一种轨道平顺性测试方法及系统
阅读说明：本技术 一种轨道平顺性测试方法及系统 (Track ride comfort testing method and system ) 是由 白征东 陈波波 辛浩浩 黎奇 程宇航 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种轨道平顺性测试方法及系统,该方法包括：利用采样装置在待测轨道上行走采样,获取姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列；将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合,获取观测集合序列；并基于观测集合序列,获取采样装置的相对轨迹序列；基于GNSS静止采样点状态参数约束,根据采样轨迹的参数序列,获取待测轨道的中线绝对轨迹；根据中线绝对轨迹结合姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法及系统,提供了一种铁路轨道的调轨及检测途径,对于轨道平顺性,尤其是内部参数的检测更加精准。(The embodiment of the invention provides a method and a system for testing track smoothness, wherein the method comprises the following steps: the method comprises the following steps of walking and sampling on a rail to be detected by using a sampling device, and acquiring an attitude angle observation sequence, a mileage observation sequence, a track gauge observation sequence and a sleeper observation sequence; interpolating and fusing the attitude angle observation sequence, the mileage observation sequence and the track gauge observation sequence to obtain an observation set sequence; acquiring a relative track sequence of the sampling device based on the observation set sequence; acquiring a midline absolute track of a track to be detected according to a parameter sequence of a sampling track based on the GNSS static sampling point state parameter constraint; and acquiring ride comfort parameters of the track to be measured according to the neutral line absolute track combined with the attitude angle observation sequence, the track gauge observation sequence, the sleeper observation sequence and the design data. The rail smoothness testing method and the rail smoothness testing system provided by the embodiment of the invention provide a rail adjusting and detecting way for a railway rail, and the detection of the rail smoothness, especially the internal parameters is more accurate.)
技术领域
本发明涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种轨道平顺性测试方法及系统。
背景技术
随着我国交通行业的高速发展，尤其是高铁网的迅速铺建，铁路作为最重要的交通工具之一，在整个交通运输行业中扮演着越来越重要的地位。
