CN108413946B - 一种车载全站仪位置参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种车载全站仪位置参数精确测量方法，先对车载全站仪位置参数进行粗测；然后测得车载全站仪位置参数的修正量，最后得到车载全站仪位置的精确参数值。本发明在车载全站仪轨道精测方法的模型中，找到了车载全站仪位置参数精测的数学模型及方法，可直接用于全站仪位置参数的求解，有效提高了车载全站仪位置参数的测量精度，适用于高速铁路无砟轨道的快速精调与日常维护。

Description

一种车载全站仪位置参数的测量方法

技术领域

本发明属于轨道测量技术领域。涉及车载全站仪位置参数的测量方法，其直接应用于高速铁路无砟轨道的快速精调与日常维护。

背景技术

在中国高速铁路的建设阶段，通常采用以绝对位置测量为主的客运专线轨道测量仪和以轨道平顺性测量为主的轨道检查仪进行轨道精调工作，保证线路具有较高的位置精度和非常高的平顺性精度，以满足高速铁路高速行车的需要。在早期的轨道精调中，采用“先绝对后相对”的技术模式，即先采用客运专线轨道测量仪控制轨道绝对位置和长波平顺性，再采用轨道检查仪控制轨道短波，提升TQI轨道质量指数。在现有的轨道精调中，则更多采用“绝对+相对”的技术模式，即采用轨道测量仪按等间隔 (约40米/点)测量轨道绝对位置，采用轨道检查仪测量轨道相对位置，将测量仪测量出的轨道绝对位置数据导入轨道检查仪相对测量软件，进行轨道绝对位置信息和轨道相对轨迹信息的数据融合，实现控制轨道绝对位置的同时，控制轨道相对平顺性。

无论是先期的“先绝对后相对”，还是现有的“绝对+相对”，都是两套设备两套人马，在设备成本、人力成本和时间成本上存在重复支出。为更好地解决这一问题，以现有的轨道测量仪和轨道检查仪为基础，进行新的架构设计和模式设计，将全站仪安装于具有相对测量功能的轨道检查仪上，通过全站仪免置平设站方法进行轨道定位数据的测量，并结合陀螺仪相对测量轨迹，实现绝对数据与相对数据无缝连接，高精度融合，可节约设备和人力，加快轨道绝对位置信息和轨道相对轨迹的测量速度。

虽然，新的测量方案理念先进，具有成本和效率优势，但也存在一些关键问题需要解决，如全站仪在小车上的避震减震和全站仪相对于轨道检查仪位置参数的精确测定，前者关系到全站仪及***的使用寿命，而后者则影响***的测量精度。所谓全站仪位置参数是表征全站仪站点位置与小车特征点、特征面间相对位置关系的参数，是全站仪完成免置平设站后，计算轨道中线坐标必须使用的关键参数。由于全站仪站点位于仪器内部，而且在仪器外部也没有站点位置的准确标识，采用传统的测量方法(机械测量方式)无法准确测量全站仪站点位置。全站仪位置参数不准确，导致***测量出的轨道绝对位置存在偏差，影响后期轨道精调阶段轨道绝对位置和轨道长波平顺性的控制精度。而全站仪相对于轨道检查仪位置参数的精确测定是影响***的测量精度的重要因素。因此，对车载全站仪位置参数测量方法进行研究，对轨道位置控制及轨道精调有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术在车载全站仪相对于小车的位置未知，无法通过已知的全站仪站点坐标计算轨道线路中线坐标，提出一种车载全站仪位置参数精测方法。

本发明是通过以下步骤实现的。

本发明所述的一种车载全站仪位置参数精确测量方法，按如下步骤：

(1)车载全站仪位置参数测量

全站仪安装于轨道检查仪上，设D为车载全站仪站点位置到轨道检查仪右轨作用边的横向距离，H为车载全站仪站点位置到轨道检查仪所在轨道面的垂向距离。建立小车空间直角坐标系：坐标系原点位于车载全站仪站点位置(X_s,Y_s,Z_s)，X′轴正方向为线路方向，Z′轴垂直于轨道检查仪所在的轨道平面，向上为正方向，Y′轴与X′轴和 Z′轴垂直，遵守左手空间直角坐标系定则。

轨道检查仪在轨道上停稳，当前点轨道的轨距g(由小车内部传感器测量得到)，根据小车空间直角坐标系定义，当前轨道中线点的坐标(x_C,y_C,z_C)为：

用车载全站仪依次测量多个(≥3)CPIII控制点，完成免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_S,Y_S,Z_S)。结合轨道中线设计线形，确定出轨道检查仪所在轨道纵断面的位置，进而计算出该位置轨道设计中线坐标(X_D,Y_D,Z_D)，采用公式(2)将轨道设计中线坐标(X_D,Y_D,Z_D)转换成小车空间直角坐标系下的坐标(x_D,y_D,z_D)：

