CN109594439A - 一种基于gnss/ins与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，本发明通过将轨道测量区间划分为多个测量段，通过控制器控制H型车体组件在轨道上匀速行驶，该车体组件上设有全自动全站仪组件、控制器、惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件、高精度里程计组件和轨距测量组件；沿线轨道旁还设有棱镜组件和导航卫星接收天线基站组件；再通过控制器控制惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件和轨距测量组件实时检测轨道的几何参数；通过控制器控制车体组件在每个测量段的终点停车，并控制全自动全站仪组件检测该点的水平位置和高程坐标，再将该点的水平位置和高程坐标数据用于对GNSS/INS检测的数据进行约束，从而提高了检测精度。

Description

一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量 方法

技术领域

本发明属于轨道参数测量技术领域，具体是一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法。

背景技术

目前轨道交通***在轨道施工验收和常规养护维修过程中普遍采用两种常规测量方法，基于光学测量原理的全站仪轨道几何参数光学检测小车；基于惯性测量原理与全球导航卫星***组合测量技术(INS/GNSS)的惯性检测小车。前者通过全站仪后视一定数量的轨道控制网CPIII点，(铁道控制网CPIII是铁路建设时沿线路布设的平面、高程控制网，是轨道铺设和运营维护的基准，点位间隔一般为60米，可用于插放光学测量棱镜组。)确定全站仪的测站位置，全站仪通过测量小车上的光学棱镜来确定轨道位置坐标和几何参数，光学检测小车的优点是：精度高，适合于外部几何参数测量，在符合规定条件下可以满足线路横向偏差，线路垂向偏差的要求；缺点是：效率低，测量数据为离散型(通常间隔为0.625m)，测量速度1.8km/工作日，不适合轨道内部几何参数测量。后者通过INS/GNSS轨道小车实时测量轨道的几何参数，INS/GNSS惯性检测小车的优点是：效率高，测量数据连续性高，测量速度可达5km/h以上，适合于内部几何参数测量，特别适合于轨道平顺性几何参数测量，缺点是：无法满足轨道外部几何参数测量达到毫米级精度的要求，长时间测量精度依赖于GNSS是否有效，里程计精度的高低，GNSS信号质量差或无效时，测量精度下降。

授权公告号为CN103821054B中国专利的技术方案“一种基于INS与全站仪组合的轨道几何状态测量***及方法”，试图解决“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固有的积累误差，确保轨道几何状态的精准测量”。其发明方案是：“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或放置于轨道钢轨轨顶面。”“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姿态角序列”。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，本发明通过控制器控制车体组件在轨道上匀速行驶，并通过高精度里程计检测里程数据，每到达一个测量段的终点，均通过控制器控制车体组件停车，并控制全自动全站仪组件测量车体组件在该检测点的位置水平和高程坐标；本发明全程通过控制器控制自动检测，不需要测量人员过多的参与，减少了人为的误差，同时提高了工作效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，包括以下步骤：

S1，测量人员将铁路轨道测量区间划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点安装棱镜组件，并在所述轨道测量区间内安装导航卫星接收天线基站组件；

S2，将H型车体组件放置在第一测量段的起点上，通过控制器控制H型车体组件匀速行驶，所述控制器设置在H型车体组件上，所述H型车体组件上还设有两个惯性传感器组件、全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、高精度里程计组件以及轨距测量组件；

S3，所述高精度里程计组件实时检测H型车体组件的行驶里程数据，当所述H型车体组件行驶到测量段的终点时，所述里程计组件检测的里程数据刚好为一段测量段的长度；所述控制器控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件自动照准该终点位置的棱镜组件，测量H型车体组件在该终点的位置水平和高程坐标，所述全自动全站仪组件再将测量数据发送到控制器；

S4，控制器继续控制H型车体组件匀速行驶，在H型车体组件运行过程中，惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件、高精度里程计组件、轨距测量组件分别检测H型车体组件运行过程中的三位姿态数据、精确位置数据、里程数据以及轨道的轨距数据；并将检测到的所有数据发动到控制器；

S5，重复步骤S3、S4，直到所述全自动全站仪组件测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

S6，控制器对测量测到的数据进行数据处理，获得轨道高低、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程九种轨道参数。

具体地，安装好各组件后，通过对所述控制器进行编程，使得当所述里程计组件检测的里程数据为所述测量段长度的整数倍时，所述控制器控制H型车体组件停车；当所述控制器接收到全自动全站仪组件发送的测量数据后，所述控制器控制H型车体组件继续匀速行驶；当所述里程计组件检测的里程数据到达整个轨道测量区间的长度时，所述控制器控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、惯性传感器组件、轨距测量组件均停止工作。

