CN109552356B - 基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法 - Google Patents
基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及高铁轨道平顺性检测领域,尤其涉及一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测***及方法。本发明通过利用在CPⅡ上架设GNSS基准站布设GT‑CORS站网,可以得到高精度的轨道外部几何参数。通过轨检车上的轨距检测装置、轨枕识别、里程计等装置、结合三个GNSS天线精确坐标结果的获得,可计算出轨道参数,用于指导精确调轨。大规模卫星定位监测点组网方法毫米级联合解算、三天线GNSS轨检设备短基线快速、毫米级解算方法达到平面1~2mm,高程测量误差±2.5mm的精度,摆脱了对CPIII的依赖,从而由从原100m/h提高到1000m/h轨道检测速度,大大性提高了轨道外部参数检测工作效率、显著降低了的经济成本、广阔的技术发展和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高铁轨道平顺性检测领域,尤其涉及一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法。
背景技术
随着我国高速铁路的快速发展,运营速度的不断提升,对高速铁路轨道的平顺性要求也越来越高。我国高速铁路轨道平顺性采用动检车粗测和轨检小车精测相结合的检测方法,动检车能快速诊断线路的整体状况,确定检测轨道变形所在的大致区段及形变等级,然后再利用轨检小车在病害区进行精测并调轨。
目前用于精调的轨检小车主要有两类产品。第一类产品基于全站仪结合位移和倾角传感器原理而制造的轨道测量仪(简称绝对测量小车)如:安伯格、GEDO、南方测绘、铁四院等品牌;第二类产品基于惯导技术结合位移和倾角传感器原理而制造的轨道检查仪(简称相对测量小车),如:日月明、瑞邦、金立信等品牌。
另外,国外Trimble Applanix公司设计了一套轨道几何行位检测及列车定位综合解决方案POS-TG(可参见中国专利CN20214809U),该方案中集成了包括惯性测量单元和GPS接收机在内的众多传感器,能够提供轨道不平顺性检测服务。但是该类产品用在动态检测车中,安装于动态检测车的非动力转向架轮轴上,属于动态检测方案。
国内,西安奥通数码科技有限公司的韩云飞博士提出了一种GPS轨道不平顺检测***及检测方法(可参见中国专利CN102337710A),采用了惯性测量技术和GPS双天线的组合测量方式,该方案使用了GPS双天线测量得到同步的方向角和俯仰角来辅助INS航向和俯仰角测量值,以解决惯性导航***(Inertial Navigation System,INS)的精度发散问题。武汉大学牛小骥教授提出了一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测***及方法(可参见中国专利CN103343498A),采用了惯性导航***(INS)与全球导航卫星***(GNSS)组合测量的技术对轨道不平顺进行检测,该方案利用单个GNSS实现小车厘米级的绝对位置定位,利用INS实现轨道的相对几何参数测量。
现有技术中存在以下缺点:(1)测量效率低;
(2)测量结果受CPIII控制点的精度影响;
(3)测量精度低;
(4)受限于各种技术,不能用于调轨,特别是长波的不平顺性的调轨。
发明内容
本发明所要解决的问题在于提供一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,既可对轨道进行相对测量,同时也可对轨道进行绝对测量,测量结果可直接用于调轨;不依赖CPIII坐标的影响,测量效率和测量精度大大提高。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,包括以下步骤:
步骤(1)在固定的轨道沿线建设的多个基站,获取实时GNSS卫星数据,计算基站的精确坐标;
步骤(2)轨检小车放置在轨道上,观测一定时间,获取同步观测GNSS卫星数据;
步骤(3)通过轨检小车上的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***测得的数据,结合步骤(1)、步骤(2)中的卫星数据,计算轨道特征点的精确坐标,计算每个轨枕外部几何参数;利用外部几何参数及轨检小车上的数据计算每个轨枕内部几何参数,用于指导精确调轨。