其中R为小车空间直角坐标系与大地坐标系之间的坐标旋转矩阵。

如附图2所示，在小车空间直角坐标系下，根据轨道实际中线坐标和设计中线坐标的位置关系，可计算线路横向偏差和垂向偏差：

E_h＝-(y_C-y_D)cosα-(z_C-z_D)sinα (3)

E_v＝-(y_C-y_D)sinα+(z_C-z_D)cosα (4)

其中，α为水平倾角，可由小车倾角传感器测量得到。

结合轨道已知的横向偏差E_h和垂向偏差E_v，将公式(1)和(2)代入公式(3) 和(4)，联立方程组便可求解车载全站仪位置参数D和H。

(2)车载全站仪位置参数精确测量

将轨道检查仪移动至另一位置停稳，测量轨距g₁和水平倾角α₁，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_h1和E_v1。车载全站仪依次测量多个(≥3个)CPIII控制点，完成免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_S1,Y_S1,Z_S1)，通过公式(2)，得到小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标(x_D1,y_D1,z_D1)。

重复以上步骤1次以上：移动轨道检查仪，测量轨距g_i和水平倾角α_i，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_hi和E_vi。车载全站仪依次测量多个(≥3个)CPIII控制点，进行免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_Si,Y_Si,Z_Si)和小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标(x_Di,y_Di,z_Di)。

在步骤(1)得到的位置参数D和H的基础上，利用多余观测量g_i,α_i,y_Di和z_Di，列出误差方程：

δE_h＝cosα_iδD+sinα_iδH+(D-g_i/2+y_Di)cosα_i+(H+z_Di)sinα_i-E_hi (5)

δE_v＝sinα_iδD-cosα_iδH+(D-g_i/2+y_Di)sinα_i-(H+z_Di)cosα_i-E_vi (6)

其中：δE_h和δE_v为横向偏差和垂向偏差的误差，δD和δH为位置参数D和H的修正量

将误差方程表示为矩阵形式：

其中：

根据最小二乘原理，为其设定条件：V^TPV＝min，即横向偏差和垂向偏差的加权平方和最小，得到B^TPV＝0，利用矩阵求逆或解高斯方程的方法求解修正量δx。

δx＝(B^TPB)^-1B^TPl (7)

其中P为单位权阵，最终得到模型结构参数的数精确测量值D′和H′。

高位置精度和高平顺性精度是高速铁路高速行车的需要，为此需要对轨道进行精确测量，而全站仪站点位置参数的测定，正是车载全站仪轨道精确测量中的关键问题，通过位置参数D和H，可确定出全站仪站点与轨道中线点的位置关系。本方法在车载全站仪轨道精测方法的模型中，找到了关于全站仪位置参数的数学方程，可直接用于全站仪位置参数的求解。但全站仪测量存在误差，依据单个测点的数据进行方程解算精度有限。通过增加多余观测量，按最小二乘理论进行多点平差，有效提高了全站仪位置参数的解算精度。

附图说明

附图1为基于车载全站仪轨道精测方法数学模型示意图。

附图2为小车空间直角坐标系下的横垂向偏差示意图。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

车载全站仪位置参数测量。

(1)选择具有设计线形和CPIII控制网，CPIII控制网通过复测，且轨道几何状态良好的线路作为试验线路，在试验线路上标记待测点。

(2)轨道检查仪停靠于轨道待测点处，由小车内部传感器测量轨距g和水平倾角α。

(3)全站仪安装于轨道检查仪上，测量8个CPIII控制点，进行免置平设站，得到站点坐标(X_S,Y_S,Z_S)，求出全站仪所在轨道纵断面，得到轨道设计中线设计坐标 (X_D,Y_D,Z_D)。

Xs	Ys	Zs	XD	YD	ZD	Eh	Ev
								23256.7371	184311.9165	96.1238	23256.1664	184312.0063	96.1235	-0.0027	0.0010

(4)联立方程(3)、(4)，求解全站仪位置参数D和H。

D＝0.1373；H＝0.2187

实施例2。

车载全站仪位置参数精确测量。

(1)移动轨道检查仪至另一位置停稳，测量轨距g₁和水平倾角α₁，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_h1和E_v1。车载全站仪依次测量8个CPIII控制点，完成免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_S1,Y_S1,Z_S1)，通过公式(2)，得到小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标(x_D1,y_D1,z_D1)。

Point	Xs	Ys	Zs	X<sub>D</sub>	Y<sub>D</sub>	Z<sub>D</sub>
							1	23256.8971	184312.9331	96.1341	23256.3264	184313.0229	96.1335

(2)再次移动轨道检查仪，测量轨距g_i和水平倾角α_i，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_hi和E_vi。车载全站仪依次8个测量CPIII控制点，进行免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_Si,Y_Si,Z_Si)和小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标 (x_Di,y_Di,z_Di)。测量项目和过程与步骤(1)相同，i＝2，3，…，7。