高铁轨道平顺性测量是线路养护和维修中的一个重要环节，决定着高铁运输的安全性和稳定性。现有的高铁轨道平顺性测量技术，以轨道控制网CPⅢ为测量基准，采用基于全站仪的轨道几何状态测量仪进行逐枕测量，存在对环境条件敏感、测量效率低、测量成本高、对CPⅢ依赖严重等问题，无法适应我国高铁日益发展的需求。改进现行的高铁轨道平顺性测量技术，已经成为高铁线路养护和维修中急需解决的问题，具有显著的社会价值和经济效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明实施例提供一种轨道平顺性测试方法及系统，用以解决现有技术中轨道平顺性测试效率低、测量成本高以及对CPⅢ依赖性严重的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种轨道平顺性测试方法，包括以下步骤：
S1、利用采样装置在待测轨道上行走采样，获取待测轨道上的姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列。
S2、将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列。
S3、基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
S4、根据中线绝对轨迹结合所述姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
优选地，在步骤S1中，利用采样装置获取待测轨道上的姿态角观测序列，具体包括以下步骤：
利用采样装置获取待测轨道上的姿态角观测值，并清除其中的无效历元值，获取有效姿态角观测值集合；
根据待测轨道的类型，对有效姿态角观测值集合进行滤波去噪处理；
利用标定文件对滤波去噪处理后的有效姿态角观测值集合进行修正；
利用一阶差分方程对修正后的有效姿态角观测值集合进行异常值修复，从而获取姿态角观测序列。
优选地，在步骤S1中，利用采样装置获取待测轨道上的里程观测序列，具体包括以下步骤：
利用采样装置获取所述待测轨道上的里程观测值，并清除其中的无效值，获取有效里程观测值集合；
获取各静止采样点坐标位置，并结合设计资料获取每个静止采样点的里程，以完成对里程观测值集合的订正；
基于移动观测的GNSS单历元解，根据采样装置的几何参数，获取待测轨道的中线坐标；
将待测轨道的中线坐标投影到设计曲线上，获取与GNSS单历元解对应的参考里程；
将参考里程作为观测量，将订正后的里程观测值集合作为状态量，进行卡尔曼滤波，从而获取到里程观测序列。
优选地，在S1中，其中，获取所述待测轨道上的轨距观测序列，具体包括以下步骤：
获取待测轨道上的轨距观测值，并清除其中的无效值，获取有效轨距观测值集合；
利用一阶差分方程对有效轨距观测值集合进行异常值修复，获取轨距观测序列。
优选地，步骤S2具体包括以下子步骤：
S21，以里程观测序列中包含的时间序列为基准，将姿态角观测序列和轨距观测序列进行拉格朗日内插，获取在时间序列下的观测集合序列：
Φpara(tl)＝[tl m y p r g]n×1，
其中，tl表示里程观测序列对应的时间，m为里程；y为航向角；p为俯仰角；r为横滚角；g为轨距；Φpara(tl)为所述时间序列下的参数序列；n×1表示将子矩阵扩展到n乘以1行；
S22，分别获取观测集合序列中每一段的坐标增量，其计算公式为：
其中，dxi,i+1为坐标增量；dmi,i+1为里程增量；i为里程观测序列的点号；
S23，对坐标增量进行积分，获取相对轨迹序列：
Φpara,rel(tl)＝[tl m y p r g Xrel Yrel Hrel]n×1；
其中，(Xrel、Yrel、Hrel)为利用里程和姿态角计算的相对坐标，Φpara,rel(tl)为相对轨迹序列。
优选地，在步骤S3中，具体包括以下子步骤：
S31、根据静止采样点对相对轨迹序列进行拆分，获取拆分后的相对轨迹子序列集合，其中：
Φpara,rel(tl)＝[Φ1(t) Φ2(t) ... Φk-1(t)]T；
k为静止采样点的个数，T为矩阵转置运算符，Φpara,rel(tl)为拆分后的相对轨迹子序列；
S32、利用每个拆分形成的相对轨迹子序列区间中的首尾两个静止采样点的天线坐标作为约束，获取在每个相对轨迹子序列区间内，采样装置的天线中心的绝对轨迹子序列集合；
S33，利用采样装置的天线中心的绝对轨迹子序列集合，获取采样装置的航向角，其计算公式为：
其中(Xabs,Yabs,Habs)为采样装置的天线中心的绝对坐标；yb为采样装置的航向角；
S34、基于上述航向角，对所述绝对轨迹子序列进行合并，获取包含采样装置的天线中心的绝对轨迹的参数序列：
