得到轨道的位置图像(Ortsbild)，投影到yz平面中构成高度切面。此外还可以记录卫星导航数据(例如通过GPS)。现有技术还有所谓的基于“Nord”的INS系统，其提供基于定向到北的系统的滚动、偏航和俯仰角度的绝对角度偏差。x-单位向量在此向北定向，z-单位向量向重力方向定向，y-单位向量就定向形成标准正交系。绝对角度偏差表示单位向量，其显示INS系统所处的测量车的方向。
已知方法的缺点是，必须通过合适的测量设备基于纵弦和实际轨道位置相对于在杆上的基准点的绝对位置进行实际轨道位置的复杂的测量。为此必须定义和已知轨道的目标几何形状。在很多国家轨道的绝对位置都没有被定义。如果通过利用惯性测量单元的测量从由测量计算出的空间曲线确定出目标轨道位置，尽管其例如可以在下一次使用捣固机进行维护作业时作为参考，但轨道位置不能相对于绝对的参考重建，因为它是未知的。此外，在测量行驶很长时IMU的漂移对位置的精度有不利影响。在杆上的参考点很多并且需要复杂和高成本的维护。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，在考虑边界条件，如受限位置、受限点和最大允许的轨道位置修正的情况下改进用于测量轨道位置的方法，以避免惯性测量系统在长的测量行驶中的漂移的缺点和轨道位置的仅仅是相对的信息。
通过根据本发明的方法还能得到的优点是，可以精确地确定倾斜度变化的位置和绝对倾斜度(目标倾斜度变化)和轨道方向(目标曲率图)并且可以以绝对GPS坐标指示曲线主要点(如过渡曲线起点、曲线起点、曲线终点、过渡曲线终点、倾斜度变化的位置等)和其他有关的点。这构成另外的优点，在随后重新进行的维护作业中可以通过捣固机将轨道再恢复到定义的绝对位置中。根据本发明优点还在于，在多次必要的捣固过程中(逐层布置清洁过的或新道碴)可以在作业期间同时进行测量，并且这些GPS和惯性测量可以用于确定必要的另外的提升和对准修正值。以此省去了用于本来需要的中间测量的极大的成本和时间。
本发明以此解决上述技术问题，即借助补偿扫描器和计算单元确定GPS天线相对于轨道的参考轴线的位置，并将测得的换算为直角坐标的GPS坐标通过计算单元记录为空间曲线，由该空间曲线形成位置图像和纵向图像，由位置图像计算目标曲率图像(GPSxysoll)，由纵向图像计算目标纵向倾斜度图像，并在测量车上设置惯性系统，通过该惯性系统创建相同路段的修正空间曲线，通过计算单元记录该修正空间曲线，并将其作为修正值用于换算为直角坐标的GPS坐标。由于GPS天线通过RTK接收器仅能测量它自己的位置，但需要测量的轨道的精确的GPS坐标，因此要确定GPS天线相对于通过轨道的铁轨铺设的参考轴线的错移。该错移在测量过程中因为振动、加速、轨道测量车的部件移动等而变化并且通过补偿扫描器确定。由GPS坐标和该错移，计算单元现在确定待测量的轨道的实际GPS坐标并将这些坐标转换为以直角坐标给出的空间曲线。该空间曲线代表测得的轨道的绝对的实际走向。通过将作为高度分量的z分量设置为零创建位置图像，从该位置图像中确定目标曲率图像。该目标曲率图像表示投影到xy平面上的轨道的期望走向。类似地，通过将x-或y-分量设置为零形成纵向图像，由纵向图像确定目标倾斜度图像，它表示轨道的期望的高度变化。为了确定平滑的目标曲率图像或者倾斜度图像，现在通过测得的数据点设置平衡多项式。因此，可以获得关于轨道走向的与漂移无关的数据，其精度仅受所使用的RTK系统的限制。然而例如因为轨道捣固机需要比借助RTK-GPS测量所能确定的更高的位置精度，所以附加地利用更精确的惯性系统来测量轨道的借助RTK-GPS测量的铁轨。然而，该惯性系统只能测量局部坐标系中的相对位置，该惯性系统由测量值形成另外的空间曲线，即修正空间曲线，该修正空间曲线同样代表测得的轨道的实际走向。然后计算单元可以借助由RTK-GPS测量获得的绝对的、但不精确的坐标将惯性系统的更精确的、但相对测量的坐标相关联，并且将惯性系统的测得的坐标点分配给每个测得的RTK-GPS坐标点，由此可以确定和计算出惯性系统的漂移。
附加地可以借助里程记记录弧长，即测量的轨道路段的长度。如本领域技术人员充分已知，为了确定z坐标，参考轴线穿过未超高的铁轨设置，并且为了确定x或y坐标而穿过超高的铁轨。
