CN115877408B - 基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法 - Google Patents

基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法。包括北斗定位装备、定位数据处理终端、北斗连续运行基准站、惯导轨检仪、捣固车作业系统；定位数据处理终端获取北斗精密定位坐标并实时显示，再利用拟合线形坐标数据获得捣固车D点当前里程，结合VER成果获得“D点偏差”，计算C点，利用弦测法计算C点最终调整量，进行捣固作业。本发明利用绝对坐标和轨检仪里程系统建立基准，解决了常规大机里程系统和轨检仪的里程系统不一致的问题，以实时厘米级北斗卫星定位克服了常规大机里程系统定位精度差的问题，实现大机精密捣固，相比常规方式，极大地提升了大机捣固精度和效率。

Description

基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法
技术领域
本发明涉及有砟高铁及普速运营铁路精测精捣技术领域，尤其涉及一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法。
背景技术
随着铁路的长时间运营，轨道几何形位会发生变化，对列车运营的安全性和舒适性造成较大影响。铁路运维期间，轨道线形必须具有精确的几何参数及相对符合性，用以提供给养路机械进行轨道维修和调整，其中，有砟轨道常使用捣固车进行作业。
传统的非自动化捣固车作业时需要线下人员配合标记，人工实时输入抬拨道量，现场操作联控环节多，难以实现精确对点，误差较大，人力成本高；现有数字化捣固车主要使用“弦测法”作业，机械计算机计算出每一作业点的起拨道值，由计算机代替人工进行“测量点”与“测量点”之间的顺接，但弦测法的测量弦始终随轨道的高低不平而起伏变化，使得测量结果不能正确反映轨道的高低不平顺。
综上，普速运营铁路捣固作业目前主要存在以下问题：
（1）大机里程系统和轨检仪的里程系统各成体系，使得轨检仪的轨道调整量成果未得到有效利用；
（2）大机作业里程定位的方法过于粗放，精度较低，不适用于精测精调；
（3）大机以弦测法为主，其作业原理导致了“D点偏差”的引入，因此不能解决长大直线或整条曲线精确定位的问题。
当前北斗三号卫星导航系统已组网完成，大大增加了我国北斗卫星导航系统的卫星信号数量和频点资源，北斗系统现已具备MEO、IGSO、GEO三星座卫星，为国家综合定位导航授时体系提供重要支撑，利用北斗卫星连续运营参考站网（CORS）提供差分服务，可实现实时厘米级动态定位（RTK），为捣固车实时精密捣固提供了新的思路。因此，本申请提出了一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法及作业方法，解决上述大机里程系统和轨检仪的里程系统不统一问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法，基于北斗定位技术引入绝对坐标，与轨检仪的里程基准进行匹配，可以实现捣固车的精准位置标定，进而确定“D点偏差”，利用弦测法进行测量，再利用“D点偏差”计算C点偏差值并作业，实现弦线长度范围的平顺，克服了大机里程系统不一致和精度差的问题。
为了实现上述目的，一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，包括北斗定位装备、定位数据处理终端、北斗连续运行基准站、惯导轨检仪、捣固车作业系统；所述捣固车作业系统包括捣固车和捣固车数据控制器；所述北斗定位装备和定位数据处理终端安装在捣固车上，
所述北斗定位装备从北斗连续运行基准站获取实时差分网络数据，并根据实时差分网络数据解算出当前捣固车D点的北斗大地坐标；
所述惯导轨检仪用于计算当前捣固车D点的里程；
所述定位数据处理终端用于将D点的北斗大地坐标经过高斯正算转换为平面坐标；将当前捣固车D点的平面坐标和拟合线形坐标数据进行内插匹配获得当前位置D点里程；
所述捣固车数据控制器根据捣固车D点的里程，结合轨检仪VER数据成果，得到捣固车D点的实时偏差
Figure SMS_1
，利用三点法，计算出C点实时偏差/>
Figure SMS_2
，利用弦测法实时计算C点的最终调整量；
所述捣固车根据捣固车数据控制器实时下发的C点的最终调整量，控制捣固车进行推进作业。
进一步优选的，所述北斗定位装备包括北斗卫星天线和北斗定位接收机；
所述北斗卫星天线用于向北斗卫星发送自身位置；
所述北斗定位接收机用于从北斗连续运行基准站接收实时差分网络数据，从实时差分网络数据中解算出当前捣固车D点的位置；并以20Hz或以上的频率实时获取当前工程参考椭球下平面2cm精度的D点大地坐标。