Φpara,abs(tl)＝[tl m yb p r g Xabs Yabs Habs]n×1；
S35、利用采样装置的中心天线坐标和姿态角，获取待测轨道的中线绝对轨迹：
(Xmid,Ymid,Hmid)T＝(Xabs,Yabs,Habs)T+R(yb,p,r)L0
其中，(Xmid,Ymid,Hmid)为轨道中线的绝对坐标；R(yb,p,r)为航向角、俯仰角和横滚角所确定的旋转矩阵；L0为天线中心到待测轨道中线点的初始向量，mid为轨道中线点标示。
优选地，在上述步骤S32中，具体包括以下子步骤：
S321、以每个相对轨迹子序列区间中的首个采样点为基准，对拆分后的相对轨迹子序列Φpara,rel(tl)进行平移变换：
其中，Ptran为平移变换后的轨迹序列，Prel,i为相对轨迹对应的坐标；
S322、以每个所述拆分后的相对轨迹子序列前后两个静止采样点的平面坐标为基准，对平移变换后的轨迹序列Ptran进行平面方向旋转变换后，再以前后两个静止采样点的高程坐标为基准，再进行高程方向的旋转变换：
Protate＝RVRHPtran
其中，Protate为进行高程方向的旋转变换后获取到的轨迹序列，RH为平面方向旋转矩阵，RV为高程方向旋转矩阵；
S323、以首个采样点为中心，以前后两个静止采样点坐标为基准，对轨迹序列Protate的三个方向分别进行缩放变换：
Pabs,i＝k(Protate-Pi)+Pi
k＝(kX,kY,kH)
其中，Pabs,i为缩放变换后的每个相对轨迹序列区间的绝对坐标，k为三个方向上的缩放系数，X、Y、H分别为高斯平面坐标系下的正北、正东和垂直高度方向；
S324、将所有的绝对坐标子序列Pabs,i进行拼接，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
优选地，上述平顺性参数具体包括：外部几何参数和内部几何参数。
其中，外部几何参数包括：待测轨道中的每根轨枕的左轨绝对坐标、右轨绝对坐标、中线绝对坐标、轨道横向偏差以及轨道垂向偏差；内部几何参数包括：待测轨道中的每根轨枕的左右轨向、左右高低、超高、轨距、扭曲、轨距变化率等；
所述平顺性参数获取方法包括：
基于待测轨道的轨距和姿态角观测序列获取采样点左轨绝对坐标和采样点右轨绝对坐标：
(Xleft,Yleft,Hleft)为采样点左轨绝对坐标，(Xright,Yright,Hright)采样点右轨绝对坐标，g为轨距测量值；
根据所述轨枕观测序列获取里程-轨枕对照表，并结合所述采样点左轨绝对坐标与所述采样点右轨绝对坐标，获取每根轨枕的所述左轨绝对坐标、所述右轨绝对坐标以及中线绝对坐标；
结合所述设计资料，获取所述轨道横向偏差、轨道垂向偏差和所述内部几何参数。
第二方面，本发明实施例提供一种轨道平顺性测试系统，包括：
采样装置、第一运算单元、第二运算单元和第三运算单元；
其中，采样装置上设置有GNSS接收机、IMU、里程计、轨距测量仪以及轨枕识别器，采样装置可在待测轨道上行走；
其中，GNSS接收机用于实时获取并反馈采样装置的位置坐标，IMU用于获取待测轨道上的姿态角观测序列，里程计用于获取待测轨道上的里程观测序列，轨距测量仪用于获取待测轨道上的轨距观测序列，轨枕识别器用于获取待测轨道上的轨枕观测序列。
其中，第一运算单元用于将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列。
其中，第二运算单元用于基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
其中，第三运算单元用于根据中线绝对轨迹结合姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行所述程序时实现如第一方面任一所述轨道平顺性测试方法的步骤。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法及系统，通过装载有多传感器以及GNSS接收机的采样装置，在待测轨道上采用“停-走-停”的作业模式，并利用融合算法对获取的传感器移动观测数据以及各静止采样点的绝对坐标进行综合处理，获取待测轨道的平顺性参数，有效的提高了轨道平顺性测试的效率和精度、降低了测试的成本，且对各种复杂环境的适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种轨道平顺性测试方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种轨道平顺性测试系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种轨道平顺性测试方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法与现有技术中轨道测试方法的精度对比图；