具体地，当所述H型车体组件在轨道上行驶时，通过惯性传感器检测车体组件的三维姿态信息，所述三维姿态信息包括车体组件的纵向加速度、垂向加速度、侧倾角与侧倾角速度；当所述侧倾角/侧倾角速度达到设定阈值时，所述控制器执行抗倾覆操作，即控制车体组件单后轮制动以调整车体组件的姿态，或控制车体组件双后轮制动减速使车体组件平稳行驶，从而防止车体组件侧翻，保证了车体组件在行驶过程中的稳定性，提高了检测精度。

具体地，所述控制器通过控制所述H型车体组件的驱动器来驱动车体匀速行驶，所述H型车体的行驶速度在5～20km/h内可调。

与上述一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法对应的，本发明还提供了一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量装置，包括H型车体组件，所述H型车体组件由两个纵梁和一个横梁构成，所述两个纵梁的两端分别设有车轮；所述横梁上方从左至右分别设有控制器、全自动全站仪组件和导航卫星接收天线移动站组件；所述测量装置还包括设置在轨道两旁的棱镜组件和导航卫星接收天线基站组件；所述控制器用于控制H型车体组件保持匀速行驶/停车；所述全自动全站仪组件用于获取H型车体组件在各观测点的位置水平和高程坐标；所述横梁上方分别设有惯性传感器组件，用于实时获取所述H型车体组件的三维姿态信息；所述纵梁下方设有轨距测量组件，用于实时测量所述H型车体组件所在轨道的轨距信息；所述车轮上设有高精度里程计组件，用于实时获取所述H型车体组件的行驶里程数据；所述控制器还用于对所述全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、惯性传感器组件、轨距测量组件、高精度里程计组件测量的数据进行数据处理。

具体地，所述轨道的测量区间被划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点均设有棱镜组件，所述全自动全站仪组件通过所述棱镜组件测量H型车体组件在每一个测量段起点/终点的位置坐标。

具体地，所述惯性传感器组件包括两个，分别设在两个所述纵梁上方，分别用于测量所述H型车体组件在轨道双轨上的三维姿态信息。

具体地，所述控制器为PLC可编程逻辑控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过控制器控制H型车体组件在轨道上匀速行驶，避免了测量人员通过推杆推动车体匀速运动导致的认为误差，且节省了人力成本，提高了检测效率；(2)本发明将车体设置为H型，在两个纵梁上均设有惯性传感器组件，从而可以精准地获取轨道双轨的几何参数信息，使得测量数据更加全面准确；(3)本发明通过里程计检测车体行驶的里程数据，并通过控制器控制车体在每段测量段的终点停车，并控制全自动全站仪组件检测该点的水平位置和高程坐标，使得轨道几何参数的测量更加自动化；(4)本发明通过惯性传感器组件检测车体组件的三维姿态信息(包括侧倾角、侧倾角速度)，当检测到车体组件的侧倾角/侧倾角速度到达设定阈值时，通过控制器控制车体组件单后轮/双后轮制动，以调整车体组件姿态，防止车体组件侧翻，提高了车体组件运行的稳定性，并提高了检测的精度。

附图说明

图1为实施例1一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法的流程示意图；

图2为实施例2一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量装置的结构示意图；

图中：1、横梁；2、纵梁；3、全自动全站仪组件；4、导航卫星接收天线移动站组件；5、控制器；6、惯性传感器组件；7、车轮；8、棱镜组件；9、导航卫星接收天线基站组件；10、轨距测量组件。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，包括以下步骤：

S1，测量人员将铁路轨道测量区间划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点安装棱镜组件8，并在所述轨道测量区间内安装导航卫星接收天线基站组件9；

S2，将H型车体组件放置在第一测量段的起点上，通过控制器5控制H型车体组件匀速行驶，所述控制器5设置在H型车体组件上，所述H型车体组件上还设有两个惯性传感器组件6、全自动全站仪组件3、导航卫星接收天线移动站组件4、高精度里程计组件以及轨距测量组件10；

S3，所述高精度里程计组件实时检测H型车体组件的行驶里程数据，当所述H型车体组件行驶到测量段的终点时，所述里程计组件检测的里程数据刚好为一段测量段的长度；所述控制器5控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件3自动照准该终点位置的棱镜组件8，测量H型车体组件在该终点的位置水平和高程坐标，所述全自动全站仪组件3再将测量数据发送到控制器5；

S4，控制器5继续控制H型车体组件匀速行驶，在H型车体组件运行过程中，惯性传感器组件6、导航卫星接收天线移动站组件4与导航卫星接收天线基站组件9、高精度里程计组件、轨距测量组件10分别检测H型车体组件运行过程中的三位姿态数据、精确位置数据、里程数据以及轨道的轨距数据；并将检测到的所有数据发动到控制器5；

