CN117604840A

CN117604840A - 一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法

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Publication number: CN117604840A
Application number: CN202410078262.3A
Authority: CN
Inventors: 孙博文; 齐春雨; 谭兆; 崔斌; 张海兵; 金占东; 胡锦民; 杨双旗; 安然; 房博乐; 王少林; 王娇; 石德斌; 匡团结; 江浩
Original assignee: China Railway Design Corp
Current assignee: China Railway Design Corp
Priority date: 2024-01-19
Filing date: 2024-01-19
Publication date: 2024-02-27

Abstract

本发明公开了一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，包括以下步骤：S100，临时基准站布设与轨道初始精测；S200，内业数据处理；S300，捣固作业与精测。该方法通过精密单点定位（PPP）的手段在作业线路线下布设临时基准站；当利用轨道检查仪进行轨道精测时，临时基准站可以作为参考站，配合轨道检查仪GNSS流动站进行动态后处理解算（PPK），以获得线路中线精确坐标；在利用装备了捣固车定位仪的捣固车进行精捣作业时，临时基准站可以作为主参考站，为捣固车提供实时动态定位，从而实现厘米级的里程定位精度及与现场里程的自主同步。

Description

一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法

技术领域

本发明涉及铁路工务及数字化领域，具体涉及一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法。

背景技术

轨道精测精捣是指基于测量控制网、精测技术对轨道进行测量，利用测量成果指导大型养路机械实施数字化精捣作业。精测精捣作业模式对于线路维修质量效果明显，但该作业模式系统性较强，包括测量控制网布设、轨道精测、线形整正方案设计和精捣作业等多项作业流程，缺一不可。

测量控制网作为精测精捣作业模式依托的关键基础设施，并非在所有普速铁路上都有布设。首先，线路运营时速低于80km可不布设控制网，因此低等级普速铁路基本没有测量控制网；同时，由于测量控制网布设成本较高，所以部分运营时速120km的线路也没有布设测量控制网。缺乏控制网导致现有精测精捣作业模式无法发挥完全效能，影响了线路养护维修的质量、效率和数字化水平。而且由于无控制网，轨检仪只能依靠“现场里程+计轴定位”模式，不仅定位精度差，还需要在钢轨上做标记以给精捣作业提供里程同步点，作业效率较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，以提高捣固效率、节约人工成本。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，包括以下步骤：

S100，临时基准站布设与轨道初始精测，包括以下分步骤：

S110，选取线下临时基准点：

在精测精捣天窗作业范围内等距设置线下临时基准点，所述线下临时基准点的地平高度角≥10°，线下临时基准点与轨道的距离大于10m并避开电磁干扰源和引起多路径效应的地物；

S120，架设临时基准站：

在初始精测作业区域内的所述临时基准点上架设临时基准站，通过所述临时基准站采集原始数据；

S130，轨道初始精测作业：

在待捣固轨道线上设置轨检仪，使用所述轨检仪与所述临时基准站同步观测数据，获得轨道坐标初始数据；

S200，内业数据处理，包括以下分步骤：

S210，临时基准站坐标解算：使用S120采集的所述原始数据，通过精密单点定位PPP技术获得所述临时基准站的经纬度坐标和大地高；

S220，组合导航解算：使用S130获得的轨道坐标初始数据，首先确定所述轨检仪的姿态角，再对所述原始数据和轨道坐标初始数据进行双差动态后处理PPK解算，最后使用卡尔曼滤波进行反向平滑，最终得到轨道线路经纬度坐标和轨道高程；

S230，轨道高程拟合：通过“移去-拟合-恢复”法对S220得到的所述轨道高程进行拟合，得到轨道线路正常高；

S240，轨道建模与优化方案设计：使用S220得到的轨道线路经纬度坐标和S230得到的轨道线路正常高设计并确定捣固作业方案；

S300，捣固作业与精测，包括以下步骤：

S310，执行捣固作业准备，包括：

S311，在捣固车上设置捣固车定位仪；

S312，在捣固车的小里程方向的铁轨上设置所述轨检仪；

S313，在捣固作业精捣区域内的所述临时基准点上架设所述临时基准站；

S320，捣固车配置，将S240确定的捣固作业方案导入捣固车控制系统；

S330，开始捣固作业，所述轨检仪跟随所述捣固车执行捣固作业后的同步轨道精测，通过步骤S220和S230的计算方法获得执行捣固作业后的轨道线路经纬度坐标和正常高，直至捣固完成；