图5为本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法与现有技术中轨道测试方法的精度又一对比图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种轨道平顺性测试方法，包括但不限于以下步骤：
步骤S1、利用采样装置在待测轨道上行走采样，获取待测轨道上的姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列；
步骤S2、将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列；
步骤S3、基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹；
步骤S4、根据中线绝对轨迹结合姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
具体地，在本实施例中采样装置可以是一种T性结构的可以在轨道上进行平稳运动的小车，在小车上设置安装有GNSS接收机、IUM、里程计、轨距测量仪、轨枕识别器等传感器以及数据采集终端。为方便描述，在本申请所有的实施中，将使用小车作为采样装置来进行表述，但其不视为对本发明实施例保护范围的限定。
其中，GNSS接收机为一种全球卫星导航定位装置，是一种能在地球表面或近地空间的任何地点实时提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位装置。
IUM又称惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称IMU)，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般地，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出载体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。在本实施例中，可以将IMU安装在小车的重心位置上。
在测量时，首先在步骤S1中，将小车放置于待测轨道上采用“停-走-停”依次迭代运动的作业方式，在待测轨道上运动。为了进一步的提高测试的精确，可以在测量开始前采用同一位置正反测量来进行姿态角数据的标定。在行走的过程中，分别利用上述传感器以及数据采集终端，即利用GNSS接收机、IUM、里程计、轨距测量仪、轨枕识别器等采样获取小车在待测轨道上的姿态角观测值、里程观测值、轨距观测值以及轨枕观测值，并将上述所有的姿态角观测值、里程观测值、轨距观测值以及轨枕观测值分别组建成姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列，其中，还包括利用GNSS接收机和IMU，通过GNSS和IMU组合静态基线模型获取得到的各静止采样点(即停止点)的精确绝对坐标，以及移动观测的GNSS绝对坐标。
进一步地，在步骤S2中，基于停止点状态约束，对步骤S1中获取到的姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取到融合后的观测集合序列。进一步地，根据该观测集合序列计算获取到采样装置(小车)的相对轨迹序列。
进一步地，由于采样装置在轨道上运行，其运动轨迹可以直接反映出所在轨道的真实状态。在步骤S3中，可以基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据采样装置相对轨迹序列，计算获取到待测轨道的中线绝对轨迹。
进一步地，由于轨道中线绝对轨迹的变化，可以直接反映出该轨道的平顺性，因此在步骤S4中，基于步骤S3中所获取到的待测轨道的中线绝对轨迹，并结合步骤S1中所获取到的检测装置的姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列，并同时结合轨道的设计资料，计算获取到待测轨道的平顺性参数。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法，通过装载有多传感器以及GNSS接收机的采样装置，在待测轨道上采用“停-走-停”的作业模式，并利用融合算法对获取的传感器移动观测数据以及各采样点的绝对坐标进行综合处理，获取待测轨道的平顺性参数，有效的提高了轨道平顺性测试的效率和精度，降低了测试的成本，且对各种复杂环境的适应性强。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中在步骤S1中，利用采样装置获取待测轨道上的姿态角观测序列，包括但不限于以下步骤：
