CN115014203A - 一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法及装置，将配备有惯导、里程计、计算机和激光测距仪的惯导小车行至平行于CPIII控制点附近，将靶尺***到CPIII控制点预埋件孔内；激光测距仪发射的激光束与靶尺中轴对准；获取激光束光斑点在靶尺的标高、CPIII控制点编号和激光测距仪的安装高度；从存储CPIII工程文件中提取CPIII控制点的里程、平面坐标和高程，计算轨道中心线点的平面坐标和高程，以获取轨道线路的几何形位信息和几何状态信息。本发明的方式可替代电子全站仪，具有体积小巧、测量精度高，适应性强、成本低廉、操作方便等优点。

Description

一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路轨道测量技术领域，尤其涉及一种基于激光测距仪、靶尺和CPIII控制点测定惯导小车处于平行于CPIII控制点里程位置轨道中心点平面坐标与高程的简易测量方法，以此替代全站仪为惯导小车实现“相对+绝对”轨道检测提供数量有限且十分重要的关键点的三维坐标绝对测量数据。

背景技术

随着我国铁路交通多次提速和高速铁路网的迅速扩展，铁路建设和日常维修对轨道几何状态检测工作的精度和作业效率均提出了极高的要求，传统的基于全站仪和CPIII工程测量网的轨道检测技术和设备因人工成本高、测量速度慢、易受日照、气候和人为因素影响等缺陷，逐渐成为影响铁路建设和运营维护中的短板。为此，国内外相关科研人员大力研究惯导设备在轨道检测应用方面的科学研究，试图利用惯导相对精度高、移动式测量及不受环境和人为因素等多方面优势，弥补现有轨道检测设备的不足，以此提高轨道检测工作的精度和速度、有效降低人力成本、大力提升工作效率。

惯导是惯性导航技术的简称，其工作原理是通过陀螺仪和加速度计测量载体的角速率和加速度，经积分运算得到载体的方位角、姿态角、速度及位置信息。惯导属于一种移动式相对测量设备，具有精度高、速度快、自主性强、不受环境和人为因素影响等优点，可实现轨道线路的快速移动式测量。惯导测量属于相对测量，其缺点在于，不能提供准确的观测点位置坐标和高程，而且测量数据中包含有不确定的漂移误差，被称之为惯导漂移。惯导漂移是由于惯导的工作原理所决定的，不可避免。惯导中的关键部件是陀螺仪，惯导漂移的大小取决于陀螺仪的质量。陀螺仪分为机械式陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械电子陀螺和压电陀螺。机械式陀螺因生产工艺过于复杂和成本高昂不再被使用。激光陀螺测量精度和稳定性最佳，但价格不菲，难以推广使用；光纤陀螺性价比较好，精度高，价格适中；微机械电子陀螺体积小、成本低，但受环境温度变化和振动干扰；压电陀螺属于固态陀螺，通过晶体在外力作用下产生压电效应测量物体的旋转速度。压电式陀螺体积最小、价格也最低，但测量精度和稳定性也最差。目前轨道检测中所使用的惯导主要是光纤惯导。

由于轨道检测要求测量绝对坐标和高程，须将点位测量设备与惯导设备组合起来使用，一方面利用惯导和移动方式测量大部分轨道线路在平面位移和高差，另一方面利用点位测量设备测定少数控制点绝对平面位置和高程，实现对惯导测量数据的绝对控制。常用的点位测量设备主要是传统的全站仪和RTK接收机，其中全站仪的测量精度最高，达到毫米级，但价格很高。RTK接收机的价格低，但测量精度只有厘米级。目前一些设备生产厂家已经推销基于全站仪和惯导的轨道检测设备，被称之为惯导小车。

全站仪是轨道检测工作中最常用的测量设备，利用CPIII控制点进行自由设站，然后对安装有棱镜的手推小车进行测量，测定轨道中心线的平面位置坐标和高程。利用惯导的移动测量可以实现对绝大部分线路点位的相对测量，通过使用全站仪对少数控制点绝对坐标的精准测量，补充和校正惯导相对测量数据，使得检测结果满足技术要求。为了使惯导漂移得到有效控制，需要每隔一段距离使用全站仪对一个控制点进行测定；这种惯导与全站仪相组合的测量方式，被称之为“相对+绝对”式轨道检测。