S5，重复步骤S3、S4，直到所述全自动全站仪组件3测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

S6，控制器5对测量测到的数据进行数据处理，获得轨道高低、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程九种轨道参数。

具体实施过程中，安装好各组件后，通过对所述控制器5进行编程，使得当所述里程计组件检测的里程数据为所述测量段长度的整数倍时，所述控制器5控制H型车体组件停车；当所述控制器5接收到全自动全站仪组件3发送的测量数据后，所述控制器5控制H型车体组件继续匀速行驶；当所述里程计组件检测的里程数据到达整个轨道测量区间的长度时，所述控制器5控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件3、导航卫星接收天线移动站组件4、导航卫星接收天线基站组件9、惯性传感器组件6、轨距测量组件10均停止工作。

INS/GNSS测量方式(惯性传感器组件6和导航卫星接收天线移动站组件4、导航卫星接收天线基站组件9的测量方式)在每一测量段内使用，提供轨道两点间连续相对几何参数测量值；全自动全站仪组件3测量的轨道两点绝对位置水平、高程坐标测量值作为INS/GNSS测量方式在该段内的完整性约束；

具体地，当所述H型车体组件在轨道上行驶时，通过惯性传感器检测车体组件的三维姿态信息，所述三维姿态信息包括车体组件的纵向加速度、垂向加速度、侧倾角与侧倾角速度；当所述侧倾角/侧倾角速度达到设定阈值时，所述控制器执行抗倾覆操作，即控制车体组件单后轮制动以调整车体组件的姿态，或控制车体组件双后轮制动减速使车体组件平稳行驶，从而防止车体组件侧翻，保证了车体组件在行驶过程中的稳定性，提高了检测精度。

进一步地，所述控制器5通过控制电子阀的开/闭来实现车体组件单后轮/双后轮的制动。

具体地，所述控制器5通过控制所述H型车体组件的驱动器来驱动车体匀速行驶，所述H型车体的行驶速度在5～20km/h内可调。

本实施例全程通过控制器5控制自动检测，不需要测量人员过多的参与，减少了人为的误差，同时提高了工作效率。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量装置，包括H型车体组件，所述H型车体组件由两个纵梁2和一个横梁1构成，所述两个纵梁2的两端分别设有车轮7；所述横梁1上方从左至右分别设有控制器5、全自动全站仪组件3和导航卫星接收天线移动站组件4；所述测量装置还包括设置在轨道两旁的棱镜组件8和导航卫星接收天线基站组件9；所述控制器5用于控制H型车体组件保持匀速行驶/停车；所述全自动全站仪组件3用于获取H型车体组件在各观测点的位置水平和高程坐标；所述横梁1上方分别设有惯性传感器组件6，用于实时获取所述H型车体组件的三维姿态信息；所述纵梁2下方设有轨距测量组件10，用于实时测量所述H型车体组件所在轨道的轨距信息；所述车轮7上设有高精度里程计组件，用于实时获取所述H型车体组件的行驶里程数据；所述控制器5还用于对所述全自动全站仪组件3、导航卫星接收天线移动站组件4、导航卫星接收天线基站组件9、惯性传感器组件6、轨距测量组件10、高精度里程计组件测量的数据进行数据处理。

具体地，所述轨道的测量区间被划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点均设有棱镜组件8，所述全自动全站仪组件3通过所述棱镜组件8测量H型车体组件在每一个测量段起点/终点的位置坐标。

具体地，所述惯性传感器组件6包括两个，分别设在两个所述纵梁2上方，分别用于测量所述H型车体组件在轨道双轨上的三维姿态信息。

具体地，所述控制器5为PLC可编程逻辑控制器5。

具体地，所述全自动全站仪组件3可采用徕卡Viva TS15i型的全站仪。

本实施例一种一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量装置的测量原理为：通过事先给控制器5变编程，设定控制器5控制H型车体组件行驶的速度以及控制车体组件停止的里程数据；当车体组件开始在轨道上匀速行驶后，控制器5控制位于车体组件上的惯性传感器组件6开始实时检测双轨的三维姿态信息，控制位于车体组件下方的轨距测量组件10开始实时检测轨道双轨的轨距信息，控制位于车体组件上的导航卫星接收天线移动站组件4周期性地检测车体组件的位置信息，通过导航卫星接收天线移动站组件4和导航卫星接收天线基站组件9检测的精准位置信息对惯性传感器组件6检测的双轨三维姿态信息进行校正，减小惯性传感器组件6固有的积累误差；当里程计检测的里程数据为测量段长度的整数倍时，所述控制器5控制车体组件停车，并控制全自动全站仪组件3自动照准棱镜组件8的位置进行拍照、检测该点的水平位置和高程坐标；并将该点的水平位置和高程坐标数据用于对GNSS/INS检测的数据进行约束，从而提高检测的精度；当里程计检测的里程数据到达整个测量区间的长度时，所述控制器5控制车体组件停止，并控制各个检测组件停止工作；从而完成整个测量区间的测量工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，测量人员将铁路轨道测量区间划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点安装棱镜组件，并在所述轨道测量区间内安装导航卫星接收天线基站组件；