所述捣固车定位仪用于通过所述临时基准站来实时获取捣固车的当前里程。

优选的是，S110确定的所述临时基准点的间距为5km。

优选的是，S110中所述线下临时基准点与电磁干扰源和引起多路径效应的地物的距离≥200m。

优选的是，S110中所述线下临时基准点的地平高度角最大为25°。

S120中所述原始数据包括RINEX格式观测值文件、RINEX广播星历文件。

优选的是，S240包括以下分步骤：

S241，轨道三维重建：

使用轨距、S220得到的所述轨道线路经纬度坐标、所述轨检仪的姿态角和S230得到的轨道线路正常高生成轨道三维模型；

S242，目标线形设计；

S243，平顺性优化调整；

S244，捣固作业方案的审核和评价；

S245，确定捣固作业方案。

S241中所述的轨道线路经纬度坐标包括间距为0.15米的轨道中线坐标、左轨坐标、右轨坐标；所述轨检仪姿态角包括横滚角、航向角、俯仰角；所述轨距通过所述轨道线路经纬度坐标计算得到。

当待建模轨道具备轨道线形资料时，S241中所述轨道三维模型还包括轨道的偏差量、轨向高低、轨距偏差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 轨道精测方面：本发明由于使用了临时基准站和轨检仪，可以采用“GNSS+惯导”定位模式，定位精度2cm，无误差累计，且不需要在钢轨上做标记，轨道精测效率大大提高；

2. 线形整正方案设计：现有技术中轨检仪只能采集轨道内部几何参数（轨向、高低、轨距、水平、三角坑）用于方案设计，无法测量轨道线形（线路中线的三维坐标），不利于线形优化拟合及整正方案设计；本方法可测量轨道的绝对线形，通过线形优化拟合实现整正方案设计更加精准和科学；

3. 精捣作业方面：现有技术中捣固车只能通过人工对齐轨检仪标记的里程同步点进行里程定位，效能差，效率低，且数字化程度低；本发明可在捣固车上集成捣固车定位仪，捣固车定位仪可以依靠临时基准站实时获取捣固车当前里程，精度2cm，而且还可以自动与现场里程实现同步，减少了人工，提升了精捣效能、效率与数字化水平。

附图说明

图1为本发明的方法的流程图；

图2为作业过程示意图；

图3为无控制网下使用现有方法精测精捣作业前后的对比效果图；

图4为无控制网下使用本发明的方法精测精捣作业前后的对比效果图；

图中：

1. 线下临时基准站；2. 轨检仪；3. 车载流动站；4. 捣固车；5. 捣固车定位仪。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，通过利用精密单点定位（PPP）的手段，在待作业的铁路线下部署线下临时基准站1；在进行轨道精测时，线下临时基准站可以作为参考站，与轨检仪2上的车载流动站3协同工作，通过动态后处理解算（PPK）技术获取轨道线路的精确坐标；在执行精捣作业时，特别是使用装备了捣固车定位仪5的捣固车4，线下临时基准站可以充当主参考站，为捣固车提供实时厘米级动态里程定位服务，指导捣固车大机精准作业，最终达到提高普速铁路捣固作业效能的目的。

该方法包含如下步骤，如图1所示：

S100，临时基准站布设与轨道初始精测，包括：

S110，选取线下临时基准点：

与传统CORS站设置的15km间距不同，精测精捣1日作业天窗作业范围4-5km，因此线下临时基准点的间距设置为5km。线下临时基准点环境应确保至少10°的地平高度角以保障卫星信号通视（在地理环境复杂或视线受阻的情况下，可适当调整至25°高度角）。此外，线下临时基准点与轨道的距离应≥10m，且与电磁干扰源和可能引起多路径效应的地物的距离≥200m；

沿待捣固铁轨每5km在适宜位置选取一个线下临时基准点。

S120，架设临时基准站：

根据精测作业当日的精测区域，从S110确定的线下临时基准点中选择一个对应的临时基准点并埋设三脚架，在三脚架上安装临时基准站，确保其对中并水平校准。记录临时基准站的高度，配置并开始采集原始数据，原始数据包括RINEX 格式观测值文件、RINEX 广播星历文件；

S130，上线轨道初始精测作业：在临时基准站稳定采集数据后，使用轨检仪上线进行轨道精测，轨检仪上设置有车载流动站、里程计和惯导；在时间上保证临时基准站和车载流动站有同步观测数据，得到轨道坐标初始数据。