此外，惯导漂移的大小与测量时间的长短有关，测量时间越长，漂移误差就越大，反之就越小。如果提升惯导小车的速度，可以缩短测量时间，达到提高测量精度的目的。例如，如果测量速度能提高一倍，惯导连续测量的距离也可延长一倍。这样，工作效率也就提升一倍。

全站仪采用的是极坐标测量法，通过对全站仪与观测点间的方位角、倾斜角和斜距测量，测定观测点的相对位置坐标。全站仪属于一种集斜距和角度精准测量为一体的精密电控测量仪器，其生产价格很高，且需要多人配合操作，费时耗力。

惯导小车的“相对+绝对”测量对控制点数量需求较少，极大地降低了全站仪的使用率和性价比。如能开发一种结构简单、价格低廉的替代测量设备，以满足惯导小车对少数控制点绝对坐标和高程的测量需求，可进一步降低惯导小车生产成本、简化作业流程，有助于未来惯导小车的推广使用。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于激光测距仪、靶尺和CPIII控制点测定惯导小车处于平行于CPIII控制点位置平面坐标和高程的简易方法，可替代价格昂贵的全站仪为惯导小车“相对+绝对”式测量提供控制点的绝对测量数据，从而简化惯导小车整体结构，降低成本，减少人员数量，提高工作效率。

本发明目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，包括：

将配备有惯导、里程计、计算机和激光测距仪的惯导小车行至平行于CPIII控制点附近，驻车；

将一个靶尺面向轨道方向垂直或水平***到CPIII控制点预埋孔内；

移动惯导小车，使激光测距仪发射的激光束对准靶尺中轴后，驻车；

人工读取激光束光斑点在靶尺表面刻度中的标高和CPIII控制点编号，并将激光束光斑点在靶尺表面刻度中的标高、CPIII控制点编号和激光测距仪的安装高度一起输入惯导小车计算机中；

惯导小车计算机根据获取的CPIII控制点编号从存储CPIII工程文件中提取CPIII控制点的里程、平面坐标和高程，结合靶尺的标高和激光测距仪的安装高度、激光测距仪所测惯导小车与激光束光斑点间的斜距、惯导发送的方位角、倾斜角和横滚角，计算出轨道中心线点的平面坐标和高程。

作为优选，激光测距仪安装方向垂直于惯导小车的行进方向且面向CPIII控制点一侧，激光测距仪的安装高度略高于CPIII控制点预埋件的高度。

作为优选，激光测距仪发出的激光束的发射方向垂直于惯导小车行进方向，与惯导小车行走轮踏面平行，使得激光束的水平角度度始终与轨面水平角度相同。

作为优选，激光测距仪测定惯导小车中心与靶尺的距离，将平行于CPIII控制点位置的轨道中心点的三维坐标测量分解成观测点和CPIII控制点间的方位角、倾斜角和横滚角，以及纵向、横向和垂向距离分量的测量。

分量测量的方法是：利用惯导设备测量方位角、倾斜角和横滚角，使用一个激光测距仪和一个靶尺测量横向和垂向距离，通过移动惯导小车将纵向距离调整为零。

作为优选，惯导采用惯性测量单元IMU和GNSS组合测量模式下测量，利用两组相距一定距离的GNSS平面坐标计算出方位角、倾斜角和横滚角，惯性测量单元IMU输出横向加速度和垂向加速度。

本发明另一方面，提供了一种所述方法的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量装置，包括设于轨道上的惯导小车，位于惯导小车上方的激光测距仪、计算机和惯导；还包括位于轨道一侧的CPIII控制桩，在CPIII控制桩中预留有***靶尺的孔洞，靶尺***所述孔洞中且与激光测距仪发射的激光束平行。

作为优选，靶尺采用带有刻度的长方形片状结构，靶尺底部配有与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，靶尺横向***在CPIII控制桩外侧水平设置的预埋件孔洞中。

作为优选，靶尺采用带有刻度的长方形片状结构，靶尺底部配有与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，靶尺垂直***到挡砟墙顶部设置的预埋件孔洞中。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

