CN103821054B - 基于ins与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法，采用全站仪对轨道测量小车或轨道特定断面进行测量，获取全站仪测量值；将全站仪测量值用作量测更新，并与INS原始测量值进行数据融合，经解算得到高精度的轨道定位定姿结果。本发明解决了现有INS/GNSS轨道测量小车在GNSS信号长时间中断时***测量精度下降的问题，能够在GNSS信号严重遮挡的情况下对轨道几何状态做快速精准测量。

Description

基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法

技术领域

本发明属于铁路轨道测量领域，涉及一种基于INS（惯性导航***）与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法。

背景技术

轻型便携式轨道几何状态测量仪在轨道建设长轨精调阶段和既有线维护上具有非凡的重要性，且应用越来越广泛。目前最主要的轻型便携式轨道几何状态测量仪包括：（1）以全站仪为核心测量设备的轨道几何状态测量仪，简称常规小车；（2）基于惯性导航***（INS）与全球导航卫星***（GNSS）组合测量技术的轨道几何状态测量***，简称惯导小车。

常规小车以高精度机器人全站仪或自动全站仪（ATS）为核心测量设备，为传统测量方案。一般地，该方案通过后视一定数量的轨道建设控制网CPIII点确定全站仪的测站位置，全站仪通过测量常规小车车体上所设的棱镜或其他反射面来确定轨道坐标和几何状态参数。该方案技术成熟，测量精度较高，但作业效率低，难以满足大面积的轨道测量要求（具体分析可参见公告号CN102337710A的中国专利）。

公开号CN103343498A的中国专利公开了一种基于惯性导航***（INS）与全球导航卫星***（GNSS）组合导航***的轨道几何状态测量方法，以INS/GNSS组合导航***为核心测量设备，快速获取轨道三维坐标和姿态；基于INS/GNSS三维坐标高精度的相对测量特性，计算轨道不平顺和轨道调整量，将轨道调整至最佳平顺位置。该轨道几何状态测量方法具有优点：1）能够快速、精准地测量轨道几何状态，相比于常规小车，其作业效率可高20倍以上，且能极大地节省操作人员；2）测量精度高，短波轨道不平顺测量能力与常规小车的相当，长波轨道不平顺优于常规小车。目前，以该申请所公开技术为依托的轨道几何状态测量样机已面世。

但是上述公开号CN103343498A的中国专利的技术方案或者依赖于GNSS的同类型产品在轨道测量中均存在GNSS信号受干扰或遮挡的问题，分析如下：

公开号CN103343498A的中国专利技术方案的核心测量设备为惯性导航***（INS），INS能实时测量轨道小车的加速度和角速度。轨道小车的加速度和角速度测量值通过包括卡尔曼滤波器（Kalman Filter）等组合导航算法的数据处理单元可确定轨道的三维位置坐标和姿态角序列。通常，数据处理单元通过积分运算确定INS的位置和姿态时，其误差会随时间积累而导致精度发散问题。一般地，不能单独长时间使用惯性导航***（INS）来测量轨道几何状态。因此，该发明使用了包括GNSS、里程计等独立测量和轨道对小车运动状态的约束（非完整性约束）等算法作为辅助手段，来校正由INS的固有特性所引起的位置和姿态漂移，以解决其精度发散问题。其中，GNSS提供的高频（大于1Hz）、高精度的三维位置和速度信息，是对INS最关键也是最佳的校正信息，对于长时间维持和保证INS的相对测量精度至关重要。

然而，在高铁轨道测量中，经常会遇到测试环境较为复杂的路段，例如隧道、高路堑和高边坡等。在这些极端测试环境下GNSS信号被部分遮挡或完全遮挡，造成GNSS辅助信息的长时间恶化或中断，致使INS的误差积累难以得到准确有效的估计、补偿和校正，导致***的测量精度下降，最终影响整个***的使用。因此，在GNSS信息长时间中断的情况下，INS/GNSS轨道测量小车难以满足高铁轨道不平顺测量的精度要求。

综上，基于INS/GNSS组合测量技术的轨道测量小车将逐步在轨道测量领域成为主流技术产品。但是如何在隧道等特殊测试环境下实现精确测量，是INS/GNSS轨道测量方案所必需要解决的技术难题。也即，该***需要一种能够在GNSS信号被阻塞或长时间中断期间精确获取轨道的三维位置坐标和姿态的方法。