进一步优选的，所述北斗卫星天线安装在捣固车的D点垂直向上的垂线与捣固车顶中轴线的交点。
进一步优选的，所述C点实时偏差
Figure SMS_3
采用如下公式进行计算：
Figure SMS_4
；
其中，B点代表捣固车第一拨道小车的位置，D点代表捣固车前测量小车的位置，C点代表捣固车第二拨道小车的位置，
Figure SMS_5
表示B点到C点的弦长；/>
Figure SMS_6
表示B点到D点的弦长。
进一步优选的，所述利用弦测法实时计算C点的最终调整量包括如下方法
采用如下公式计算理论正矢
Figure SMS_7
：
Figure SMS_8
；
其中，R为轨道圆曲线半径；
将理论正矢
Figure SMS_9
与C点实时偏差/>
Figure SMS_10
之和与实际正矢进行差值计算，得到最终C点的捣固调整量/>
Figure SMS_11
。
进一步优选的，所述定位数据处理终端还包括实时接收北斗定位接收机的大地坐标，并显示在终端电子地图上；计算并显示当前捣固车所处里程位置。
进一步优选的，还包括大机捣固信息化平台，所述定位数据处理终端在作业过程中实时上传定位、捣固作业数据至大机捣固信息化平台，管理人员实时监控捣固车运行位置、每个捣固点的捣固量、当前捣固作业完成进度信息。
本发明还提供一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法，包括以下步骤：
S1、获取实时差分网络数据，并根据实时差分网络数据解算出当前捣固车D点的北斗大地坐标；
S2、计算当前捣固车D点的里程；
S3、将当前捣固车D点的北斗大地坐标和拟合线形坐标数据，经过高斯正算转换为平面坐标；
S4、根据捣固车D点的平面坐标和里程，计算得到捣固车D点的实时偏差
Figure SMS_12
，利用三点法，计算出C点实时偏差/>
Figure SMS_13
，利用弦测法实时计算C点的最终调整量；
S5、根据捣固车数据控制器实时下发的C点的最终调整量，控制捣固车进行推进作业。
进一步优选的，在S4中，所述C点实时偏差
Figure SMS_14
采用如下公式进行计算：
Figure SMS_15
；
其中，B点代表捣固车第一拨道小车的位置，D点代表捣固车前测量小车的位置，C点代表捣固车第二拨道小车的位置，
Figure SMS_16
表示B点到C点的弦长；/>
Figure SMS_17
表示B点到D点的弦长。
进一步优选的，所述利用弦测法实时计算C点的最终调整量包括如下方法：
采用如下公式计算理论正矢
Figure SMS_18
：
Figure SMS_19
；
其中，R为轨道圆曲线半径；
将理论正矢
Figure SMS_20
与C点实时偏差/>
Figure SMS_21
之和与实际正矢进行差值计算，得到最终C点的捣固调整量/>
Figure SMS_22
。
本申请公开的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法及作业方法，至少具有以下优点：
1、本发明通过坐标匹配方式实现大机位置与轨检仪里程系统的基准统一；通过厘米级精度实时定位实现捣固车的精准位置标定；使用北斗实时位置匹配惯导轨检仪线形测量成果，获取捣固车“D点偏差”，并通过弦长计算公式计算C点偏差量，再通过弦测法测量，确定C点最终捣固调整量；
2、本方法通过绝对坐标的引入，精准计算了C点轨道调整量，优于常规大机弦测法捣固作业。解决了常规大机里程系统和轨检仪的里程系统不一致的问题；
3、利用20Hz频率实时厘米级定位确定绝对坐标和里程，其里程定位精度远高于常规大机里程定位；
4、在弦测法计算C点理论正矢的基础上，通过高频率厘米级定位，实时精确确定D点偏差，并计算C点偏差，综合得到准确的C点捣固量，解决了常规弦测法“D点偏差”的问题；
5、提供了实时定位信息、距离信息、作业量的显示服务，使得捣固车操作人员实时掌握机车运行状态和作业准确性，做到人机结合；
6、提供了信息化平台，便于管理人员掌握整体作业情况。
附图说明
图1为本发明一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统的结构示意图。
图2为本发明一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法的原理流程图。
图3为本发明C点偏差值计算示意图。图中：1、北斗连续运行基准站系统，2、惯导轨检仪，3、捣固车，4、北斗卫星天线，5、北斗定位接收机，6、定位数据处理终端，7、捣固车作业信息化平台，8、捣固车系统；B、C、D分别为捣固车上三点法/四点法对应的第一拨道小车、第二拨道小车和前测量小车的位置。C＇、D＇分别为理想路线上的第二拨道小车和前测量小车的位置，
Figure SMS_23