当从位置图像和纵向图像的实际值和目标值的差异确定校正值时，可以特别好地利用惯性系统和RTK-GPS坐标测量的特殊优点，其中，实际值由被惯性系统确定的校正空间曲线形成并且目标值由GPS坐标的目标曲率图像形成。因为与RTK-GPS坐标测量相比，惯性系统虽然非常精确地探测位置变化，但是不能确定空间中的绝对位置，所以由位置图像以及纵向图像的GPS坐标形成的目标值与由惯性系统检测的校正空间曲线的实际值形成差异，以便实现校正值。
为了即使在没有GPS数据的情况下也能保证持续测量，可以在缺少GPS数据的情况下将由惯性系统建立的校正空间曲线用作空间曲线。根据本发明，校正空间曲线仅用于校正借助GPS数据创建的空间曲线。然而如果GPS信号的接收例如由于行驶通过隧道而变得困难或者完全失效，则惯性系统的与外部信号无关地记录位置的校正空间曲线可以用作空间曲线，直至恢复可靠的GPS接收。
为了在技术上简单和可靠地测量参考轴线与GPS天线之间的错移，激光扫描器可以作为补偿扫描器确定GPS天线相对于铁轨的相对位置。为此，首先确定静止位置，即在静止时GPS天线相对于参考轴线的位置。激光扫描器发射激光信号并探测其位置并且在此与GPS天线连接，使得从该静止位置偏转导致由激光扫描器产生的激光信号的位置变化，由此可以即时以高精度测量距离，偏转以及随后的错移。
当激光扫描器为了确定GPS天线相对于铁轨的相对位置而确定机器框架的倾斜度以及机器框架相对于轨道测量车的距离时，构成特别有利的构造条件。在此，GPS天线布置在机器框架上。激光扫描器可以布置在机器框架上并且将其光线发射到栅格上，例如标尺上。当然，激光扫描器和栅格的布局在此可以互换。根据轨道测量车相对于机器框架的相对运动记录激光信号在栅格上的位置，并且由此计算出机器框架在轨道测量车上的高度，测量车相对于机器框架的侧向的移动和测量车相对于机器框架的倾斜度。利用这些数据现在可以确定天线相对于静止位置的位置变化。
GPS天线安装在轨道中导引的轨道测量车上。通过传感器测量GPS天线与通过轨道设置的参考轴线之间的侧向的移动，横向倾斜度和高度距离。由这些测量值和GPS天线在参考轴线上的高度以此可以精确计算GPS天线相对于轨道中参考轴线的位置。以此可以将天线的GPS坐标转换为轨道坐标。GPS天线与RTK-GPS多系统接收器连接。RTK-GPS多系统接收器与RTK校正数据服务连接，测得的坐标被传送到计算单元上。根据本发明，测量车可以作为具有五个自由度和惯性测量单元的2轴测量车补充有里程计。在测量行驶结束后，将GPS坐标的轨迹转换为直角坐标并且可以在边界条件下确定轨道几何形状。
附图说明
在附图中示例性示出发明内容。附图中
图1示出三维轨道坐标-确定位置图像和纵向图像，
图2示意性示出机架上带有GPS天线和补偿扫描器的轨道测量车，
图3示意性示出空间曲线在xy坐标平面上的投影和具有弧线主点的优化轨道位置的实际曲率和目标曲率图像，
图4示出GPS空间曲线或INS空间曲线和具有平衡多项式M的弧线主点以确定GPS坐标，
图5示出接收和控制电子装置，
图6示意性示出GPS空间曲线或INS空间曲线在yz坐标平面(纵向图像)上的投影和优化的轨道位置的实际倾斜度和目标倾斜度。
具体实施方式
图1示意性示出利用RTK-GPS测量和记录的具有坐标三元组Pi(xi,yi,zi)的空间曲线3。通过将z设置为零，获得该空间曲线3在xy平面上的投影，即位置图像1。类似地，通过将x设置为零，空间曲线3在yz平面上的投影得到所谓的纵向图像2。对于每个测得的和记录的坐标三元组Pi，从GPS坐标计算当前弧长si(轨道km)并且作为参数一起存储。
图2根据本发明示出可在轨道上行驶的轨道测量车7，其具有压紧到左侧铁轨4上的车轮10。在机器框架9上在上方高度HA上构建的GPS天线8。在轨道测量车7上方在机器框架9的底侧上存在作为具有扫描范围β的补偿扫描器6的激光扫描器。激光扫描器在作为栅格的标尺上扫描，其具有中心标记5，中心标记设置在轨道测量车上。从扫描数据中可以计算出轨道测量车7上的机器框架9的高度H，测量车7相对于机器框架9(例如在弧线中)的侧向的移动D和测量车相对于机器框架的倾斜度的角度差α。利用这些数据现在可以计算天线8在参考铁轨10上的位置HGPS,DGPS。轨道的空间轨迹以此可以在GPS坐标中给出或转换为直角坐标给出。