通过实时本发明具体实施例描述的惯导小车基于CPIII控制点轨道中心线平面坐标和高程测量方法的技术方案，能够产生以下计算效果：

1.本发明轨道中心线平面坐标和高程测量方法使用激光测距仪和靶尺测测量轨道中心线与CPIII控制点间的最大几何变量，包括斜距和高差，以此取代全站仪的使用。

2.本发明轨道中心线平面坐标和高程测量方法充分利用惯导，或IMU，或GNSS，或设计线路确定轨道线路的方位角、倾斜角和横滚角，以及读取以文件形式所存储的CPIII控制点里程、平面坐标和高程等数据，结合三角函数算法，计算出于轨道中心点的平面坐标和高程，从而简化了激光测量装置的基本功能和结构，达到缩小体积、降低成本、简化操作流程的目的。

3.本发明轨道中心线平面坐标和高程测量装置均是固定部件，使用期间无需调整，方便工作人员的使用。

4.本发明具多种不同的轨道线路方位角、倾斜角和横滚角的确定方法，适用于不同***结构和不同场景的应用。

5.本发明轨道中心线平面坐标和高程测量方法和装置能够在铁路直线、圆曲线和缓和曲线等多种情况下使用，实现对应CPIII控制点轨道中心线位置坐标和高程的精准测量，测量过程简单、快速，测量精度高，适应性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明方法应用于惯导小车高程测量的一种具体实施方式正面示意图；

图2是本发明方法应用于惯导小车平面坐标测量的一种具体实施方式俯视示意图；

图3是本发明方法将靶尺安置在挡砟墙顶面CPIII预埋件上的示意图；

图4是本发明方法将靶尺安置在CPIII桩侧面预埋件上的示意图；

图5是本发明方法应用于惯导点位测量的操作流程示意图；

图6(a)抽象显示惯导小车处于直线段(超高等于零)时在横断面中的几何关系，其中点A为激光测距仪的位置、点B为激光束在靶尺上的光斑位置、点C为CPIII控制点位置、点D为轨道中心点位置、L为点A和点B简单的水平距离，H_A、H_B、H_C、H_D分别为点A、B、C、D的高程；

图6(b)抽象显示曲线段中的(超高不等于零)激光测量装置测点A、靶尺光斑点B、CPIII控制点C、轨道中心点D、以及测量斜距L和激光光束倾斜角γ间的横断面几何关系；

图7(a)显示不考虑纵坡坡度影响的纵断面中的激光测量装置测点A、轨道中心线测点D间的几何关系；

图7(b)显示考虑纵坡坡度影响的纵断面中的激光测量装置测点A、轨道中心线测点D间的几何关系；

图8(a)显示不考虑纵坡坡度影响时的激光测量装置测点A、投影长度S、轨道方位角Ψ、及轨道中心线测点D间在水平面中的几何关系；

图8(b)显示纵坡段中的激光测量装置测点A、测点A在轨顶面中的投影点A′、投影长度S，轨道方向角Ψ、及轨道中心线测点D间在水平面中的几何关系。

图中：1、惯导小车，2、惯导，3、走行轮，4、计算机，5、激光测距仪，6、靶尺，7、CPIII预埋件，8、CPIII控制桩，9、轨道。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供的一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量装置，如图1、图2所示，显示一种当CPIII控制点位移面向大里程的惯导小车左侧情况下的正面示意图和俯视示意图，测量装置包括设于轨道9上的惯导小车1，位于惯导小车1上方的激光测距仪5、计算机4和惯导2；惯导小车1包括三个走行轮(E、F、G)、一个导向轮H；其中三个走行轮和一个导向轮保证惯导小车能够沿轨道9走行。还包括位于轨道9一侧的CPIII控制桩8，在CPIII控制桩中预留有***靶尺6的孔洞，靶尺***孔洞中且与激光测距仪5发射的激光束平行。激光测距仪5安装方向垂直于惯导小车1的行进方向且面向CPIII控制点一侧，激光测距仪的安装高度略高于CPIII控制点的高度。