利用采样装置获取待测轨道上的姿态角观测值，并清除其中的无效历元值，获取有效姿态角观测值集合；
根据待测轨道的类型，对有效姿态角观测值集合进行滤波去噪处理；
利用标定文件对滤波去噪处理后的有效姿态角观测值集合进行修正；
利用一阶差分方程对修正后的有效姿态角观测值集合进行异常值修复，从而获取姿态角观测序列。
具体地，本实施例提供一种获取姿态角观测序列的方法：
首先，通过读取、收集检测装置上的IMU所采集的姿态角观测值，并剔除所有姿态角观测值中，在对准阶段、观测不全以及数据错误等不可用的历元数据后，并将剩余的所有姿态角观测值组建成有效姿态角观测值集合。
进一步地，对上一步获取的有效姿态角观测值集合中的所有姿态角观测值进行滤波去噪处理，以进一步对该有效姿态角观测值集合进行精简。其中，可以采用低通滤波，该低通滤波的截止频率可以根据待测轨道的类型，比如有砟或无砟等来进行确定。
进一步地，由于姿态角观测值包括俯仰角、横滚角等参数，还可以利用测试时的标定文件来对所有的姿态角观测值中的俯仰角和横滚角进行修正，其中修正值可以包括：IMU平台安装误差、零偏等。
进一步地，还可以利用一阶差分对所有的姿态角观测值进行异常值探测及修复。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法，通过采用多种方式对获取的姿态角观测值进行精简、修正，使最终获取的姿态角观测序列能够更准确的用于待测轨道的平顺性测试，有效的减小了运算的数据量，提高了测试的精度和效率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中在步骤S1中，利用采样装置获取待测轨道上的里程观测序列，可以包括以下步骤：
利用采样装置获取待测轨道上的里程观测值，并清除其中的无效值，获取有效里程观测值集合；
获取各采样点坐标位置，并结合设计资料获取每个采样点的里程，以完成对里程观测值集合的订正；
基于移动观测的GNSS单历元解，根据采样装置的几何参数，获取待测轨道的中线坐标；
将待测轨道的中线坐标投影到设计曲线上，获取与GNSS单历元解对应的参考里程；
将参考里程作为观测量，将订正后的里程观测值集合作为状态量，进行卡尔曼滤波，从而获取到里程观测序列。
具体地，本实施例提供一种获取里程观测序列的方法：
首先，通过读取采集装置上的里程计所记录的所有里程观测值，并主动清除掉该里程观测值中由于观测不全等原因造成的无效值后，组建成有效里程观测值集合。
进一步地，根据停止点(即采样点)的坐标，结合设计资料计算出各停止点的里程，进而利用该停止点的里程对有效里程观测值集合进行订正，并可以同时获取到里程计的测量精度值。还可以根据该测量精度值对使用的里程计进行校验及选取。
进一步地，由于待测轨道在真实情况下不可避免的会经过复杂路段、外界干扰大的路段，这类路段会造成里程测量误差较大，严重影响到最终的检测结果。在本实施例中，对于存在该复杂路段的里程观测值，利用移动观测的GNSS单历元解，对里程观测值进行订正，具体地步骤可以包括：
首先，利用移动观测的GNSS单历元解，并结合取样装置的几何参数(比如，车宽、车长、轴距、等等)计算获取待测轨道的中线坐标。
然后，将该待测轨道的中线坐标投影至设计曲线上，获取与上述GNSS单历元解对应的参考里程。
进一步地，将上一步获取的参考里程作为观测量，将里程计输出的里程观测值作为状态量，利用卡尔曼滤波，获取到最终的里程观测序列。
其中，卡尔曼滤波(Kalman Filtering)一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态，并能够对现场采集的里程观测值进行实时的更新和处理。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法，通过采用多角度、多方式对现场采集的里程观测值进行滤波、精简，使获取的里程观测序列能够更准确的用于待测轨道的平顺性测试，有效的减小了运算的数据量，提高了测试的精度和效率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中在步骤S1中，利用采样装置获取待测轨道上的轨距观测序列，可以包括以下步骤：
获取待测轨道上的轨距观测值，并清除其中的无效值，获取有效轨距观测值集合；
利用一阶差分方程对有效轨距观测值集合进行异常值修复，获取轨距观测序列。
具体地，具体地，本实施例提供一种获取轨距观测序列的方法：
首先通过读取由轨距测量仪采集的所有轨距观测值，并清除所有轨距观测值中的无效值，组建轨距观测集合。进一步地，利用一阶差分方程对清除无效值后剩余的有效轨距观测值集合进行异常值修复，以获取轨距观测序列。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中步骤S2可以包括但不限于以下步骤：