作为一种优选的方案,步骤(1)的步骤为:
在高铁轨道沿线两侧每隔1公里建设一个固定的GT-GNSS基站,所述基站用于采集实时GNSS卫星数据,所述实时GNSS卫星数据通过光纤专网或无线网将数据送到数据处理中心或存储在接收机内进行处理。
作为一种优选的方案,步骤(2)中所述同步观测GNSS卫星数据获取的方法为:
a.将装有三个卫星信号接收天线、一体化轨检卫星接收机、惯导***的轨检小车放置于高铁轨道上,并推至要测量的轨枕处静止10分钟;b.推行轨检小车在轨道上行进100米后利用轨枕识别装置记录轨道特征点,再在轨枕位置静止10分钟;c.重复以上步骤,直至完成整段轨道的平顺性测量。
作为一种优选的方案,轨检小车还包括三滚轮车体、推车杆、PC机;惯导***记录轨检小车在运动过程中的三维状态;轨距传感器通过轨距传感器实时记录轨检小车在运动以及静止状态测量的轨距数据;轨枕识别装置实时记录轨检小车在运动状态经过的轨枕数。
作为一种优选的方案,三个卫星信号接收天线固定在轨检小车上,卫星信号接收天线接收GNSS信号获得观测数据;一体化轨检卫星接收机解调出卫星信号接收天线接收的三组原始观测数据,三组原始观测数据通过网口上传给轨检小车车上的PC机,PC机同步记录惯导***、里程计、轨距传感器、轨枕识别装置的数据;PC机上的程控解算单元利用轨检小车上的GNSS数据和离轨检小车最近处的GT-CORS站的GNSS数据进行解算,得到轨道特征点的精确坐标,用来分别提取轨检小车的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***的数据与GNSS原始观测数据进行联合解算,求得轨道特征点精确坐标之后,结合惯导***和轨枕识别装置的数据,进行数据融合,求得每个轨枕的外部几何参数,即计算出静止处轨枕的高精度三维坐标,并将结果进行存储和显示。
作为一种优选的方案,基站利用轨道附近的CPII作为基准点,建立GT-GNSS基站。本发明有益效果:
本发明通过利用在CPⅡ上架设GNSS基准站布设GT-CORS站网,可以得到高精度的轨道外部几何参数。通过轨检测上的轨距检测装置、倾角仪、轨枕识别、里程计等装置、结合三个GNSS天线精确坐标结果的获得,可计算出轨道中线坐标、轨距、水平(超高)、轨向/高低、扭曲(三角坑)等轨道参数,用于指导精确调轨。大规模卫星定位监测点组网方法毫米级联合解算、三天线GNSS轨检设备短基线快速、毫米级解算方法达到平面1~2mm,高程测量误差±2.5mm的精度,摆脱了对CPIII的依赖,从而由从原100m/h提高到1000m/h轨道检测速度,大大性提高了轨道外部参数检测工作效率、显著降低了的经济成本、广阔的技术发展和应用前景,将对铁路线路高精度、高效率、低维护成本的测量发挥重要的、关键的作用。
附图说明
图1:高铁基站建设方法;
图2:高铁基站数据处理流程图;
图3:轨检小车数据处理流程图;
图4:轨枕的外部几何参数获取流程图;
具体实施方式
实施例1:
本发明提供一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,包括以下步骤:
步骤(1)在固定的轨道沿线建设的多个基站,获取实时GNSS卫星数据,计算基站的精确坐标;
步骤(2)轨检小车放置在轨道上,观测一定时间,获取同步观测GNSS卫星数据;
步骤(3)通过轨检小车上的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***测得的数据,结合步骤(1)、步骤(2)中的卫星数据,计算轨道特征点的精确坐标,计算每个轨枕外部几何参数;利用外部几何参数及轨检小车上的数据计算每个轨枕内部几何参数,用于指导精确调轨。
作为一种优选的方案,步骤(2)中所述同步观测GNSS卫星数据获取的方法为:
a.将装有三个卫星信号接收天线、一体化轨检卫星接收机、惯导***的轨检小车放置于高铁轨道上,并推至要测量的轨枕处静止10分钟;b.推行轨检小车在轨道上行进100米后利用轨枕识别装置记录轨道特征点,再在轨枕位置静止10分钟;c.重复以上步骤,直至完成整段轨道的平顺性测量。
作为一种优选的方案,轨检小车还包括三滚轮车体、推车杆、PC机;惯导***记录轨检小车在运动过程中的三维状态;轨距传感器通过轨距传感器实时记录轨检小车在运动以及静止状态测量的轨距数据;轨枕识别装置实时记录轨检小车在运动状态经过的轨枕数。