为不顾及“D点偏差”时捣固后路线上的C点。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统及作业方法的实施例，下面结合附图进行说明，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提供一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，包括北斗定位装备、定位数据处理终端、北斗连续运行基准站、惯导轨检仪、捣固车作业系统；捣固车作业系统包括捣固车和捣固车数据控制器；北斗定位装备和定位数据处理终端安装在捣固车上。
北斗定位装备从北斗连续运行基准站获取实时差分网络数据，并根据实时差分网络数据解算出当前捣固车D点的北斗大地坐标；其中，北斗定位装备包括北斗卫星天线4和北斗定位接收机5。
北斗卫星天线4安装位置为：捣固车的D点垂直向上的垂线与捣固车顶中轴线的交点。
北斗定位接收机5和定位数据处理终端6安装于主驾驶位，定位数据处理终端6获取惯导轨检仪2数据的方式为作业前获取轨道线形数据文件，数据文件包含拟合线形成果坐标和对应里程信息。北斗定位接收机5获取差分改正信息，差分改正信息来自于铁路北斗连续运行基准站系统1的差分服务；以20Hz或以上的频率实时获取当前工程参考椭球下平面2cm精度的大地坐标，并传输给定位数据处理终端6，传输方式可以为WiFi、蓝牙、串口数据线。
惯导轨检仪用于计算当前捣固车D点的里程；
定位数据处理终端用于将D点的北斗大地坐标经过高斯正算转换为平面坐标；将当前捣固车D点的平面坐标和拟合线形坐标数据进行内插匹配获得当前位置D点里程；
捣固车数据控制器根据捣固车D点的里程，结合轨检仪VER数据成果，得到捣固车D点的实时偏差
Figure SMS_24
，利用三点法，计算出C点实时偏差/>
Figure SMS_25
，利用弦测法实时计算C点的最终调整量；
捣固车根据捣固车数据控制器实时下发的C点的最终调整量，控制捣固车进行推进作业。
本发明定位数据处理终端工作原理和步骤为：
步骤S101，捣固车北斗装备精确定位，在定位数据处理终端实时显示。
捣固车3于作业区之前开动后，北斗定位接收机5接收差分改正信息，并利用北斗卫星天线4获取的卫星信号实现定位，定位数据处理终端6从北斗定位接收机5实时获取D点的北斗定位大地坐标，根据惯导轨检仪成果数据的投影参数，经过高斯正算转换为平面坐标，并将平面坐标实时显示在定位数据处理终端6的电子屏幕上。
步骤S102，坐标匹配，获得捣固车D点里程。
利用北斗定位平面坐标，结合拟合线形坐标数据进行匹配内插，获得D点里程，定位数据处理终端6实时将D点里程数据通过有线（串口、网线）或无线（WiFi、蓝牙）的方式传输给捣固车系统8。
步骤S103，匹配VER数据，获得D点偏差，计算C点偏差。
从作业区出发点开始，捣固车系统8根据D点里程，结合轨检仪VER数据成果得到捣固车D点偏差
Figure SMS_26
，利用三点法，由于CD点之间的距离为弦线长度CD，通过/>
Figure SMS_27
的关系直接计算出C点偏差/>
Figure SMS_28
。
步骤S104，使用弦测法计算理论正矢，利用弦测法计算最终调整量，进行捣固作业。
（1）捣固车系统8利用弦测法，计算理论正矢
Figure SMS_29
，/>
Figure SMS_30
与/>
Figure SMS_31
之和减去实际正矢/>
Figure SMS_32
即C点的捣固调整量/>
Figure SMS_33
，利用C点的捣固调整量进行捣固作业。
（2）捣固车3以固定长度向前推进，循环步骤一至步骤四。
步骤S105，将定位、速度、调整量数据等上传至信息化平台，并储存作业过程日志。
本发明还包括捣固车作业信息化平台7，所述定位数据处理终端6在作业过程中实时上传定位、捣固作业等数据至捣固车作业信息化平台7，管理人员可实时监控捣固车3的运行位置、每个捣固点的捣固量、当前捣固作业完成比例等信息。
所述定位数据处理终端6在作业过程中实时保存定位、捣固作业等数据并生成作业过程日志，用以作业后的查看和检核。显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，包括北斗定位装备、定位数据处理终端、北斗连续运行基准站、惯导轨检仪、捣固车作业系统；所述捣固车作业系统包括捣固车和捣固车数据控制器；所述北斗定位装备和定位数据处理终端安装在捣固车上；
所述北斗定位装备从北斗连续运行基准站获取实时差分网络数据，并根据实时差分网络数据解算出当前捣固车D点的北斗大地坐标；
所述定位数据处理终端将D点的北斗大地坐标经过高斯正算转换为平面坐标；将当前捣固车D点的平面坐标和拟合线形坐标数据进行内插匹配获得当前位置D点里程；
