阅读说明：本技术 基于北斗的轨检小车定位测量系统及方法 (Rail inspection trolley positioning and measuring system and method based on Beidou ) 是由 李昌 徐学永 王进 严后选 冯灿 陈炜灿 施金金 黄浩 高照锋 欧阳磊 刘梦楠 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于北斗的轨检小车定位测量系统,包括轨检小车、北斗定位终端、北斗连续运行基准站、移动终端、数据中心；轨检小车运行于待检测的轨道上；北斗连续运行基准站设置于待测轨道两侧的一定范围内,且通过北斗卫星获取自身的坐标；北斗定位终端设置于轨检小车上；移动终端与数据中心信号连接,用于辅助测量人员进行操作和获取北斗定位终端精确坐标；数据中心与北斗定位终端、北斗连续运行基准站信号连接,通过北斗定位终端、北斗连续运行基准站的卫星观测数据进行差分计算获取北斗定位终端精确坐标。(The invention provides a Beidou-based rail inspection trolley positioning and measuring system, which comprises a rail inspection trolley, a Beidou positioning terminal, a Beidou continuous operation reference station, a mobile terminal and a data center, wherein the Beidou positioning terminal is connected with the rail inspection trolley; the rail inspection trolley runs on a rail to be detected; the Beidou continuous operation reference station is arranged in a certain range on two sides of the track to be detected, and the coordinate of the Beidou continuous operation reference station is acquired through a Beidou satellite; the Beidou positioning terminal is arranged on the rail inspection trolley; the mobile terminal is in signal connection with the data center and is used for assisting a measurer to operate and acquiring the accurate coordinate of the Beidou positioning terminal; the data center is in signal connection with the Beidou positioning terminal and the Beidou continuous operation reference station, and differential calculation is carried out on satellite observation data of the Beidou positioning terminal and the Beidou continuous operation reference station to obtain the precise coordinates of the Beidou positioning terminal.)

基于北斗的轨检小车定位测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种铁路测量技术，特别是一种基于北斗的轨检小车定位测量系统及方法。

背景技术

铁路，作为国家重要的基础设施，对我国的经济建设和社会发展产生着巨大推动作用，是国民经济的大动脉，是现代化综合运输网中的骨干和中坚力量。轨道是铁路工程中直接支承和引导列车运行的工程结构。当列车在轨道上行驶时，对轨道产生重力荷载作用，从而使轨道结构产生几何形位变化，这些变化也就是轨道不平顺。轨道不平顺对列车是一种外部激扰，是产生列车震动的主要根源，甚至会引起列车脱轨或侧翻。

轨检小车是一种检测轨道不平顺的便捷工具。轨检小车绝对位置基准测量是轨道不平顺检测的基础。全站仪在线路中心处自由设站，后视CPⅢ控制点，根据空间后方交会原理解算出轨检小车棱镜位置的三维坐标，再以此坐标作为起算基准，结合轨检小车上的轨距、陀螺等传感器计算出轨道不平顺性。这种传统轨检小车绝对位置基准测量方式，其精度受到线路周边CPⅢ控制点精度影响，而CPⅢ控制点受到沉降形变等其他条件的影响，CPⅢ控制点数量多，每公里大约有16对32个点，需花费较大的成本去维护其精度。所以，目前传统基于全站仪的轨检小车绝对位置基准测量过度依赖于CPⅢ控制点和全站仪，测量成本高、测量效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗的轨检小车定位测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于北斗的轨检小车定位测量方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于北斗的轨检小车定位测量系统，包括轨检小车、北斗定位终端、北斗连续运行基准站、移动终端、数据中心；其中轨检小车运行于待检测的轨道上；北斗连续运行基准站设置于待测轨道两侧的一定范围内，且通过北斗卫星获取自身的坐标；北斗定位终端设置于轨检小车上；移动终端与数据中心信号连接，用于辅助测量人员进行操作和获取北斗定位终端精确坐标；数据中心与北斗定位终端、北斗连续运行基准站信号连接，通过对北斗定位终端、北斗连续运行基准站的卫星观测数据进行差分计算获取北斗定位终端精确坐标。

一种基于北斗的轨检小车定位测量方法，包括以下步骤：轨检小车开始测量时，通过移动终端向数据中心发送开始指令，数据中心记录小车开始测量时间；轨检小车在测量点停止移动，通过移动终端向数据中心发送停止移动指令，数据中心记录下小车此时停止移动的时间；轨检小车移动时，通过移动终端向数据中心发送移动指令，数据中心记录下小车此时移动的时间；轨检小车测量完成时，通过移动终端向数据中心发送结束指令，数据中心记录下小车测量结束时间；数据中心对北斗定位终端采集的卫星观测数据进行单点定位计算，得到小车的概略坐标，数据中心根据小车的概略坐标，按照距离最近原则，从所有的基准站中选择最优差分计算基准站；数据中心按照小车记录的测量时间段内的开始时间和结束时间，获取北斗定位终端和最优基准站相应时间段的卫星观测数据构建差分模型，计算出北斗定位终端的精确坐标；数据中心以小车停止移动的时间作为时间戳，将差分计算的北斗定位终端的精确坐标发送给移动终端，北斗定位终端的精确坐标为轨检小车定位坐标。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)无需采用全站仪，无需利用CPⅢ控制点，测量人员只需在客户端控制软件的辅助下对轨检小车进行操作，即可实现轨检小车的高精度定位，降低了测量成本；(2)轨检小车上的北斗定位终端和北斗连续运行基准站形成差分定位，得到高精度定位结果，为轨检小车提供绝对位置基准，以此为起算值，结合轨检小车上的轨距、陀螺等传感器计算出超高、短波和长波不平顺性、平面和高程偏差。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明系统的原理示意图。