S21，以里程观测序列中包含的时间序列为基准，将姿态角观测序列和轨距观测序列进行拉格朗日内插，获取在该时间序列下的观测集合序列：
Φpara(tl)＝[tl m y p r g]n×1，
其中，tl表示里程观测序列对应的时间，m为里程；y为航向角；p为俯仰角；r为横滚角；g为轨距；Φpara(tl)为所述时间序列下的参数序列；n×1表示将子矩阵扩展到n乘以1行；
S22，分别获取观测集合序列中每一段的坐标增量，其计算公式为：
其中，dxi,i+1为坐标增量；dmi,i+1为里程增量；i为里程观测序列的点号；
S23，对坐标增量进行积分，获取相对轨迹序列：
Φpara,rel(tl)＝[tl m y p r g Xrel Yrel Hrel]n×1；
其中，(Xrel、Yrel、Hrel)为利用里程和姿态角计算的相对坐标，Φpara,rel(tl)为相对轨迹序列。
具体地，首先以里程观测序列作为基准，将IMU、轨距测量仪的获取到的姿态角观测序列和轨距观测序列进行拉格朗日内插，获取同一时间序列下的包含里程、姿态角、轨距等观测值的参数序列Φpara(tl)。
进一步地，计算出参数序列Φpara(tl)中每一段的坐标增量，然后利用获取到的坐标增量进行积分计算，可以获取到包含有采样装置(小车)相对轨迹的参数序列。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法，通过将获取到的姿态角观测序列和所述轨距观测序列等进行内插整合成一个统一的序列，即包含有里程、姿态角、轨距等观测值的参数序列，便于统一分析；并根据整合后的参数序列获取到采样装置的相对轨迹，为进一步的获取到待测轨道的平顺性参数奠定了基础。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中步骤S3可以包括但不限于以下步骤：
S31、根据采样点对相对轨迹序列进行拆分，获取拆分后的相对轨迹子序列集合，其中：
Φpara,rel(tl)＝[Φ1(t) Φ2(t) ... Φk-1(t)]T；
k为采样点的个数，T为矩阵转置运算符，Φpara,rel(tl)为拆分后的相对轨迹子序列集合；
S32、利用每个拆分形成的相对轨迹子序列区间中的首尾两个采样点的天线坐标作为约束，获取在每个相对轨迹子序列区间内，采样装置的天线中心的绝对轨迹子序列；
S33，利用采样装置的天线中心的绝对轨迹子序列，获取采样装置的航向角，其计算公式为：
其中(Xabs,Yabs,Habs)为采样装置的天线中心的绝对坐标；yb为采样装置的航向角；
S34、基于上述航向角，对基于拆分后的相对轨迹子序列集合得到的绝对轨迹子序列集合进行合并，获取包含采样装置的天线中心的绝对轨迹的参数序列：
Φpara,abs(tl)＝[tl m yb p r g Xabs Yabs Habs]n×1；
S35、利用采样装置的中心天线坐标和姿态角，获取待测轨道的中线绝对轨迹：
(Xmid,Ymid,Hmid)T＝(Xabs,Yabs,Habs)T+R(yb,p,r)L0
其中，(Xmid,Ymid,Hmid)为轨道中线的绝对坐标；R(yb,p,r)为航向角、俯仰角和横滚角所确定的旋转矩阵；L0为天线中心到待测轨道中线点的初始向量，mid为轨道中线点标示。
具体地，首先按照采样小车的运动轨迹(停-走-停)，获取到m个采样点的位置，并根据采样点对步骤S2中获取到的采样装置的相对轨迹序列Φpara,rel(tl)进行拆分，可以拆分为m-1个拆分区间。
进一步地，在每个拆分区间中，以首尾两个采样点的天线坐标作为约束，计算采样小车的天线中心的绝对轨迹，从而可以获取到m-1个连续的采样小车的天线中心的绝对轨迹。
进一步地，利用每个拆分区间内的采样小车的天线中心的绝对轨迹，生成与每个拆分区间相对应的采样装置的航向角，其中，航向角是指采样小车与地球北极之间的夹角，又称为真航向角，用于标示采样装置的运行方向。
进一步地，基于上述所有的航向角，将上述处理后的每个拆分区间数据再进行合并，已获取包含采样装置的天线绝对轨迹的参数序列Φpara,abs(tl)。
进一步地，再结合采样装置的中心天线坐标和姿态角，计算获取待测轨道的中线绝对轨迹，该绝对轨迹是由所有的轨道中线的绝对坐标所组成的。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中步骤S32可以包括但不限于以下步骤：
步骤S321、以每个相对轨迹子序列区间中的首个采样点为基准，对拆分后的相对轨迹子序列Φpara,rel(tl)进行平移变换：
其中，Ptran为平移变换后的轨迹序列，Prel,i为相对轨迹对应的坐标；