发明内容

针对公开号CN103343498A的中国专利公开的基于INS/GNSS组合测量技术的轨道几何状态测量***存在的问题，本发明提供了一种基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法，本发明在GNSS信号长时间中断时，采用全站仪的测量值替换GNSS测量值来校正INS固有的累积误差，确保轨道几何状态的精准测量。

本发明采用全站仪辅助INS进行组合定位解算，获取高精度的轨道位置和姿态。本发明采用全站仪对轨道测量小车或轨道特定断面进行测量，获取全站仪测量值；将全站仪测量值用作量测更新，并与INS原始测量值进行数据融合，经解算得到高精度的轨道定位定姿结果。

本发明的技术方案如下：

一、基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量***，包括测量单元，测量单元包括测量设备和移动支架；测量设备包括全站仪测量***、惯性测量单元、里程计和位移传感器，惯性测量单元、里程计和位移传感器安装于移动支架上；全站仪测量***包括全站仪和反射表面，全站仪置于移动支架上或外，反射表面安装于移动支架或放置于轨道钢轨轨顶面。

二、基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量方法，包括步骤：

（1）移动支架在轨道上移动，惯性测量单元、里程计和位移传感器采集测量数据；

（2）停止移动支架，采用全站仪测量***静态测量以获得包括移动支架位置信息或轨道特定断面位置信息的测量数据；

（3）采用全站仪的测量数据辅助惯性测量单元、里程计和位移传感器的测量数据，对轨道进行组合定位定姿解算，获取轨道位置坐标和轨道姿态角序列。

步骤（2）中所述的采用全站仪测量***静态测量以获得包括移动支架位置信息的测量数据，进一步包括：

将反射表面安装于移动支架上、全站仪位于移动支架外，或将全站设置于移动支架上、反射表面设置于全站仪后视的控制点，采用全站仪测量***进行静态测量以获得包括移动支架位置信息的测量数据。

当全站仪测量***获得的测量数据为包括移动支架位置信息的测量数据时，步骤（3）进一步包括：

3.1a时间同步全站仪、惯性测量单元、里程计和位移传感器的测量数据：

3.2a根据事先标定的反射表面或全站仪与惯性测量单元间的相对位置关系，建立起全站仪与惯性测量单元的测量数据间的空间转换关系，以统一全站仪和惯性测量单元的测量数据的坐标系；对时间同步后的全站仪、惯性测量单元和里程计的测量数据进行融合和组合定位解算，并将轨道对移动支架运动状态的非完整性约束加入组合定位解算，进行组合导航解算，获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

所述的步骤3.1a具体为；

根据惯性测量单元和里程计的测量数据提取移动支架在静态测量过程中的时段信息，作为全站仪、惯性测量单元和里程计的测量数据的时间同步基准，给全站仪测量数据赋予时间属性，并将全站仪测量数据与位移传感器测量数据同步。

步骤（2）中所述的采用全站仪测量***静态测量以获得包括轨道特定断面位置信息的测量数据，进一步包括：

（1）反射表面置于特定轨枕处的轨道钢轨顶面，测量前，采用全站仪测量***获得包括特定轨枕对应的轨枕号和特定轨枕处的轨道轨面位置信息的测量数据，并标记特定轨枕；

（2）当移动支架遇上被标记轨枕，将移动支架任一固定部分对齐被标记轨枕，停止移动支架，采用全站仪测量***对被标记轨枕进行静态测量，获得包括该被标记轨枕的轨枕号和静态测量时间的测量数据。

当全站仪测量***获得的测量数据为包括轨道特定断面位置信息的测量数据时，步骤（3）进一步包括：

3.1b时间同步全站仪、惯性测量单元、里程计和位移传感器的测量数据：

3.2b根据事先标定的移动支架某一固定部分与惯性测量单元间的相对位置关系，建立全站仪测量数据与惯性测量单元测量数据间的空间转换关系，以统一全站仪和惯性测量单元的测量数据的坐标系；根据事先标定的移动支架某一固定部分与惯性测量单元间的相对位置关系，对时间同步后的惯性测量单元、全站仪和里程计的测量数据进行组合定位解算，并将轨道对测量小车运动状态的非完整性约束加入组合定位解算，进行组合导航解算，获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

所述的步骤3.1b具体为：

根据惯性测量单元和里程计的测量数据提取移动支架在静态测量过程中的时段信息，将静态测量时段信息与被标记轨枕的轨枕号对应，根据轨枕号获得对应轨枕处的轨道轨面位置信息，则对应轨枕处轨道轨面位置信息被赋予了时间属性，将对应轨枕处轨道轨面位置信息与位移传感器测量数据时间同步。