具体实施方式

结合图1，一种基于北斗的轨检小车定位测量系统，包括轨检小车、北斗定位终端、北斗连续运行基准站、移动终端、数据中心；其中轨检小车运行于待检测的轨道上；北斗连续运行基准站设置于待测轨道两侧的一定范围内，且通过北斗卫星获取自身的坐标；北斗定位终端设置于轨检小车上，北斗定位终端的定位天线设置于轨检小车的棱镜位置上；移动终端与数据中心信号连接，用于辅助测量人员进行操作和获取北斗定位终端精确坐标；数据中心与北斗定位终端、北斗连续运行基准站信号连接，通过北斗定位终端、北斗连续运行基准站的卫星观测数据进行差分计算获取北斗定位终端精确坐标。

一种基于北斗的轨检小车定位测量方法，包括：

轨检小车开始测量时，通过移动终端向数据中心发送开始指令，数据中心记录小车开始测量时间；轨检小车在测量点停止移动，通过移动终端向数据中心发送停止移动指令，数据中心记录下小车此时停止移动的时间；轨检小车移动时，通过移动终端向数据中心发送移动指令，数据中心记录下小车此时移动的时间；轨检小车测量完成时，通过移动终端向数据中心发送结束指令，数据中心记录下小车测量结束时间。

数据中心对北斗定位终端采集的卫星观测数据进行单点定位计算，得到小车的概略坐标，数据中心根据小车的概略坐标，按照距离最近原则，从所有的基准站中选择最优差分计算基准站；单点定位具有简单快速、不依赖其他测站信息的优点，但其定位精度较低，所以利用单点定位技术计算轨检小车的概略坐标。

数据中心按照小车记录的测量时间段内的开始时间和结束时间，获取北斗定位终端和最优基准站相应时间段的卫星观测数据构建差分模型，计算出北斗定位终端的精确坐标；在差分定位模式中，基准站和流动站通过求差的方法削弱了大部分的共有误差，定位精度较高，本发明利用差分定位技术计算轨检小车的精确坐标。

数据中心以小车停止移动的时间作为时间戳，将差分计算的北斗定位终端的精确坐标发送给移动终端，北斗定位终端的精确坐标为轨检小车定位坐标。

由于测距码的码元宽度较宽，采用伪距测量无法满足高精度定位的需求，而采用载波相位测量时精度可达到载波波长的百分之一，理论精度可以达到毫米级。因此本发明采用载波相位相对测量方法。假设卫星端在某一时刻播发的载波信号相位为

而该信号经过一段时间后被接收机捕获，相位为距离

而

中分别包含着N个整数周和不足一周的

两部分。载波相位测量的观测方程如下所示：

公式(1)中，ρ为卫地间的几何距离，λ为载波波长，(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)为卫星i的空间坐标，(X,Y,Z)为接收机坐标，c为光速，

