一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法
阅读说明：本技术 一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法 (Method for evaluating track smoothness by using Beidou positioning equipment and inertial navigation system ) 是由 王国祥 郑子天 刘志鹏 梅熙 赖鸿斌 陈海军 刘畅 赵龙 杨锋 刘竹均 曹体涛 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及轨道技术领域,具体涉及一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法。采用惯导系统与流动站测量铁路轨道上的测量坐标,使用北斗定位设备接收铁路轨道上的测量坐标,将由两种方式得到的测量坐标均转化为线路坐标之后进行融合,得到精度更高的线路坐标,使用该精度更高的线路坐标进行铁路轨道的平顺性评价,本发明所提供的方法无需使用全站仪进行设站测量,不仅节约了测量时间,提高了测量效率,还能够保证测量结果的精度。(The invention relates to the technical field of tracks, in particular to a method for evaluating the smoothness of a track by using Beidou positioning equipment and an inertial navigation system. The method comprises the steps of measuring a measurement coordinate on a railway track by adopting an inertial navigation system and a mobile station, receiving the measurement coordinate on the railway track by using Beidou positioning equipment, converting the measurement coordinate obtained by the two modes into a line coordinate, then fusing the line coordinate to obtain a line coordinate with higher precision, and evaluating the smoothness of the railway track by using the line coordinate with higher precision.)
技术领域
本发明涉及一种评价轨道平顺性的方法，特别是一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法。
背景技术
在铁路轨道使用一段时间后需要测量铁路轨道上多个点的位置，以及该位置处的里程、航向角与俯仰角，以判断铁路轨道的平顺性是否仍满足使用要求。
目前多利用现有技术(如中国专利公开号CN209553210U)中所提供的具有的惯导轨道几何状态动态检测仪(以下简称惯导小车)，惯导小车上安装有惯性导航设备以及里程计，能够记录惯导小车沿铁路轨道行走时，每个轨道点的里程，利用CPIII控制点与全站仪沿铁路轨道进行设站，可以测得设站点的横向偏差以及高程偏差，再结合惯导小车所记录的所有轨道点位置处的里程，便能够得到铁路轨道上各点的线路坐标(包括里程，横向偏差与高程偏差)，通过线路坐标便能够评价铁路轨道的平顺性。其中CPIII控制点布置在铁路轨道的两侧，能够用于测量设站点的位置；除CPIII控制点外，铁路两侧还设置有CPII控制点，利用CPII控制点测得的设站点的位置精度相对较低。