上述步骤3.2a和3.2b中所述的组合定位解算包括采用卡尔曼滤波法、扩展卡尔曼滤波法、无迹卡尔曼滤波法、粒子滤波法、序贯最小二乘法或人工神经网络法进行组合定位解算。

上述步骤3.2a和3.2b中所述的组合定位解算包括松组合解算或紧组合解算。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、解决了INS/GNSS轨道几何状态测量***在GNSS信号长时间中断时***测量精度下降的问题，可对隧道等特殊测试环境内轨道几何状态进行快速精准测量，从而实现隧道等特殊测试环境内外轨道测量的无缝连接。

2、既能实现轨道不平顺的精准相对测量，又能与轨道控制网CPIII点建立联系，提供精确的轨道三维绝对位置坐标。

附图说明

图1是本发明轨道几何状态测量***俯视图；

图2是本发明轨道几何状态测量***正视图。

图中，1—车轮；2—GNSS天线；3—惯性测量单元IMU；4—位移传感器；5—测量棱镜；6—车体框架；7—里程计；8—轨道；9—全站仪；10-全站仪光束。具体实施方式

下面将基于公开号CN103343498A的中国专利公开的基于INS/GNSS组合测量技术的轨道几何状态测量***，详细阐述本发明，但本发明所公开的方法本身并不受限于所引述的***。公开号CN103343498A的中国专利公开的基于INS/GNSS组合测量技术的轨道几何状态测量***在下文中简称为“INS/GNSS轨道几何状态测量***”。

见图1～2，INS/GNSS轨道几何状态测量***，包括INS/GNSS组合测量***、里程计7、位移传感器4和测量小车。测量小车包括车体框架6和车轮1，车体框架6为“T”形刚性车体框架，“T”形刚性车体框架6和三个车轮1构成刚性整体结构，车体框架6与轨道面保持固定垂直。测量小车可由人工推动或其他动力设备牵引，在轨道8上沿轨道方向运动；运动过程中，车轮1与轨道面始终保持刚性接触，时刻跟踪不同方向的轨道真实变形；刚性车体框架确保真实反映轨道的姿态变化，从而建立两根轨道之间的内在联系。当然，测量小车并不限于“T”形测量小车，“H”形或其他形状的测量小车均可。

INS/GNSS组合测量***进一步包括惯性测量单元（IMU）3、GNSS接收机和GNSS天线2。GNSS接收机板卡内置于惯性测量单元3壳体内，惯性测量单元IMU3固定于车体框架6上，GNSS天线2通过天线安装杆固定于车体框架6上。惯性测量单元（IMU）3包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用来测量测量小车的三维加速度和三维角速度。里程计7和位移传感器4均设置于车体框架6上，里程计7用来获取测量小车沿轨道方向的运行距离，位移传感器4用来实时测量完整的轨道轨距。

本发明则在上述INS/GNSS轨道几何状态测量***上增加了测量棱镜5和全站仪9，测量棱镜5设置于车体框架6上。全站仪可以为普通全站仪、机器人全站仪或自动全站仪ATS，能远程向反射表面发送可见激光束或红外光束，并接收被反射表面反射回的光束，进而计算出全站仪与反射表面间的距离，本具体实施中，反射表面为设置于测量小车上的测量棱镜5。根据全站仪9的测站坐标、测量角度和测量距离，可确定测量棱镜5的位置信息。

全站仪测站坐标的获取方法包括但不限于：（1）将全站仪安置于坐标已知的测量控制点上；或（2）全站仪采用自由设站法，后视6-8个坐标已知的CPIII点，并通过后方交会法计算全站仪的测站坐标。

上述INS/GNSS轨道几何状态测量***对轨道进行动态测量，一旦遇到GNSS信号被严重遮挡的环境，例如隧道、高路堑等，GNSS天线信号中断，GNSS测量值丢失；但惯性测量单元（IMU）3、里程计7、位移传感器4仍能正常工作，并以统一的内部时间***进行数据同步采集。在无GNSS信号的环境中，每隔一段时间（该时间根据实际情况预先设定，例如，15s）就停止测量小车，采用全站仪进行静态测量，静态测量时间控制为5s，静态测量期间，工作人员操作全站仪观测测量小车上的测量棱镜5，并将测量数据存储于其内置的存储单元中。