步骤S322、以每个相对轨迹子序列前后两个静止采样点的平面坐标为基准，对平移变换后的轨迹序列Ptran进行平面方向旋转变换后，再以前后两个静止采样点的高程坐标为基准，再进行高程方向的旋转变换：
Protate＝RVRHPtran
其中，Protate为进行高程方向的旋转变换后获取到的轨迹序列，RH为平面方向旋转矩阵，RV为高程方向旋转矩阵；
S323、以首个采样点为中心，以前后两个静止采样点坐标为基准，对轨迹序列Protate的三个方向分别进行缩放变换：
Pabs,i＝k(Protate-Pi)+Pi
k＝(kX,kY,kH)
其中，Pabs,i为缩放变换后的每个所述相对轨迹序列区间的绝对坐标，k为三个方向上的缩放系数，X、Y、H分别为高斯平面坐标系下的正北、正东和垂直高度方向；
S324、将所有的绝对坐标子序列Pabs,i进行拼接，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
具体地，本发明实施例，提供一种获取采样装置的天线中心的绝对轨迹的方法：
首先，以每个拆分区间的第一个停止点为基准，对拆分后的相对轨迹序列进行平移变换；然后以前后两个静止采样点坐标为基准，对经过上一步处理过的相对轨迹序列进行平面方向和高程方向旋转变换；进一步地，以拆分区间的首个采样点为中心，以前后两个静止采样点坐标为基准，对所述轨迹序列Protate的三个方向分别进行缩放变换，其中三个方向分别为X轴方向(正北方向)，Y轴方向(正东方向)和H轴方向(垂直方向)。
最后，将三次变换后的每个相对轨迹子序列区间的绝对坐标子序列Pabs,i进行拼接，获取到待测轨道的中线绝对轨迹。
基于上述实施例的内容。作为一种可选实施例，其中平顺性参数主要包括外部几何参数和内部几何参数，两者综合反映出待测轨道的实际状况。
其中外部几何参数主要包括：待测轨道中的每根轨枕的左轨绝对坐标、右轨绝对坐标、中线绝对轨迹、轨道横向偏差以及轨道垂向偏差等。内部几何参数主要包括：待测轨道中的每根轨枕的左右轨向、左右高低、超高、轨距、扭曲、轨距变化率等。
其中，每根轨枕左轨绝对坐标和每根右轨绝对坐标的获取方法为：
先基于待测轨道的轨距和姿态角观测序列获取每个采样点左轨绝对坐标和采样点右轨绝对坐标：
(Xleft,Yleft,Hleft)为左轨绝对坐标，(Xright,Yright,Hright)右轨绝对坐标，g为轨距测量值；
进一步地，结合所有采样点左轨绝对坐标以及采样点右轨绝对左标，根据轨枕观测序列获取里程-轨枕对照表，并结合设计资料，获取到每根轨枕的左轨绝对坐标、右轨绝对坐标、中线绝对坐标，进而获取轨道横向偏差、轨道垂向偏差和内部几何参数。
如图2所示，本发明实施例还提供一种轨道平顺性测试系统，包括但不限于：
采样装置1、第一运算单元2、第二运算单元3和第三运算单元4；
其中，采样装置1上设置有GNSS接收机11、IMU12、里程计13、轨距测量仪14以及轨枕识别器15，采样装置1可在待测轨道上行走；
其中，GNSS接收机11用于实时获取并反馈采样装置1的位置坐标，IMU12用于获取待测轨道上的姿态角观测序列，里程计13用于获取待测轨道上的里程观测序列，轨距测量仪14用于获取待测轨道上的轨距观测序列，轨枕识别器15用于获取待测轨道上的轨枕观测序列；
所述第一运算单元2用于将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列；
第二运算单元3用于基于GNSS采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹；
第三运算单元4用于根据中线绝对轨迹结合所述姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
具体地，如图3所示，在本实施例中该采样装置1可以是T型小车，在该T型小车上装设有GNSS接收机11、IMU12、里程计13、轨距测量仪14以及轨枕识别器15，还可以增设一个数据采集装置，该数据采集装置与GNSS接收机11、IMU12、里程计13、轨距测量仪14以及轨枕识别器15通信连接，用于对上述所有的装置的工作状态进行控制，并对获取的所有数据进行综合处理。
其中数据采集装置主要用于采集和存储以下数据：IMU观测值、IMU标定值、里程计观测值、轨距观测值、GNSS观测值和轨枕计数。所有的数据均按照类型被组建成相应地观测序列。
进一步地，可以利用IMU观测值和IMU标定值进行IMU数据预处理；利用里程计观测值和GNSS观测值以及设计资料进行里程数据预处理；对轨距观测值进行轨距数据预处理；利用里程计观测值和轨枕计数生成轨枕、里程对照表。
进一步地，将IMU数据预处理结果、里程数据预处理结果和轨距数据预处理结果输入至第一运算单元2，以进行相对轨迹结算，获取采样装置的相对轨迹序列。