为接收机钟差，

为卫星钟钟差，N为整周模糊度，V_ion为电离层误差，V_trop为对流层误差，δ(ρ_mul)为多路径效应，ε_i为观测噪声。

在差分定位中，基准站和流动站对同一组卫星进行观测，通过求差的方法消除共有误差，提高了解算精度和解算效率。

首先在不同测站接收机之间进行单差，然后在不同卫星之间进行双差。设在某一时刻t₁，两台接收机i、j同步观测到了卫星p，二者的观测方程如下所示：

式(2)中参数与式(1)含义相同，

为t₁时刻接收机i对观测卫星p的载波相位观测值，

为t₁时刻接收机i对观测卫星p的卫地距，

为t₁时刻接收机i的钟差，

为t₁时刻卫星p的钟差，

为t₁时刻接收机i对观测卫星p的整周模糊度，

为t₁时刻接收机i对观测卫星p的电离层误差，

为t₁时刻接收机i对观测卫星p的对流层误差，

为t₁时刻接收机j对观测卫星p的载波相位观测值，

为t₁时刻接收机j对观测卫星p的卫地距，

为t₁时刻接收机j的钟差，

为t₁时刻接收机j对观测卫星p的整周模糊度，

为t₁时刻接收机j对观测卫星p的电离层误差，

为t₁时刻接收机j对观测卫星p的对流层误差，c为光速，f为频率，二者之间求一次差可得：

式(3)可以简写为：

然后在测站基准星和非基准星之间再次进行求差，得到双差方程。设两个测站同时观测到卫星p、q，由式(4)可得双差观测方程如下：

其中，为接收机i，j对观测卫星p的载波相位观测值单差，分别为接收机i，j对观测卫星p的卫地距单差，

为接收机i，j对观测卫星p的整周模糊度单差，

为接收机i，j对观测卫星p的电离层误差值单差，

为接收机i，j对观测卫星p的对流层误差值单差，

为接收机i，j对观测卫星q的载波相位观测值单差，

为接收机i，j对观测卫星q的卫地距单差，

为接收机i，j对观测卫星q的整周模糊度单差，

为接收机i，j对观测卫星q的电离层误差值单差，

为接收机i，j对观测卫星q的对流层误差值单差，

经过简化后(5)式为：

其中，

从式(6)可以看出经过二次差分后的卫星钟差、接收机钟差被消除了。其中，

为t₁时刻接收机i，j对观测卫星p，q载波相位实际观测值双差；

为t₁时刻接收机i，j对观测卫星p，q卫地距双差；

为t₁时刻接收机i，j对观测卫星p，q整周模糊度双差；为t₁时刻接收机i，j对观测卫星p，q电离层误差双差；

为t₁时刻接收机i，j对观测卫星p，q对流层误差双差。

流动站和基准站的所有共视卫星根据式(6)建立观测方程，然后得到相应的误差方程矩阵，根据间接平差原理，利用最小二乘求解得到流动站位置参数。

实施例一

结合图1所示，一种基于北斗的轨检小车定位测量系统，该系统包括轨检小车、北斗定位终端、北斗连续运行基准站、移动终端、数据中心、客户端控制软件、服务端定位平台。所述北斗定位终端安装在所述轨检小车上。所述北斗定位终端和所述北斗连续运行基准站均设置有定位天线。所述北斗定位终端的定位天线安装在所述轨检小车的棱镜位置上。所述北斗定位终端和所述北斗连续运行基准站均安装有4G模块。所述北斗定位终端和所述北斗连续运行基准站形成差分定位。所述服务端定位平台用于为轨检小车生成高精度定位坐标，具体地：所述北斗定位终端和所述北斗连续运行基准站通过4G模块接入互联网将采集的观测卫星数据传送至所述服务端定位平台中；所述服务端定位平台首先通过对北斗连续运行基准站进行长时间静态观测，计算出北斗连续运行基准站精确坐标；接着利用北斗定位终端采集的卫星观测数据单点定位计算出小车的概略坐标，根据小车的概略坐标，按照距离最近原则，从所有的北斗连续运行基准站中选择最优差分计算基准站；最后利用北斗定位终端和选择的最优北斗连续运行基准站采集的卫星观测数据构建差分模型，计算出轨检小车上定位天线的高精度定位坐标。所述服务端定位平台运行在所述数据中心，所述客户端控制软件用于辅助测量人员进行操作，客户端控制软件提供可视化用户界面，操作简单。所述客户端控制软件运行在所述移动终端上；所述移动终端包括手机或平板电脑的一种。所述客户端控制软件与所述服务端定位平台通过互联网进行通信。

进一步地，在线路5km范围内布设若干北斗连续运行基准站；对北斗连续运行基准站进行配置，接入服务端定位平台；服务端定位平台接收北斗连续运行基准站上传的卫星观测数据；

进一步地，北斗定位终端安装在所述轨检小车上；北斗定位终端的定位天线安装在所述轨检小车的棱镜位置上；对北斗定位终端进行配置，接入服务端定位平台；服务端定位平台接收北斗定位终端上传的卫星观测数据；

进一步地，轨检测量人员打开移动终端上的客户端控制软件，向服务端定位平台发起登录，服务端定位平台进行用户鉴权，向客户端控制软件回复登录是否成功；

进一步地，客户端控制软件登录成功后，周期性收到并可视化显示服务端定位平台回传给客户端控制软件的北斗连续运行基准站的卫星观测数据接入情况和北斗定位终端的卫星观测数据接入情况；

进一步地，在客户端控制软件，查看北斗连续运行基准站的卫星观测数据接入情况，确认北斗连续运行基准站的卫星观测数据接入正常；查看北斗定位终端的卫星观测数据接入情况，确认北斗定位终端的卫星观测数据接入正常；

进一步地，开始测量，测量人员点击客户端控制软件的“开始”按钮，向服务端定位平台发送“开始”指令，服务端定位平台记录下小车此时的开始时间；

进一步地，测量人员对轨检小车采用“走-停”方式测量，在测量点“停”时，测量人员点击客户端控制软件的“停止移动”按钮，向服务端定位平台发送“停止移动”指令，服务端定位平台记录下小车此时停止移动的时间；再次“走”时，测量人员点击客户端控制软件的“再次移动”按钮，向服务端定位平台发送“再次移动”指令，服务端定位平台记录下小车此时再次移动时的时间；

进一步地，测量完成，测量人员点击客户端控制软件的“测量完成”按钮，向服务端定位平台发送“测量完成”指令，服务端定位平台记录下小车此时的结束时间；服务端定位平台将计算出的测量点坐标结果，以小车“停止移动”的时间作为时间戳，发送给客户端控制软件；客户端控制软件收到此定位结果，即为轨检小车上北斗定位终端定位天线在所有测量点的定位坐标。