由于上述方法在得到设站点的线路坐标时用到了CPIII控制点，测得的设站点的线路坐标的精度高，但是每隔一段距离需要使用全站仪进行设站测量的操作，因此测量效率低。此外，对于测量结果的精度要求相对较低的有砟轨道上各点的坐标时，可利用CPII控制点进行测量。
目前采用北斗定位设备能够测量轨道上各点的测量坐标(在测量坐标系中的坐标)，利用现有的方法可将轨道上各点的测量坐标转化为线路坐标。直接利用北斗定位设备快速测得的轨道上各点的测量坐标具有测量值精度较低且测量值在真实值附近上下波动的特点；总体上，测量值与真实值之间的误差服从均值为0的正态分布。
发明内容
本发明的目的在于：针对采用现有技术测量有砟铁路轨道的轨道点的线路坐标时，采用惯导小车结合全站仪设站测量的方法效率低，采用北斗定位设备测量的坐标精度低的问题，提供一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法，采用惯导系统，所述惯导系统包括惯性导航设备、惯导小车与里程计，所述惯性导航设备与所述里程计安装在所述惯导小车上；所述惯导小车上还设置有北斗定位设备与流动站，所述北斗定位设备能够得到自身位置处的测量坐标；CPII控制点处设置有基准站；包括如下步骤：
S1：初始化惯导系统，调试北斗定位设备，使北斗定位设备接收的测量坐标满足精度要求；使所述惯导小车从待测铁路轨道段的起点向待测轨道段的终点行走，在所述惯导小车从待测铁路轨道段的起点向待测轨道段的终点行走过程中，由北斗定位设备接收的测量坐标记为第一测量坐标，由惯导系统与流动站测得的测量坐标记为第二测量坐标；由里程计采集待测铁路轨道段上各点的里程、航向角与俯仰角；
S2：将所述第一测量坐标转换为线路坐标，并记为第一线路坐标；将所述第二测量坐标转换为线路坐标，并记为第二线路坐标；
S3：将所述第一线路坐标与所述第二线路坐标进行融合，得到第三线路坐标；
S5：利用所述第三线路坐标与待测铁路轨道段上各点的里程、航向角以及俯仰角进行待测铁路轨道段的平顺性评价。
采用上述技术方案对精度要求不高的有砟段铁路轨道的平顺性进行评价，无需使用全站仪进行设站测量，节约了测量时间，提高了测量效率，通过利用惯性系统测量的测量坐标连续性好与北斗定位设备接收的测量坐标的误差均值为零的特点，同时利用惯导系统与北斗定位设备采集待测铁路轨道上各点的测量坐标，之后将测量坐标转化为线路坐标，并将通过北斗定位设备与通过惯导系统得到的线路坐标进行融合，得到第三线路坐标，第三线路坐标具有连续性好且与真实值的偏差小的特点，再通过第三线路坐标与待测铁路轨道段上各点的里程、航向角与俯仰角评价待测铁路轨道段的平顺性。采用上述方法，不仅能够缩短测量时间，提高测量效率，还能够保证测量结果的精度。
作为本发明的优选方案，所述S1中，在所述惯导小车从待测铁路轨道段的起点向待测轨道段的终点行走过程中，以至少40Hz的频率通过所述惯导系统、所述流动站与所述里程计同步采集铁路轨道上各位置的测量坐标、里程、航向角与俯仰角；
惯导小车每行走T1距离，停下惯导小车20秒至30秒，在停下处使用北斗定位设备多次接收该处铁路轨道的测量坐标并取均值，并将每次取得的均值均作为第一测量坐标；其中，北斗定位设备接收测量坐标的频率不低于1Hz，T1的取值范围为120m-180m。
上述技术方案中，仅每间隔一段距离由北斗定位设备接收铁路轨道的测量坐标，因此需要在该位置接收多次测量坐标之后取均值，以保证后续融合过程中，能够得到精度较高的第三线路坐标，确保对待测铁路轨道段的平顺性评价结果接近实际情况。
作为本发明的优选方案，所述S3中，所述融合方式为：利用所述第一线路坐标对所述第二线路坐标进行二维坐标系间的变换，得到第三线路坐标，使所述第三线路坐标与所述第一线路坐标位于同一坐标系内，且由所述第三线路坐标连成的曲线能够穿过所述第一线路坐标。
利用由北斗定位设备得到的线路坐标对由惯导系统以及流动站得到的第二线路坐标进行二维坐标系间的变换，得到的第三线路坐标在具有第二线路坐标连续性好的同时，还具有第一线路坐标在真实值上下波动、均值为零的特点，使第三线路坐标精度更高。