与传统“盲捣”方法不同的是，在作业过程中不需要人工油漆标记里程同步点，测量作业结束后，再关闭临时基准站。

S200，内业数据处理，包括以下分步骤：

S210，临时基准站坐标解算：

常规轨道控制网布设需要测量GNSS测站点与测站点的相对关系，即相对定位，从而推算每个点位的绝对坐标，这种基线解算方式测站间可消除公共误差，模型简单，精度可高达毫米级。

但是对于本发明的临时基准站的设站方式，只有一个测站点。因此只能通过精密单点定位（PPP）的方式获取临时基准站的坐标。使用PPP解算临时基准站坐标包括以下分步骤：

S211，将数据输入上位机：输入的数据包括SP3格式精密轨道文件、CLK格式卫星钟差文件、ERP格式地球自转参数文件ANTEX格式天线相位钟差改正文件、BLO格式海潮负荷文件、DCB格式差分码偏差文件等，以上数据文件通过现有技术获得，输入的数据还包括S120获得的原始数据；

S212，数据预处理：对S211中的数据在上位机中进行数据预处理，具体包括周跳探测、卫星轨道和钟差的插值、测站坐标、对流层延迟等参数初值的计算，以及天线相位中心改正、相位缠绕改正、潮汐改正等误差改正项计算；

S213，参数估计：使用S211和S212得到的数据，进行扩展卡尔曼滤波（EKF）对待估向量进行估计，其中：

待估向量为：

（1）

其中，s代表临时基准站；为临时基准站坐标；/>为使用临时基准站钟差换算的距离误差；/>为天顶方向对流层延迟；/>分别是对流层两个水平梯度分量；

为消电离层组合的载波相位模糊度，/>为卫星数量。

观测值向量y为：

（2）

式中，为各卫星的载波相位，/>为各卫星的伪距观测值，所述各卫星的载波相位和所述卫星的伪距观测值由S120中得到的所述原始数据计算得到；

在卡尔曼滤波估计的过程中，k时刻的待估状态向量及其协方差阵可用该时刻的观测值向量/>来估计，如式（3）式（4）和式（5）所示：

（3）

（4）

（5）

其中，和/>分别用于区分EKF更新前和更新后；/>为增益滤波矩阵；/>为观测值矩阵；/>为测量误差协方差矩阵；/>为偏导数矩阵：

（6）

其中：D如式（7）所示，E如式（8）所示，M如式（9）所示，式（6）中的元素1为矩阵形式，如式（10）所示，具体为：

（7）

（8）

（9）

（10）

式（9）中，为天顶方向对流层湿延迟的映射函数，/>和/>分别为临时基准站处卫星的高度角和方位角，/>临时基准站至卫星的单位向量。

所述待估状态向量和协方差阵的更新表示为式（11）和式（12），有：

（11）

（12）

式（11）和式（12）中，是k时刻至k+1时刻的系统噪声转移矩阵；/>是k时刻至k +1时刻的系统噪声协方差阵。

S214，输出结果：最终输出S213中卡尔曼滤波的结果为临时基准站在国际地球参考框架（ITRF）下的坐标，/>和/>为临时基准站的经纬度，/>为临时基准站的大地高。此外输出的结果还包括坐标协方差、临时基准站钟差、模糊度等参数。

多年的研究和发展使得精密单点定位技术（PPP）达到了与传统相对定位技术相媲美的定位精度水平。PPP技术能够直接提供与国际地球参考框架（ITRF）一致的高精度测站坐标。并且在轨道精测作业期间，所需时间充分满足PPP技术达到高精度收敛的时间要求。

S220，组合导航解算：

该过程主要涉及对S120中采集的数据进行解算，以获取轨道坐标精确数据。组合导航解算过程包括以下分步骤：

S221，惯性导航解算：

惯性导航解算包括初始对准和惯导机械编排，使用S130获得的轨道坐标初始数据，通过静止状态下敏感地球自转和重力计算得到轨检仪姿态角，计算方法如式（13）所示：

（13）

式中，代表导航坐标系，/>代表轨检仪坐标系，/>代表地心地固坐标系，/>代表惯性坐标系，/>为轨检仪坐标系和导航坐标系间姿态角的方向余弦矩阵，可以转换为三个姿态欧拉角，/>为重力在导航坐标系下的投影矩阵，/>为地球自转角速度在导航坐标系下的投影矩阵，/>为加速度计输出矩阵，/>为陀螺输出矩阵。