其中，激光测距仪5水平安装在惯导小车1中部A点位置，其激光束的发射方向垂直于惯导小车行进方向，面向CPIII控制点所在位置一侧，且与惯导小车行走轮踏面平行，使得激光束的水平角度度始终与轨面水平角度相同。激光测距仪安装在垂直安置的支撑杆上；激光测距仪的安装高度h₁应能自由调节，并在使用前将激光测距仪调整到合适的高低，使激光束能照射到安置在CPIII控制点C顶部的靶尺中部，B代表光斑在靶尺中的位置，h₂为光斑在靶尺中的高度。当惯导小车所存位置轨道的水平角为零时，点A高度与点B高度相等。以保证激光测距仪发射的激光束能够照射到安置在CPIII控制点CPIII预埋件7上方的靶尺6的表面。激光测距仪的安装高低应能通支撑柱上的高度刻度直接读取。

惯导小车配有惯导和计算机，且惯导通过数据线与计算机相连接，实时输出惯导小车的方位角、倾斜角和横滚角等测量数据；激光测距仪通过数据线与计算机相连接，并实时输出斜距测量数据。

如图3所示，靶尺采用带有刻度的长方形片状结构，在一个实施例中，采用带有刻度的靶尺具有长约30cm、宽约3cm的长方形片状外形，由不锈钢材料制作；靶尺底部配有长约5cm，直径与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，可垂直***到挡砟墙顶部设置的CPIII控制桩预埋件孔洞中；靶尺底部与CPIII控制桩预埋件顶面接触；靶尺表面带有公制刻度，用于直接读取激光光斑距CPIII控制桩预埋件顶部的高差；靶尺底部的刻度为零。

如图4所示，在一另个实施例中，采用靶尺具有长约40cm、宽约3cm的长方形片状外形，由不锈钢材料制作；靶尺背面中部配有长约5cm，直径与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，可横向***在CPIII控制桩外侧水平设置的CPIII控制桩预埋件孔洞中；靶尺表面带有公制刻度，用于读取激光光斑距CPIII预埋件的高差；靶尺中部对应预埋件孔洞中心位置的刻度为零。

如图5所示，本发明实施例提供的一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将中部配备有惯导2、里程计3、计算机4和激光测距仪5的惯导小车1行至平行于CPIII控制点附近，驻车；其中，激光测距仪水平固定在惯导小车车架中部的垂直安置的支撑杆上。

步骤2，测量人员将一个靶尺6面向轨道方向垂直或水平***到到位于挡砟墙8顶面的CPIII控制点CPIII预埋件7预埋孔内。

步骤3，测量人员缓慢推动惯导小车行进，使激光测距仪5发射的激光束对准垂直安置在CPIII控制点C位置上靶尺6的中轴线后，驻车。

激光测距仪所发射的激光束方向应垂直于惯导小车行进方向，向CPIII控制点一侧，与惯导小车行走轮踏面平行；激光测距仪应平行于惯导小车的行走轮底面，使得激光束的水平角度度始终与轨面水平角度相同；轨面水平角可通过惯导输出的横滚角γ测定。激光束应平行于惯导小车的基本面；激光测距仪的安装角度是固定不变的，高度是可滑动调节的，并配有刻度，用于人工读取激光测距仪的实际安装高度。使用前，应将激光测距仪的高度调整到激光束能够照射到安置于CPIII控制桩上方靶尺的中部位置，并从刻度上读取激光测距仪的实际安装高度。

步骤4，人工读取激光束光斑点B在靶尺6表面刻度中的高差h₂、CPIII控制点编号和激光测距仪的安装高低h₁，并将所读数据输入到惯导小车计算机4中；惯导小车1计算机获取激光束光斑点在靶尺表面刻度中的标高、CPIII控制点编号和激光测距仪的安装高度。

步骤5，CPIII控制点数据文件存入所有CPIII控制点的序列号、编号、里程、平面坐标X、Y和高程H；控制点文件使用CSV格式，可通用编辑软件或Excel进行编辑。测量前，控制点文件应通过U盘导入到惯导小车计算机中。惯导小车计算机根据人工输入的CPIII点编号读取内部存储CPIII工程文件中提取CPIII控制点C的里程M_C、平面坐标X_C、Y_C和高程H_C，结合人工输入的标高h₂和激光测距仪安装高度h₁、激光测距仪5所测惯导小车A点与光斑B点间的斜距L、惯导2发送的方位角Ψ、倾斜角θ和横滚角γ等测数据，通过三角函数计算，计算出轨道中心线点D的平面坐标X_D、Y_D和高程H_D。