Point	Xs	Ys	Zs	X<sub>D</sub>	Y<sub>D</sub>	Z<sub>D</sub>
							2	23257.0568	184313.9498	96.1439	23256.4864	184314.0396	96.1435
3	23257.2168	184314.9665	96.1531	23256.6464	184315.0562	96.1535
							4	23257.3767	184315.9831	96.1635	23256.8064	184316.0729	96.1635
5	23257.5370	184316.9997	96.1733	23256.9664	184317.0895	96.1735
							6	23257.6968	184318.0164	96.1836	23257.1264	184318.1061	96.1835
7	23257.8569	184319.0330	96.1934	23257.2864	184319.1228	96.1935

(3)采用平差方法计算全站仪位置参数的修正量δx，即：根据误差方程计算系数矩阵B和自由向量l，利用矩阵求逆或解高斯方程的方法求解。

δD＝0.0024；δH＝0.0011

(4)采用平差方法计算得到的全站仪位置参数的修正量δx，对其已测量得到的位置参数D和H进行修正，得到全站仪位置参数的数精确测量值D′和H′：

D′＝0.1397；H′＝0.2198。

Claims (1)

1.一种车载全站仪位置参数的测量方法，其特征是按如下步骤：

(1)车载全站仪位置参数测量

全站仪安装于轨道检查仪上，设D为车载全站仪站点位置到轨道检查仪右轨作用边的横向距离，H为车载全站仪站点位置到轨道检查仪所在轨道面的垂向距离；建立小车空间直角坐标系：坐标系原点位于车载全站仪站点位置(X_s,Y_s,Z_s)，X′轴正方向为线路方向，Z′轴垂直于轨道检查仪所在的轨道平面，向上为正方向，Y′轴与X′轴和Z′轴垂直，遵守左手空间直角坐标系定则；

轨道检查仪在轨道上停稳，由小车内部传感器测得当前点轨道的轨距g，根据小车空间直角坐标系定义，当前轨道中线点的坐标(x_C,y_C,z_C)为：

用车载全站仪依次测量≥3个CPIII控制点，完成免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_S,Y_S,Z_S)；结合轨道中线设计线形，确定出轨道检查仪所在轨道纵断面的位置，进而计算出该位置轨道设计中线坐标(X_D,Y_D,Z_D)，采用公式(2)将轨道设计中线坐标(X_D,Y_D,Z_D)转换成小车空间直角坐标系下的坐标(x_D,y_D,z_D)：

其中R为小车空间直角坐标系与大地坐标系之间的坐标旋转矩阵；

在小车空间直角坐标系下，根据轨道实际中线坐标和设计中线坐标的位置关系，得到线路横向偏差和垂向偏差：

E_h＝-(y_C-y_D)cosα-(z_C-z_D)sinα (3)

E_v＝-(y_C-y_D)sinα+(z_C-z_D)cosα (4)

其中，α为水平倾角，可由小车倾角传感器测量得到；

结合轨道已知的横向偏差E_h和垂向偏差E_v，将公式(1)和(2)代入公式(3)和(4)，联立方程组便可求解车载全站仪位置参数D和H；

(2)车载全站仪位置参数精确测量

将轨道检查仪移动至另一位置停稳，测量轨距g₁和水平倾角α₁，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_h1和E_v1；车载全站仪依次测量≥3个CPIII控制点，完成免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_S1,Y_S1,Z_S1)，通过公式(2)，得到小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标(x_D1,y_D1,z_D1)；

重复以上步骤一次以上移动轨道检查仪，测量轨距g_i和水平倾角α_i，轨道已知的横向偏差和垂向偏差记为E_hi和E_vi；车载全站仪依次测量≥3个CPIII控制点，进行免置平设站，得到车载全站仪站点坐标(X_Si,Y_Si,Z_Si)和小车空间直角坐标系下的轨道中线设计坐标(x_Di,y_Di,z_Di)；

在步骤(1)得到的位置参数D和H的基础上，利用多余观测量g_i,α_i,y_Di和z_Di，得误差方程：

δE_h＝cosα_iδD+sinα_iδH+(D-g_i/2+y_Di)cosα_i+(H+z_Di)sinα_i-E_hi (5)

δE_v＝sinα_iδD-cosα_iδH+(D-g_i/2+y_Di)sinα_i-(H+z_Di)cosα_i-E_vi (6)

其中：δE_h和δE_v为横向偏差和垂向偏差的误差，δD和δH为位置参数D和H的修正量；

将误差方程表示为矩阵形式：

其中：

根据最小二乘原理，为其设定条件：V^TPV＝min，得到B^TPV＝0，利用矩阵求逆或解高斯方程的方法求解修改量δx：

δx＝(B^TPB)^-1B^TPl (7)

其中P为单位权阵，最终得到车载全站仪位置参数精确测量值D′和H′：

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