所述捣固车数据控制器根据捣固车D点的里程，结合轨检仪VER数据成果，获得捣固车D点的实时偏差
Figure QLYQS_1
，利用三点法，计算出C点实时偏差/>
Figure QLYQS_2
，利用弦测法实时计算C点的最终调整量；
所述捣固车根据捣固车数据控制器实时下发的C点的最终调整量，控制捣固车进行推进作业。
2.根据权利要求1所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，所述北斗定位装备包括北斗卫星天线和北斗定位接收机；
所述北斗卫星天线用于向北斗卫星发送自身位置；
所述北斗定位接收机用于从北斗连续运行基准站接收实时差分网络数据，从实时差分网络数据中解算出当前捣固车D点的位置；并以20Hz或以上的频率实时获取当前工程参考椭球下平面2cm精度的D点大地坐标。
3.根据权利要求2所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，所述北斗卫星天线安装在捣固车的D点垂直向上的垂线与捣固车顶中轴线的交点。
4.根据权利要求1所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，所述C点实时偏差
Figure QLYQS_3
采用如下公式进行计算：
Figure QLYQS_4
；
其中，B点代表捣固车第一拨道小车的位置，D点代表捣固车前测量小车的位置，C点代表捣固车第二拨道小车的位置，
Figure QLYQS_5
表示B点到C点的弦长；/>
Figure QLYQS_6
表示B点到D点的弦长。
5.根据权利要求4所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，所述利用弦测法实时计算C点的最终调整量包括如下方法：
采用如下公式计算理论正矢
Figure QLYQS_7
：
Figure QLYQS_8
；
其中，R为轨道圆曲线半径；将理论正矢
Figure QLYQS_9
与C点实时偏差/>
Figure QLYQS_10
之和与实际正矢进行差值计算，得到最终C点的捣固调整量/>
Figure QLYQS_11
。
6.根据权利要求1所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，所述定位数据处理终端还包括实时接收北斗定位接收机的大地坐标，并显示在终端电子地图上；计算并显示当前捣固车所处里程位置。
7.根据权利要求1所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业系统，其特征在于，还包括大机捣固信息化平台，所述定位数据处理终端在作业过程中实时上传定位、捣固作业数据至大机捣固信息化平台，管理人员实时监控捣固车运行位置、每个捣固点的捣固量、当前捣固作业完成进度信息。
8.一种基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取实时差分网络数据，并根据实时差分网络数据解算出当前捣固车D点的北斗大地坐标；
S2、计算当前捣固车D点的里程；
S3、将当前捣固车D点的北斗大地坐标和拟合线形坐标数据，经过高斯正算转换为平面坐标；
S4、根据捣固车D点的平面坐标和里程，计算得到捣固车D点的实时偏差
Figure QLYQS_12
，利用三点法，计算出C点实时偏差/>
Figure QLYQS_13
，利用弦测法实时计算C点的最终调整量；
S5、根据捣固车数据控制器实时下发的C点的最终调整量，控制捣固车进行推进作业。
9.根据权利要求8所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法，其特征在于，在S4中，所述C点实时偏差
Figure QLYQS_14
采用如下公式进行计算：
Figure QLYQS_15
；
其中，B点代表捣固车第一拨道小车的位置，D点代表捣固车前测量小车的位置，C点代表捣固车第二拨道小车的位置，
Figure QLYQS_16
表示B点到C点的弦长；/>
Figure QLYQS_17
表示B点到D点的弦长。
10.根据权利要求8所述的基于北斗定位技术的捣固车数字化作业方法，其特征在于，所述利用弦测法实时计算C点的最终调整量包括如下方法：
采用如下公式计算理论正矢
Figure QLYQS_18
：
Figure QLYQS_19
；
其中，R为轨道圆曲线半径；将理论正矢
Figure QLYQS_20
与C点实时偏差/>
Figure QLYQS_21
之和与实际正矢进行差值计算，得到最终C点的捣固调整量/>
Figure QLYQS_22
。/>
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