计算机通过串口数据线与惯导相连接，实时接收惯导输出的包括方位角Ψ、倾斜角θ、横滚角γ在内的测量数据。

激光测距仪测定惯导小车中心与靶尺的距离，将平行于CPIII控制点位置的轨道中心点的三维坐标测量分解成观测点和CPIII控制点间的方位角、倾斜角和横滚角，以及纵向、横向、垂向距离分量的测量。将平行于CPIII控制点位置的轨道中心点的三维坐标测量分解成观测点和CPIII控制点间三个角度和三个距离分量的测量，及激光束照射在靶尺表面刻度中的光斑位置读取；基于三个角度和三个距离数据和已知的CPIII控制点三维坐标，利用惯导小车配置的计算机和三角函数算法，可计算出惯导小车所处平行于CPIII控制点位置的轨道中心点平面坐标和高程。

三个角度是指轨道线路的方位角、倾斜角和横滚角，可由惯导小车上配备的惯导提供，或事先从设计图中摘取，并与CPIII控制点坐标一起存入到文档中实时读取。

三个距离是指控制点与观测点间参考轨道线路的纵向、横向、垂向距离，其中纵向距离可通过将惯导小车移动至平行于CPIII控制点位置方式缩减为零；横向距离通过安装在惯导小车中部的一个激光测距仪测定；垂向距离通过一个垂直安置在CPIII控制点上方靶尺。

本发明利用靶尺和CPIII控制点C测定轨道中心点D的平面位置与高程的基本原理是：将靶尺垂直安置在CPIII控制点上方，使用激光测量装置测量的装置点A、靶尺光斑B点间的斜距L和倾角γ，结合光斑高差h₂和激光测量装置点A的安装高度h₁、已知CPIII控制点C的平面坐标(X_C，Y_C)和H_C，以及轨道所在位置的方向角Ψ、倾斜角θ和横滚角γ，使用三角函数计算方法，推算出轨道中心点D的平面坐标(X_D，Y_D)和高程H_D。

为了能清晰地说明A、B、C、D点间的几何关系，分别使用横断面、纵断面和水平面抽象示意图，对方位角Ψ、倾斜角θ和横滚角γ为零和不为零的情况分别进行说明。

图6(a)和(b)抽象显示在直线段上激光测量装置点A、靶尺光斑点B、CPIII控制点C、轨道中心点D、测量斜距L和激光光束倾斜角γ，斜距L，以及A、B、C、D点和斜距L在水平基准面中的投影点A’、B’、C’、D’和投影长度L’。其中，图6(a)显示当轨道的超高和坡度均为零时的情况。此时，投影点A’与D’相重叠，B’与C’相重叠，四点高程间的关系式为：

H_A＝H_D+h₁ (1)

H_B＝H_C+h₂ (2)

H_A＝H_B (3)

由式(1)、(2)、(3)推导出D点高程为：

H_D＝H_C+h₂-h₁ (4)

图6(b)抽象显示轨道线路的坡度和超高均不等于零，惯导输出的倾斜角θ和横滚角γ都不等于零时的横断面几何关系。此时，激光测距仪的高度H_A不等于激光斑点的高度H_B，投影点A’与D’不重叠，但B’与C’相重叠，各点间的高程关系式为：

H_A＝H_D+h₁·cosγ (5)

H_B＝H_A+L·sinγ (6)

H_B＝H_c+h₂ (7)

由式(5)、(6)、(7)推导出D点高程为：

H_D＝H_C+h₂-h₁·cosγ-L·sinγ (8)

为了便于说明轨道中心点平面坐标的测定方法，图7(a)显示不考虑纵坡坡度影响的纵断面中的激光测量装置测点A、轨道中心线测点D间的几何关系。平直线段中的钢轨顶面与水平基准面平行，轨道中心点D和投影点A′重叠。D平面坐标X_D、Y_D等于点A平面坐标X_A、Y_A。A、D两点高差为h₂。