作为一种优选的方案,三个卫星信号接收天线固定在轨检小车上,卫星信号接收天线接收GNSS信号获得观测数据;一体化轨检卫星接收机解调出卫星信号接收天线接收的三组GNSS原始观测数据,三组GNSS原始观测数据通过网口上传给轨检小车上的PC机,PC机同步记录惯导***、里程计、轨距传感器、轨枕识别装置的数据;PC机上的程控解算单元利用轨检小车上的GNSS数据和离轨检小车最近处的GT-CORS站的GNSS数据进行解算,得到轨道特征点的精确坐标,用来分别提取轨检小车的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***的数据与GNSS原始观测数据进行联合解算,求得轨道特征点精确坐标之后,结合结合惯导***和轨枕识别装置的数据,进行数据融合,可以求得每个轨枕的外部几何参数,即计算出静止处轨枕的高精度三维坐标,并将结果进行存储和显示。
具体的,作为一种优选的方案,步骤(1)的步骤为:
所述基站用于采集实时GNSS卫星数据,所述实时GNSS卫星数据通过光纤专网或无线网将数据送到数据处理中心或存储在接收机内进行处理。
利用高铁己建立的CPII站,在高铁轨道沿线两侧每隔1公里在其基墩上每隔1km交替安装GNSS多频髙精度接收机,建设一个固定的GT-GNSS基站,进行连续测量,组成高铁基站网(GT-CORS站),如图1所示。基站数据通过髙铁专网、光纤专网或无线网送到数据处理中心进行处理,获得高铁基准点的精确坐标。也可以不设数据处理中心,卫星观测数据存放在基站接收机里,事后再根据需要去取数据,进行数据后处理。
高铁基准点网的解算采用精密星历,精密卫星钟差和地球自转参数,精化误差模型,同时支持多***(BDS/GNSS/GLONASS)、多频(单频/双频/三频)的联合解算,以提高其解算精度,基站数据处理流程图见图2。
(1)首先通过与IGS站联合解算获取基站较为精确的绝对地心坐标;由于IGS站目前没有BDS数据,且一般距高铁基站的距离较远,所以需要采用长时间的GNSS双频数据组成LC观测值进行解算。
(2)对基站数据进行单基线解算,采用BDS/GNSS三频数据进行计算。
(3)对单基线计算结果进行三角形闭合差检查,若单基线误差≤1mm,则三角形闭合差应≤1.7mm;
(4)如果单基线三角形闭合差检查合格,则将全部基站数据组网解算,并以组网计算的结果作为最终结果,基站之间的相对精度≤1mm。
轨检小车上的数据处理须在高铁基站网的解算完成之后进行。计算时以基站网解算的精确坐标作为已知值,以所有基站和流动站的BDS/GNSS三频数据作为观测值,采用GNSS精密星历,精密卫星钟差和地球自转参数,精化误差模型,进行组网联合解算,以提高其解算精度。
(1)首先进行流动站单历元解算。进行单历元解算主要有2个目的:一是通过单历元解算结果自动确定静态测量时间,将轨检小车移动时的数据剔除。二是利用单历元解算结果计算流动站间的距离,并与已知长度进行比较,剔除超限的历元数据。若设单历元流动站定位中误差2mm,则基线中误差为2×1.4=2.8mm,以2倍基线中误差作为限差,则限差为5.6mm,当单历元计算得到的流动站间的距离,与已知长度比较超过5.6mm时剔除该历元的数据。
(2)对于静态观测的时间段数据,分时段(30s或60s)进行静态解算,将解算结果计算流动站间的距离,并与已知长度进行比较,剔除超限的数据。
(3)对于合格的数据,以流动站间的已知长度作为约束条件,进行附限制条件的间接平差,并以此作为流动站的最终结果。
(4)对同一个点不同时段的计算结果进行比较,进行精度分析,计算均值,中误差,及最大误差(与均值相比)。
求得轨道特征点精确坐标之后,结合INS数据和轨枕识别数据,进行数据融合,可以求得每个轨枕的精确坐标(外部几何参数)。数据处理流程见图4。
结合轨距测量、倾角测量、轨枕识别、里程计等装置结合三个GNSS天线精确坐标结果的获得,可计算出轨道中线坐标、轨距、水平(超高)、轨向/高低、扭曲(三角坑)等轨道内外几何参数,用于指导精确调轨。
Claims (4)
1.一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1)在固定的轨道沿线建设的多个基站,获取实时GNSS卫星数据, 计算基站的精确坐标;
步骤(2)轨检小车放置在轨道上,观测一定时间,获取同步观测GNSS卫星数据;