全站仪的测量数据可包括：测量棱镜5中心的三维位置坐标；或，全站仪激光发射中心至测量棱镜5中心之间的光束在全站仪坐标系下的水平角、竖直角和激光光程。

外业数据采集完毕后，根据惯性测量单元（IMU）和里程计的原始测量数据提取测量小车在静态测量过程中的时段信息，并将静态测量时段信息与全站仪测量数据进行自动匹配或人工匹配，给全站仪测量数据赋予时间属性。数据处理单元对惯性测量单元IMU、里程计、位移传感器和全站仪的原始测量数据进行处理，具体可参见公开号CN103343498A的中国专利。

数据处理单元处理惯性测量单元IMU、里程计、位移传感器和全站仪的原始测量数据的一种具体实施方式为：

（1）对惯性测量单元IMU、里程计、位移传感器和全站仪的原始测量数据进行时间同步。

（2）惯性测量单元原始测量值包括测量小车的三维加速度和三维角速度，里程计原始测量值包括测量小车沿轨道的运行距离；位移传感器原始测量数据包括轨道轨距；根据事先标定的测量棱镜5与惯性测量单元3测量中心间的相对位置关系，利用卡尔曼滤波算法对时间同步后惯性测量单元、全站仪和里程计的测量值进行融合和组合定位解算，并将轨道对测量小车运动状态的非完整性约束加入卡尔曼滤波算法，进行组合导航解算，获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

本发明的另一种具体实施方式为：

本具体实施方式中测量棱镜无需设置在测量小车上。在轨道测量前，采用全站仪9按一定的轨道里程间隔测量轨道的轨面三维位置坐标，例如，每隔60根轨枕（特定轨道断面）对轨道的两根钢轨进行一次全站仪测量，并在测量点对应的轨枕上做标记，作为全站仪对测量小车进行静态测量时的特征点。此时，全站仪测量数据包括：特征点对应的轨枕号及特征点处两根钢轨的轨面三维位置坐标。特征点对应的轨枕号可通过人工设置记录在全站仪的存储单元，或人工手动记录。

轨面三维位置坐标测量方法包括：获取全站仪9测站坐标，全站仪测站坐标的获取方法包括但不限于：（1）将全站仪安置于坐标已知的测量控制点上；或（2）全站仪采用自由设站法，后视6-8个坐标已知的CPIII点，并通过后方交会法计算全站仪的测站坐标；测量小车上不设置测量棱镜5，将测量棱镜5置于特征点对应的轨道钢轨轨顶面上，全站仪9测量并记录测量棱镜5的三维位置坐标，即特征点处的轨面三维位置坐标。将全站仪9测量数据记录存储于存储单元。

测量小车在钢轨上移动，惯性测量单元、里程计、位移传感器对轨道进行动态测量，当测量小车遇到特征点时，将测量小车车体框架6的某一固定部位（如，3个车轮中的某一车轮）对齐被标记轨枕，将测量棱镜放置于被标记轨枕对应的轨道钢轨轨顶，对被标记轨枕进行静态测量，静态测量时间控制为5s，记录被标记轨枕对应的轨枕号和静态测量时间。

测量小车对齐被标记轨枕的方式可包括：采用测量小车某车轮对齐被标记轨枕的扣件螺栓。

外业数据采集完毕后，根据惯性测量单元和里程计原始测量数据提取测量小车在静态测量过程中的时段信息，并将静态测量时段信息与轨枕号记录对应，从全站仪存储单元中查找轨枕号对应特征点处的轨面三维位置坐标信息；如此，特征点处的轨面三维位置坐标信息被赋予了时间属性，将特征点处的轨面三维位置坐标信息与其他测量数据进行时间同步。

根据事先标定的测量小车车轮1与惯性测量单元3测量中心间的相对位置关系，建立全站仪测量数据与惯性测量单元IMU测量数据间的空间转换关系，统一全站仪和惯性测量单元的测量数据的坐标系，所述的全站仪测量数据包括特征点对应的轨枕号及特征点处两根钢轨的轨面三维位置坐标；根据事先标定的测量棱镜5与惯性测量单元IMU3测量中心间的相对位置关系，利用卡尔曼滤波算法对时间同步后的惯性测量单元、全站仪和里程计的测量数据进行组合定位解算，并将轨道对测量小车运动状态的非完整性约束加入卡尔曼滤波算法，进行组合导航解算，从而获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

全站仪9测量的轨面三维位置坐标包括但不限于：（1）CPIII控制网下的高斯平面坐标和三角高程；或（2）将CPIII控制网下的高斯平面坐标和三角高程转换至全球坐标系下的大地坐标、空间直角坐标等。