作为本发明的优选方案，所述S1中，在所述惯导小车从待测铁路轨道段的起点向待测轨道段的终点行走过程中，以至少40Hz的频率通过所述惯导系统、所述流动站与所述里程计同步采集铁路轨道上各位置的测量坐标、里程、航向角与俯仰角，并将采集的测量坐标作为第二测量坐标；所述北斗定位设备以至少1Hz的频率接收铁路轨道上各位置的测量坐标，并将接收到的测量坐标作为第一测量坐标；在待测铁路轨道段的起点位置处使用北斗定位设备多次接收第一测量坐标，并将起点位置处所有第一测量坐标的均值记为第三测量坐标；在待测铁路轨道段的终点位置处停下惯导小车，并使用北斗定位设备多次接收第一测量坐标，将终点位置处所有第一测量坐标的均值记为第四测量坐标。在所述S2中，将所述第三测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标记为第四线路坐标，将所述第四测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标记为第五线路坐标；在所述S3中，使用所述第一线路坐标、第四线路坐标、所述第五线路坐标与所述第二线路坐标进行融合，得到所述第三线路坐标。
上述技术方案在采集待测铁路轨道段上各位置的测量坐标时，仅需在待测铁路轨道段的终点处停下惯导小车，测量效率更高；北斗定位设备接收测量坐标的频率至少为1Hz，能够提供足够多的第一测量坐标数量；还在待测铁路轨道段的起点与终点位置处使用北斗定位设备多次接收测量坐标，并将起点处与终点处接收到的测量坐标分别求均值，之后参与S中的融合过程，提高了S3中的融合之后得到的第三线路坐标的精度，确保对待测铁路轨道段的平顺性评价更加接近实际情况。
作为本发明的优选方案，所述北斗定位设备以40Hz的频率接收铁路轨道上各点的测量坐标。
作为本发明的优选方案，所述S3中，所述融合方式为：将待测铁路轨道段划分为多个区间，每个区间的长度为T2，T2的取值范围为350m-450m；对所述第四线路坐标、所述第五线路坐标以及每个区间内的所述第一线路坐标进行带条件的间接平差，使每个区间内的所述第一线路坐标平差后的结果能够连成一条直线段，使所有区间内的所述直线段能够连成一条连续的折线段，所述折线段的两端点分别为第四线路坐标与第五线路坐标所表示的点；利用所述折线段对第二线路坐标进行二维坐标系间的变换，得到第三线路坐标，使所述第三线路坐标与所述折线段位于同一坐标系，且所述第三线路坐标所连成的曲线的端点与所述折线段的两端重合。
由于待测铁路轨道段本身可能存在弯曲，通过将待测铁路轨道段划分为多个区间，对每个区间内的第一线路坐标进行平差，因为待测铁路轨道本身是连续的，因此相邻区间内的第一线路坐标进行平差后得到的直线段也应该首尾相连，得到折线段，通过将折线段与第二线路坐标融合，能够避免待测铁路轨道段为圆弧段时得到的第三线路坐标不能反映待测铁路轨道段上各点的实际位置。
作为本发明的优选方案，在待测铁路轨道段的终点位置处使用北斗定位设备连续接收第一测量坐标的时间为20-40秒。
作为本发明的优选方案，初始化所述惯导系统的位置为待测铁路轨道段的起点，初始化惯导系统的同时调试北斗定位设备。
惯导系统在待测铁路轨道段的起点进行初始化，同时在该处进行北斗定位设备的调试，若北斗定位设备的精度满足要求，则用于判断北斗定位设备精度的测量坐标的均值可记为第三测量坐标参与后续的计算，避免后续仍然需要在待测铁路轨道段的起点处使用北斗定位设备多次接收该处测量坐标的情况，节约了测量时间，提高了测量效率。
作为本发明的优选方案，在所述S1中，所述精度要求为使用北斗定位设备在同一位置多次接收的测量坐标的中误差小于或等于5mm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
提供了一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法，通过由北斗定位设备得到的线路坐标与由惯导系统得到的线路坐标相融合，得到精度更高的线路坐标，能够用于评价有砟段铁路轨道的平顺性。上述技术方案相较于现有技术，在提高了测量效率还保证了测量结果的精度。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明实施例1中融合得到第三线路坐标的示意图；