步骤(3)通过轨检小车上的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***测得的数据,结合步骤(1)、步骤(2)中的卫星数据,计算轨道特征点的精确坐标,计算每个轨枕外部几何参数;利用外部几何参数及轨检小车上的数据计算每个轨枕内部几何参数,用于指导精确调轨;
所述步骤(1)的步骤为:
在高铁轨道沿线两侧每隔1公里建设一个固定的GT-GNSS基站,所述基站用于采集实时GNSS卫星数据,所述实时GNSS卫星数据通过光纤专网或无线网将数据送到数据处理中心或存储在接收机内进行处理, 其包括以下步骤:
(1a)通过与IGS站联合解算获取基站的绝对地心坐标;
(1b)对基站数据进行单基线解算,采用BDS/GNSS三频数据进行计算;
(1c)对单基线计算结果进行三角形闭合差检查,将单基线误差设置为≤1mm的情况下,三角形闭合差的合格标准为≤1.7mm;
(1d)如果单基线三角形闭合差检查合格,则将全部基站数据组网解算,并以组网计算的结果作为最终结果,从而使基站之间的相对精度≤1mm;
所述步骤(2)中所述同步观测GNSS卫星数据获取的方法为:
(2a)将装有三个卫星信号接收天线、一体化轨检卫星接收机、惯导***的轨检小车放置于高铁轨道上,并推至要测量的轨枕处静止10分钟;(2b).推行轨检小车在轨道上行进100米后利用轨枕识别装置记录轨道特征点,再在轨枕位置静止10分钟;(2c).重复以上步骤,直至完成整段轨道的平顺性测量;
在所述步骤(3)中结合步骤(1)、步骤(2)中的卫星数据,计算轨道特征点的精确坐标,其包括以下步骤:
(3a)进行流动站单历元解算,以通过单历元解算结果自动确定静态测量时间,将轨检小车移动时的数据剔除,并且利用单历元解算结果计算流动站间的距离,并与已知长度进行比较,剔除超限的历元数据,在将单历元流动站定位中误差设置为2mm的情况下,基线中误差为2×1.4=2.8mm,以2倍基线中误差5.6mm作为限差,当单历元计算得到的流动站间的距离与已知长度比较超过5.6mm时剔除该历元的数据;
(3b)对于静态观测的时间段数据,分时段进行静态解算,将解算结果计算流动站间的距离,并与已知长度进行比较,剔除超限的数据;
(3c)对于合格的数据,以流动站间的已知长度作为约束条件,进行附限制条件的间接平差,并以此作为流动站的最终结果;
(3d)对同一个点不同时段的计算结果进行比较,进行精度分析,计算均值,中误差,及与均值相比的最大误差,以求得轨道特征点的精确坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,其特征在于,轨检小车还包括三滚轮车体、推车杆、PC机;惯导***记录轨检小车在运动过程中的三维状态;轨距传感器通过轨距传感器实时记录轨检小车在运动以及静止状态测量的轨距数据;轨枕识别装置实时记录轨检小车在运动状态经过的轨枕数。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,其特征在于,
三个卫星信号接收天线固定在轨检小车上,卫星信号接收天线接收GNSS信号获得观测数据;一体化轨检卫星接收机解调出卫星信号接收天线接收的三组GNSS原始观测数据,三组GNSS原始观测数据通过网口上传给轨检小车上的PC机,PC机同步记录惯导***、里程计、轨距传感器、轨枕识别装置的数据;PC机的程控解算单元利用轨检小车上的GNSS数据和离轨检小车最近处的GT-CORS站的GNSS数据进行解算,得到轨道特征点的精确坐标,用来分别提取轨检小车的轨距传感器、轨枕识别装置、里程计、惯导***的数据与GNSS原始观测数据进行联合解算,求得轨道特征点精确坐标之后,结合惯导***和轨枕识别装置的数据,进行数据融合,求得每个轨枕的外部几何参数,即计算出静止处轨枕的高精度三维坐标,并将结果进行存储和显示。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位与惯导的高铁轨道平顺性检测方法,其特征在于,基站利用轨道附近的CPII作为基准点,建立GT-GNSS基站。
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GR01 | Patent grant | ||
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