图8(a)抽象显示当CPIII参考点位于轨道左侧时，当轨道线路方位角为Ψ、并处于平坡状态，且超高为零时，AC线水平距离为L，方位角为90°+Ψ，A与轨道中心点D平面投影相重合时的几何关系。D点平面坐标与C参考点间的几何关系为：

X_D＝X_C+ΔX＝X_C+L·sin(90+Ψ)＝X_C+L·cosΨ (9)

Y_D＝Y_C+ΔY＝Y_C+L·cos(90+Ψ)＝Y_C-L·sinΨ (10)

图8(a)抽象显示当CPIII参考点位于轨道左侧时，当轨道线路方位角为Ψ、并处于平坡状态，且水平角γ不为零时，AC线水平距离为L′＝L·cosγ，A与轨道中心点D平面投影相重合时的几何关系。D点平面坐标与C参考点间的几何关系为：

X_D＝X_C+L′·cosΨ＝X_C+L·cosγ·cosΨ (11)

Y_D＝X_C-L′·sinΨ＝X_C-L·cosγ·sinΨ (12)

图7(b)抽象显示当CPIII参考点位于轨道左侧时，当轨道线路方位角为Ψ且处于纵坡状态时，AC线水平投影距离为L′，方位角为90°+Ψ，测点A与轨道中心点D平面投影有差异ΔM时的几何关系。

ΔM＝h₁·sinθ (13)

D点里程为：

M_D＝M_C-h₁·sinθ (14)

点A到轨平面间的投影高度为：

h′₁＝h₁·cosθ (15)

图8(b)显示纵坡段中的激光测量装置测点A、测点A在轨顶面中的投影点A′、投影长度L’，轨道方向角Ψ和轨道中心线测点D间在水平面中的几何关系。D点平面坐标与C参考点间的几何关系为：

X_D＝X_C+ΔX+ΔM·sinΨ＝X_C+L’·cosΨ+ΔM·sinΨ (16)

Y_D＝Y_C-ΔY-ΔM·cosΨ＝Y_C-L’·sinΨ-ΔM·cosΨ (17)

将式(13)代入式(16)和(17)，推导出点D的平面坐标计算公式：

X_D＝X_C+(L·cosγ-h₁·cosγ)·cosΨ+h₁·cosθ·sinΨ (18)

Y_D＝Y_C-(L·cosγ-h₁·cosγ)·sinΨ-h₁·cosθ·cosΨ (19)

将式(13)代入式(5)获取点D的高程计算公式：

H_D＝H_C+h₂-h₁·cosθ·cosγ-L·sinγ (20)

式中，X_D、Y_D为CPIII控制点的平面坐标；L斜距；γ为横滚角；Ψ为方位角；θ为倾斜角；L为斜距；h₁为激光测距仪的安装高度。

至此，即可计算出平行与CPIII控制点轨道线路中心线D的里程M_D、平面坐标X_D、Y_D和高程H_D，从而进一步用于与惯导数据和GNSS数据的进一步融合计算，以获取更高精度的线路形位及不平顺测量结果。

本发明不限于用于配有高精度惯导设备可测量轨道方位角、倾斜角和横滚角惯导小车的三维坐标测量，也可用于配有惯性测量单元IMU与GNSS-RTK相组合的检测***或仅配有GNSS-RTK的低成本检测***。由于IMU不能输出轨道线路的方位角、倾斜角和横滚角，可利用两组间隔5米以上的GNSS-RTK的测量坐标(X_i,Y_i,H_i)和(X_i-1,Y_i-1,H_i-1)计算出测点附近轨道线路的方位角Ψ和倾斜角θ，并利用IMU输出的横向加速度a_x和垂向加速度a_z计算出当前轨道的横滚角γ：

此外，当缺少惯导和GNSS-RTK条件时，也可以直接使用线路设计图中给定的方向角Ψ_设计、倾斜角θ_设计和横滚角γ_设计进行位置计算，具体实施方法为：事先根据设计线路或台账数据计算出对应每个CPIII控制点的轨道线路方位角Ψ_设计、倾斜角θ_设计和横滚角γ_设计，并与该CPIII控制点的编号、里程、平面位置坐标和高程一起存储到CPIII控制点数据文件中。测量过程中，计算机可根据人工输入的CPIII控制点编号直接读取。