S2，将H型车体组件放置在第一测量段的起点上，通过控制器控制H型车体组件匀速行驶，所述控制器设置在H型车体组件上，所述H型车体组件上还设有两个惯性传感器组件、全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、高精度里程计组件以及轨距测量组件；

S3，所述高精度里程计组件实时检测H型车体组件的行驶里程数据，当所述H型车体组件行驶到测量段的终点时，所述里程计组件检测的里程数据刚好为一段测量段的长度；所述控制器控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件自动照准该终点位置的棱镜组件，测量H型车体组件在该终点的位置水平和高程坐标，所述全自动全站仪组件再将测量数据发送到控制器；

S4，控制器继续控制H型车体组件匀速行驶，在H型车体组件运行过程中，惯性传感器组件、导航卫星接收天线移动站组件与导航卫星接收天线基站组件、高精度里程计组件、轨距测量组件分别检测H型车体组件运行过程中的三位姿态数据、精确位置数据、里程数据以及轨道的轨距数据；并将检测到的所有数据发动到控制器；

S5，重复步骤S3、S4，直到所述全自动全站仪组件测量完成最后一个测量段的最后一点的位置水平、高程坐标；

S6，控制器对测量测到的数据进行数据处理，获得轨道高低、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、轨距、转弯半径、里程九种轨道参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，其特征在于，安装好各组件后，通过对所述控制器进行编程，使得当所述里程计组件检测的里程数据为所述测量段长度的整数倍时，所述控制器控制H型车体组件停车；当所述控制器接收到全自动全站仪组件发送的测量数据后，所述控制器控制H型车体组件继续匀速行驶；当所述里程计组件检测的里程数据到达整个轨道测量区间的长度时，所述控制器控制H型车体组件停车，并控制所述全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、惯性传感器组件、轨距测量组件均停止工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，其特征在于，当所述H型车体组件在轨道上行驶时，通过惯性传感器检测车体组件的三维姿态信息，所述三维姿态信息包括车体组件的纵向加速度、垂向加速度、侧倾角与侧倾角速度；当所述侧倾角/侧倾角速度达到设定阈值时，所述控制器执行抗倾覆操作，即控制车体组件单后轮制动以调整车体组件的姿态或双后轮制动减速使车体组件平稳行驶。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量方法，其特征在于，所述控制器通过控制所述H型车体组件的驱动器来驱动车体匀速行驶，所述H型车体的行驶速度在5～20km/h内可调。

5.一种基于GNSS/INS与全站仪组合使用的轨道几何参数测量装置，所述测量装置采用权利要求1至4中任一项所述的测量方法，其特征在于，包括H型车体组件，所述H型车体组件由两个纵梁和一个横梁构成，所述两个纵梁的两端分别设有车轮；所述横梁上方从左至右分别设有控制器、全自动全站仪组件和导航卫星接收天线移动站组件；所述测量装置还包括设置在轨道两旁的棱镜组件和导航卫星接收天线基站组件；所述控制器用于控制H型车体组件保持匀速行驶/停车；所述全自动全站仪组件用于获取H型车体组件在各观测点的位置水平和高程坐标；所述横梁上方分别设有惯性传感器组件，用于实时获取所述H型车体组件的三维姿态信息；所述纵梁下方设有轨距测量组件，用于实时测量所述H型车体组件所在轨道的轨距信息；所述车轮上设有高精度里程计组件，用于实时获取所述H型车体组件的行驶里程数据；所述控制器还用于对所述全自动全站仪组件、导航卫星接收天线移动站组件、导航卫星接收天线基站组件、惯性传感器组件、轨距测量组件、高精度里程计组件测量的数据进行数据处理。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述轨道的测量区间被划分为若干测量段，在每个测量段的起点/终点均设有棱镜组件，所述全自动全站仪组件通过所述棱镜组件测量H型车体组件在每一个测量段起点/终点的位置坐标。

7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述惯性传感器组件包括两个，分别设在两个所述纵梁上方，分别用于测量所述H型车体组件在轨道双轨上的三维姿态信息。

8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述控制器为PLC可编程逻辑控制器。