S222，GNSS数据PPK解算：

利用同步观测的临时基准站和车载流动站的GNSS载波相位观测量，进行双差动态后处理（PPK）解算，从而获得轨检仪和临时基准站之间的厘米级相对位置的坐标序列。

相对位置的坐标序列包括轨道相对位置坐标和轨道高程。

S223，卡尔曼滤波及反向平滑；

GNSS/惯导组合导航解算采用松耦合架构，利用卡尔曼滤波器实现高精度融合定位，卡尔曼滤波器状态参数由21个惯导的误差状态和一个里程计的误差比例因子组成，卡尔曼滤波器的轨道线路经纬度坐标z由S221中惯导推算的位置与S222北斗PPK解算获得的轨道相对位置坐标作差得到，通过式（14）得到：

（14）

其中，为地心地固坐标系和导航坐标系间姿态角的方向余弦矩阵，/>为轨检仪坐标系下的惯导中心到北斗天线相位中心矢量，/>为惯导获得的地心地固坐标系下的惯导中心坐标，/>为S222中得到的轨检仪和临时基准站之间的轨道相对位置坐标。

最终得到轨道线路经纬度坐标。

S230，轨道高程拟合：

通过S222中获得的轨道高程是基于理想化的参考椭球的大地高，不能反映线路高程的真实变化。因此铁路工程中通常采用基于似大地水准面的正常高，而正常高与大地高之间的差异被称为高程异常。为了精确地从大地高转换到正常高，需采用“移去-拟合-恢复”法来建立作业区的高程异常残差模型，最终得到轨道线路正常高。该步骤包括以下分步骤：

S231，高程异常分解：

因为重力场具有可叠加性，因此高程异常的分解如式（15）所示：

（15）

为通过地球重力场模型XGM2019e获得的中长波/中波部分高程异常，/>为通过全球数字高程模型SRTM3获得的短波部分高程异常，/>为通过模型计算的高程异常与真实的高程异常间的残差。

S232，计算地球重力场模型值：

基于地球重力场模型XGM2019e的计算高程异常，采用如下公式：

（16）

式中，为地球的引力常数，/>为地心向径，g为正常重力值，/>为重力场模型展开的最高阶数，/>为参考椭球长半径，/>和/>分别为地球的经度和纬度，/>和/>为完全规格化位系数，/>为完全规格化Legendre缔合函数，n和t分别为球谐函数的阶数(degree)和阶(order)。

S233，计算地形改正值：

全球数字高程模型SRTM3计算所有点的地形改正值的计算方法如式（17）所示：

（17）

式中，分别为流动单元4个格网点处的地形改正，/>和/>分别为待测点与流动单元左下角格网点/>轴方向的坐标差和/>轴方向的坐标差，/>表示流动单元边长。

S234，计算正常高：

由于普速线路缺乏高程基准，无法获得模型计算的高程异常与真实的高程异常间的残差，因此这一残差值可视为0，即。基于此，轨道线路的正常高计算公式如式（18）所示：

（18）

式中，为校准后的轨道线路某点的正常高，/>为S222中得到的轨道线路某点的高程。

S240，轨道建模与优化方案设计，包括以下分步骤：

S241，轨道三维重建：

使用S220得到的轨道线路经纬度坐标、姿态欧拉角、轨距和S230得到的轨道线路正常高生成轨道三维模型。其中，轨道线路经纬度坐标包括：等间距（通常为0.15米）的轨道中线坐标、左轨坐标、右轨坐标；姿态欧拉角包括横滚角、航向角、俯仰角；轨距通过轨道线路经纬度坐标计算得到。具备轨道线形资料时，计算轨道偏差量、轨向高低、轨距偏差、水平等参数；

S242，目标线形设计：

根据测量数据及约束条件进行目标平面线形及纵断面线形的拟合设计，设计线形以偏差量最小为原则，满足规范对线形的要求。由于抬道量为相对的值，因此纵断面线性设计时，在平原地区高程起算点可采用大地高，在山区丘陵地区采用正常高；

S243，平顺性优化调整：

平顺性优化调整功能主要是根据设计的目标线形计算出的偏差量优化抬拨道量数据，数据满足轨道平顺性要求及抬拨道限值的要求，整正方案能够有效降低轨道不平顺;