本发明的第三种具体实施方式为：

测量棱镜5设置在全站仪后视的6—8个CPIII点上，全站仪9设置在测量小车车体框架6上，全站仪9与惯性测量单元3间无相对位移。当GNSS信号中断时，每隔一段时间（例如，30秒），测量小车静止进行静态测量。在静态测量时段内，全站仪9采用自由设站法获得测站坐标，即后视最近的6-8个轨道控制网CPIII点并通过后方交会确定测站坐标，将全站仪测站坐标和原始测量数据记录存储于全站仪内置的存储单元，上述全站仪的原始测量数据包括全站仪测量水平角、竖直角和激光光程。

外业数据采集完毕后，对惯性测量单元和全站仪的原始测量数据进行时间同步，时间同步方法同上述两个具体实施方式，即，根据惯性测量单元I的三轴加速度计和里程计的原始测量数据提取测量小车在静态测量过程中的时段信息，根据静态测量过程的时段信息查找和匹配全站仪的测站坐标和/或原始测量数据。惯性测量单元与全站仪的原始测量数据的时间同步方法包括：根据静态测量时记录的全站仪测量时间，给全站仪测量数据赋予时间属性，即打上时戳；然后，将全站仪测量数据与惯性测量单元测量数据统一在同一个时间***内，从而完成惯性测量单元和全站仪的测量数据间的时间同步。

根据事先标定的全站仪测量中心与惯性测量单元测量中心间的相对位置关系，建立起全站仪与惯性测量单元的测量数据间的空间转换关系；利用卡尔曼滤波算法对时间同步后的全站仪、惯性测量单元、里程计的测量数据进行组合定位解算，并将轨道对测量小车运动状态的非完整性约束加入卡尔曼滤波算法，进行组合导航解算，从而获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

本发明三种具体实施方式中所采用的组合定位解算算法包括但不限于卡尔曼（Kalman）滤波算法、扩展卡尔曼滤波算法（Extended Kalman Filter，EKF）、无迹卡尔曼滤波算法（Unscented Kalman Filter，UKF）、粒子滤波算法（ParticleFilter）、序贯最小二乘法、人工神经网络法等。

本发明三种具体实施方式中所采用的组合定位解算方式包括但不限于松组合解算和紧组合解算。松组合解算指采用全站仪解算的坐标与惯性导航***测量值进行组合定位定姿解算。紧组合解算指采用全站仪观测值与惯性导航***测量值进行组合定位定姿解算。

公开的具体实施方式，本发明的其它实施方式对本领域的技术人员是显而易见的。该说明书和示例旨在仅被考虑为示例性，而本发明的真正范围和精神实质有所附权利要求指示。

Claims (3)

1.基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量方法，其特征是，包括步骤：

(1)轨道测量前，采用全站仪测量特定轨枕处的轨面三维位置坐标，并标记特定轨枕；

(2)移动支架在轨道上移动，安装于移动支架上的惯性测量单元、里程计和位移传感器采集测量数据；

(3)当移动支架遇上特定轨枕，停止移动支架，将移动支架任意固定部分对齐特定轨枕，记录被标记轨枕对应的轨枕号和静态测量时间；

(4)数据解算，本步骤进一步包括：

4.1时间同步全站仪、惯性测量单元、里程计和位移传感器的测量数据：

根据惯性测量单元和里程计的测量数据提取移动支架在静态测量过程中的时段信息，将静态测量时段信息与被标记轨枕对应，根据轨枕号获得对应特定轨枕处轨面三维位置坐标，则对应特定轨枕处轨面三维位置坐标被赋予了时间属性，将对应特定轨枕处轨面三维位置坐标与位移传感器测量数据时间同步；

4.2根据事先标定的移动支架固定部分与惯性测量单元间的相对位置关系，建立全站仪测量数据与惯性测量单元测量数据间的空间转换关系，以统一全站仪和惯性测量单元的测量数据的坐标系；根据事先标定的移动支架固定部分与惯性测量单元间的相对位置关系，对时间同步后的惯性测量单元、全站仪和里程计的测量数据进行组合定位解算，并将轨道对测量小车运动状态的非完整性约束加入组合定位解算，进行组合导航解算，获取轨道的三维位置坐标和姿态角序列。

2.如权利要求1所述的基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量方法，其特征是：

所述的组合定位解算包括采用卡尔曼滤波法、扩展卡尔曼滤波法、无迹卡尔曼滤波法、粒子滤波法、序贯最小二乘法或人工神经网络法进行组合定位解算。

3.如权利要求1所述的基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量方法，其特征是：

所述的组合定位解算包括松组合解算或紧组合解算。