图3示意性地在上方图表中(虚线)示出GPS空间曲线GPSxyist(或INS空间曲线INSxyist)到xy平面1上的投影(位置图像)。实线示出计算出的目标几何曲线GPSxysoll(或INSxysoll)。S表示由GPS空间曲线3的GPS数据计算的(或利用里程计测量的)并且一并存储的弧长。
图4在上方图表中示出GPS空间曲线3(或INS空间曲线)。以此例如可以在将来维护轨道位置时恢复通过优化定义的绝对位置。为此，例如在空间曲线3的±a范围上计算平衡多项式M(例如二阶，a＝5-10m长度)。然后将位置LA处的计算的坐标作为绝对GPS坐标GPSKOOLA给出。对于LA，该目标GPS坐标与实际GPS坐标的距离作为偏差δi计算。在下方图表中，在过渡弧线起点LA的区域中示出目标曲率图像ksoll和实际曲率图像kist。然后，点LA在绝对坐标中作为GPSKOOLA已知。
图5示意性示出具有GPS天线8和无线电天线12的RTK-GPS接收器11和与RTK校正服务RTK-KD的无线电连接。RTK-GPS接收器与计算单元13连接，屏幕16、键盘17、补偿扫描器6、里程计15、惯性测量单元INS和控制和调节单元FPL与计算单元连接。计算单元13从GPS数据11或INS数据中计算目标曲率图像和目标倾斜度图像以及提升和对准校正值，并且将其传送给维护机器的控制和调节单元FPL。
图6示意性地在上方图表中示出GPS空间曲线GPSyzist(或INSyzist)在yz平面(纵向图像)2上的投影作为虚线。实线示出计算的目标倾斜度图像GPSyzsoll(或INSyzsoll)。S表示由GPS空间曲线3的GPS数据(或在INS测量时的里程计)计算的并且一并存储的弧长。下方图表示出来自纵向裂缝GPSyzist(或INSyzist)的实际倾斜度Nist(虚线)，并且Nisoll示出来自优化计算的目标曲率(实线)。

Claims (5)

1.一种用于通过能在轨道上行驶的轨道测量车(7)测量轨道位置的方法，其中，通过能在轨道上行驶的轨道测量车(7)、GPS天线(8)和与RTK校正数据服务(RTK-KD)通信的RTK-GPS接收器(11)进行测量行驶，其中，轨道测量车(7)的至少一个车轮(10)压在铁轨(4)上，其特征在于，借助补偿扫描器(6)和计算单元(13)确定GPS天线(8)相对于轨道(4,10)的参考轴线的位置，并将测得的换算为直角坐标(Pi(xi,yi,zi))的GPS坐标通过计算单元(13)记录为空间曲线(3)，由该空间曲线形成位置图像(1)和纵向图像(2)，由位置图像计算目标曲率图像(GPSxysoll)，由纵向图像计算目标纵向倾斜度图像Nsoll)，并在测量车(7)上设置惯性系统(INS)，通过该惯性系统创建相同路段的修正空间曲线，通过计算单元(13)记录该修正空间曲线并将其作为用于换算为直角坐标(Pi(xi,yi,zi))的GPS坐标的修正值。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由位置图像和纵向图像的实际值和目标值的差异确定校正值，其中，实际值由被惯性系统确定的校正空间曲线形成，并且目标值由GPS坐标的目标曲率图像(GPSxysoll)形成。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在缺少GPS数据的情况下将由惯性系统(INS)建立的校正空间曲线用作空间曲线(3)。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，激光扫描器作为补偿扫描器(6)确定GPS天线(8)相对于铁轨(4)的相对位置。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，激光器为了确定GPS天线(8)相对于铁轨(4)的相对位置而确定机器框架(9)的倾斜度以及机器框架相对于轨道测量车(7)的距离。
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