S244，捣固作业方案的审核和评价：

根据规范要求，对轨道平面曲线参数、纵断面坡长坡率及目标速度等指标进行审核，并在优化过程中自动规避不合规设计方案；

根据中国铁设企业标准《运营普速铁路轨道精测精捣平纵断面优化评价指南》对方案进行评价，对目标线形及整正方案进行全面评价并进行打分；根据测量数据自动计算静态TQI；

S245，确定捣固作业方案。

S300，捣固作业与精测，包括以下步骤：

S310，执行捣鼓作业准备，如图2所示，包括：

S311，在捣固车上设置捣固车定位仪；

S312，在捣固车的前进方向的反方向的铁轨上设置轨检仪，轨检仪的前进方向和捣鼓车相同；

S313，再次架设临时基准站：

首先根据捣固作业当日的精捣区域找到S110中确定的线下临时基准点，并在该位置架设临时基准站。此基准站具备双重功能：一方面，它可以作为主站，为捣固车提供差分改正信息，从而实现精确的定位以指导作业过程；另一方面，它也能作为轨检仪的参考站，用于评估捣固作业的效果；

S320，捣固车配置：

将S245确定的捣固作业方案导入捣固车控制系统，具体为：将捣固作业方案中的轨道调整量信息的Ver数据导入捣固车控制系统，同时将捣固作业方案中线路信息的Xml数据导入捣固车定位仪系统。然后进行数据初始化和里程同步，并对作业信息参数按照捣固作业方案进行相应配置，捣固车定位仪可以依靠临时基准站实时获取捣固车当前里程，精度2cm，而且还可以自动与现场里程实现同步；

S330，开始捣固作业：

开始捣固作业，捣固作业过程连续进行，不需要在同步点停车。捣固作业的同时，轨检仪跟随捣固车执行捣固作业后的轨道精测，通过步骤S220和S230的计算方法获得执行捣固作业后的轨道线路经纬度坐标和正常高，直到捣固结束。

一般捣固作业效果的评价主要集中在线路几何质量指数（TQI）的改善率上。这涉及计算单元区段上的水平、左高低、右高低、左轨向、右轨向、三角坑和轨距等七项轨道几何不平顺指标的标准差。评价方法分为两种：静态改善率评价和动态改善率评价。静态TQI评价着眼于轨道的物理和几何特性，而动态TQI评价则侧重于列车运行时的轨道性能。这两种评价方法的最终目标是全面评估作业方案的有效性及其对提高轨道平顺性的具体改善效果。

使用本发明的方法中的S330获得的捣固作业后的轨道线路经纬度坐标和正常高可以求出动态TQI值和静态TQI值，动态TQI值和静态TQI值用于评价捣固作业的效果。

图3和图4分别在无控制网的条件下，使用现有方法和本发明的方法进行运营普速铁路精测精捣作业的效果图，从图中可以看出，使用本发明的方法进行的捣固作业效果明显优于使用现有技术的捣固作业效果。

Claims

1.一种用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，临时基准站布设与轨道初始精测，包括以下分步骤：

S110，选取线下临时基准点：

S120，架设临时基准站：

S130，轨道初始精测作业：

S200，内业数据处理，包括以下分步骤：

S300，捣固作业与精测，包括以下步骤：

S310，执行捣固作业准备，包括：

S311，在捣固车上设置捣固车定位仪；

S312，在捣固车的小里程方向的铁轨上设置所述轨检仪；

2.根据权利要求1所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：S110确定的所述临时基准点的间距为5km。

3.根据权利要求1所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：

S110中所述线下临时基准点与电磁干扰源和引起多路径效应的地物的距离≥200m。

4.根据权利要求1所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：

S110中所述线下临时基准点的地平高度角最大为25°。

5.根据权利要求1所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：S120中所述原始数据包括RINEX格式观测值文件、RINEX广播星历文件。

6.根据权利要求1所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：

S240包括以下分步骤：

S241，轨道三维重建：

S242，目标线形设计；

S243，平顺性优化调整；

S244，捣固作业方案的审核和评价；

S245，确定捣固作业方案。

7.根据权利要求6所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：S241中所述的轨道线路经纬度坐标包括间距为0.15米的轨道中线坐标、左轨坐标、右轨坐标；所述轨检仪姿态角包括横滚角、航向角、俯仰角；所述轨距通过所述轨道线路经纬度坐标计算得到。

8.根据权利要求6所述的用于无控制网的运营普速铁路精测精捣作业方法，其特征在于：当待建模轨道具备轨道线形资料时，S241中所述轨道三维模型还包括轨道的偏差量、轨向高低、轨距偏差。