进一步的，将上述采样装置的相对轨迹序列结合GNSS观测值，输入至第二运算单元3中，以进行绝对轨迹结算，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
进一步地，将上述待测轨道的中线绝对轨迹和轨枕、里程对照表输入至第三运算单元4中，已进行轨枕坐标结算，获取平顺性参数的部分参数。其中，还可以基于设计资料，获取平顺性参数另一部分。
本发明实施例提供的轨道平顺性测试系统，通过装载有多传感器以及GNSS接收机的采样装置，在待测轨道上采用“停-走-停”的作业模式，并利用融合算法对获取的传感器移动观测数据以及各采样点的绝对坐标进行综合处理，获取待测轨道的平顺性参数，有效的提高了轨道平顺性测试的效率和精度、降低了测试的成本，且对各种复杂环境的适应性强。
为更好的说明本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法及系统相对于现有技术的优势，以下列举出采用本发明实施例和现有技术中的方法分别进行轨道平顺性测试的结果，具体为：
2018年6月11日在济青高铁青州段JQGTSG-05区段(里程DK117+880～DK118+823)利用本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法及系统进行了测试。采用“停-走-停”的作业模式，每间隔约150m停一次进行GNSS静态观测，同时采集了整个测量作业中的GNSS、IMU、里程计、轨距测量仪、轨枕识别器等传感器的数据。通过本发明实施例提供的上述停止点状态参数约束的GNSS/INS与其他传感器移动观测数据融合算法，计算出轨道的外部几何参数和内部几何参数，并结合设计资料计算出横向偏差和垂向偏差。同时，采用安博格GRP1000小车在同区段进行测量。二者横向偏差和垂向偏差对比如图4和图5所示。可以看出，横向偏差和垂向偏差整体变化趋势基本一致，横向互差最大2.3mm，垂向互差最大3.4mm。
如图4和图5所示，为本发明实施例提供的轨道平顺性测试方法与现有技术中轨道测试方法的精度对比图，其中图4为横向偏差对比图，图5为垂向偏差的对比图，由图中可以明显地看出采用本发明实施例所提供的轨道平顺性测试方法相较于采用常规全站仪方法，无论是横向偏差还是垂向偏差测量结果都很接近。
进一步地，统计二者的外部几何参数和内部几何参数测量精度，结果如表1所示。由表1所示，采用本发明实施例所述方法，与现有技术中常规全站仪方法相比，外部几何参数精度相当，内部几何参数精度更高。外部几何参数和内部几何参数精度满足高铁轨道平顺性测量精度要求，可用于高铁轨道的调轨。
通过上述实际测试，充分证实了本申请实施例提供的轨道平顺性测试方法及系统，与现有技术相比具有以下有点和有益效果：
1、本发明实施例采用GNSS/INS与其他传感器移动观测数据融合解算，与常规全站仪方法相比测量效率高，对环境适应性强。
2、本发明实施例与常规方法相比，大幅减少了对CPⅢ控制点的依赖，降低了作业强度。
3、本发明通过停止点状态参数约束的GNSS/INS与其他传感器移动观测数据融合算法，精确测定了轨道外部几何参数和内部几何参数，实现了绝对测量和相对测量的一体化。
其中，表1记载的内容为：
表1两种方法的外部几何参数和内部几何参数测量精度
图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：
S1、利用采样装置在待测轨道上行走采样，获取待测轨道上的姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列。
S2、将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列。
S3、基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
S4、根据中线绝对轨迹结合姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括S1、利用采样装置在待测轨道上行走采样，获取待测轨道上的姿态角观测序列、里程观测序列、轨距观测序列以及轨枕观测序列。
S2、将姿态角观测序列、里程观测序列和轨距观测序列进行内插融合，获取观测集合序列；并基于观测集合序列，获取采样装置的相对轨迹序列。
S3、基于GNSS静止采样点状态参数约束，根据相对轨迹序列，获取待测轨道的中线绝对轨迹。
S4、根据中线绝对轨迹结合所述姿态角观测序列、轨距观测序列、轨枕观测序列和设计资料获取待测轨道的平顺性参数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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