需要指出，根据实施的需要，可将本发明中的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

以上所述，仅是本发明的一种较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，利用上述所公开的方法和技术内容对本发明方案作出变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，包括：

将配备有惯导、里程计、计算机和激光测距仪的惯导小车行至平行于CPIII控制点附近，驻车；

将一个靶尺面向轨道方向垂直或水平***到CPIII控制点预埋孔内；

移动惯导小车，使激光测距仪发射的激光束对准靶尺中轴后，驻车；

人工读取激光束光斑点在靶尺表面刻度中的标高和CPIII控制点编号，并将激光束光斑点在靶尺表面刻度中的标高、CPIII控制点编号和激光测距仪的安装高度一起输入惯导小车计算机中；

惯导小车计算机根据获取的CPIII控制点编号从存储CPIII工程文件中提取CPIII控制点的里程、平面坐标和高程，结合靶尺的标高和激光测距仪的安装高度、激光测距仪所测惯导小车与激光束光斑点间的斜距、惯导发送的方位角、倾斜角和横滚角，计算出轨道中心线点的平面坐标和高程。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，激光测距仪安装方向垂直于惯导小车的行进方向且面向CPIII控制点一侧，激光测距仪的安装高度略高于CPIII控制点预埋件的高度。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，激光测距仪发出的激光束的发射方向垂直于惯导小车行进方向，与惯导小车行走轮踏面平行，使得激光束的水平角度度始终与轨面水平角度相同。

4.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，激光测距仪测定惯导小车中心与靶尺的距离，将平行于CPIII控制点位置的轨道中心点的三维坐标测量分解成观测点和CPIII控制点间的方位角、倾斜角和横滚角，以及纵向、横向和垂向距离分量的测量；

方位角、倾斜角和横滚角通过惯导测量，横向和垂向距离使用一个激光测距仪和一个靶尺测量，通过移动惯导小车将纵向距离调整为零。

5.根据权利要求4所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，惯导小车所处位置轨道中心点的平面坐标通过以下公式计算：

X_D＝X_C+(L·cosγ-h₁·cosγ)·cosΨ+h₁·cosθ·sinΨ

Y_D＝Y_C-(L·cosγ-h₁·cosγ)·sinΨ-h₁·cosθ·cosΨ

式中，X_D、Y_D为CPIII控制点的平面坐标；L斜距；γ为横滚角；Ψ为方位角；θ为倾斜角；L为斜距；h1为激光测距仪的安装高度。

6.根据权利要求5所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，惯导小车所处位置轨道中心点的高程通过以下公式计算：

H_D＝H_C+h₂-h₁·cosθ·cosγ-L·sinγ

式中，H_D为高程；h₂为光斑在靶尺中的高度。

7.根据权利要求5所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量方法，其特征在于，惯导采用惯性测量单元IMU和GNSS组合测量模式下测量，利用两组相距一定距离的GNSS平面坐标计算出方位角Ψ、倾斜角θ和横滚角γ，惯性测量单元IMU输出横向加速度a_x和垂向加速度a_z按照以下公式计算得到：

式中，(X_i，Y_i)、(X_i-1，Y_i-1)为两组相距一定距离的GNSS平面坐标；H_i，H_i-1为两组相距一定距离的高程。

8.一种权利要求1-7任一项所述方法的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量装置，其特征在于，包括设于轨道上的惯导小车，位于惯导小车上方的激光测距仪、计算机和惯导；还包括位于轨道一侧的CPIII控制桩，在CPIII控制桩中预留有***靶尺的孔洞，靶尺***所述孔洞中且与激光测距仪发射的激光束平行。

9.根据权利要求8所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量装置，其特征在于，靶尺采用带有刻度的长方形片状结构，靶尺底部配有与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，靶尺横向***在CPIII控制桩外侧水平设置的预埋件孔洞中。

10.根据权利要求8所述的基于激光测距仪的惯导小车三维坐标测量装置，其特征在于，靶尺采用带有刻度的长方形片状结构，靶尺底部配有与CPIII控制桩预埋件孔径相同的圆柱体，靶尺垂直***到挡砟墙顶部设置的预埋件孔洞中。

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