图3是本发明实施例2中融合得到第三线路坐标的示意图。
图标：11-第一线路坐标；14-第四线路坐标；15-第五线路坐标；21-曲线一；22-曲线二；23-曲线三；24-曲线四；25-折线段。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种利用北斗定位设备和惯导系统评价轨道平顺性的方法，用于评价对精度要求不高的有砟轨道(列车通行速度小于160Km/h的有砟轨道)的平顺性，采用能够获得自身测量坐标的北斗定位设备、利用RTK(Real Time Kinematic，实时动态定位技术)测量方法中设置基准站与流动站以获取流动站坐标的方法、通过流动站以及惯导系统得到测量坐标的方法，其中惯导系统包括现有技术(如中国专利公开号CN209553210U)中所提供的惯导轨道几何状态动态检测仪(以下简称惯导小车)、安装于惯导小车上的里程计以及安装于惯导小车上的惯性导航设备。惯导系统能够测量惯导小车所处位置的相对坐标。铁路轨道两侧的CPII控制网中的CPII控制点的绝对位置信息已知，通过在铁路轨道两侧的CPII控制网中的CPII控制点处设置基准站，在惯导小车上设置流动站，再结合惯导系统测得的惯导小车所处位置的相对坐标，便能够得到惯导小车所处位置的测量坐标。
由惯导系统结合流动站测得的测量坐标连续性好，但是与真实位置的偏差越来越大；考虑到测量时会对惯导系统在测量区间测量的数据加上首尾约束，因此由基准站、流动站以及惯导系统所测量的测量坐标的偏差会先增加再减少。将北斗定位设备设置在惯导小车上，能够在惯导小车沿铁路轨道行走时接收惯导小车处铁路轨道的测量坐标。由北斗定位设备测得的测量坐标精度较低且测量值在真实值附近上下波动的特点；总体上，测量值与真实值之间的误差服从均值为0的正态分布。
通过惯导小车中的里程计以及铁路线路设计文件，还能够获得惯导小车在铁路轨道上每个位置的里程、各个位置处的航向角、俯仰角等用于评价铁路轨道平顺性的数据信息。
如图1所示，进行轨道平顺性评价的方法包括步骤S1：在惯导系统工作前，需要先对其进行初始化，所谓初始化是指对惯导系统进行对准，使惯导系统能够开始工作；初始化所需的时间大致为10分钟。在对惯导系统进行初始化的过程中可对北斗定位设备接收的测量坐标进行精度评价，具体方式为利用北斗定位设备在同一位置多次接收该位置的测量坐标(如，在10分钟内每30秒接收一次北斗定位设备所在的测量坐标)，对接收到的多个测量坐标进行中误差计算，若中误差不大于5mm，则北斗定位设备接收的测量坐标满足精度要求；否则不满足精度要求，需要对北斗定位设备进行调试，直至北斗定位设备接收的测量坐标满足精度要求为止。
为了提高测量的效率，可在待测铁路轨道段(需要进行平顺性评价的一段铁路轨道)的起点对惯导系统进行初始化，此时北斗定位设备也位于待测铁路轨道段的起点，在对北斗定位设备接收的测量坐标进行精度评价时，若北斗定位设备接收的数据满足精度要求，则将北斗定位设备在该位置接收到的测量坐标求均值后记为第一测量坐标；若不满足精度要求，则需要对北斗定位设备进行调试，直至满足精度要求为止，并将北斗定位设备满足精度后在该位置接收的所有测量坐标的均值记为第一测量坐标。
惯导小车完成初始化之后，使惯导小车在待测铁路轨道段上，从待测铁路轨道段的起点向待测铁路轨道段的终点行走，在惯导小车行走的过程中，里程计以至少40Hz的频率采集铁路轨道上各位置处的里程、航向角、俯仰角，惯导系统与流动站以与里程计相同的频率同步采集待测铁路轨道段上各点的测量坐标，并将采集的测量坐标均记为第二测量坐标。
S2：惯导小车每行走T1距离(120m-180m)，停下惯导小车20秒至30秒，在停下处使用北斗定位设备多次接收该处铁路轨道的测量坐标并取均值，其中，北斗定位设备接收测量坐标的频率不低于1Hz，每次在停留处所获得的均值均记为第一测量坐标。重复上述步骤，直至惯导小车行走至待测铁路轨道段的终点。
S3：将所有第一测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标均记为第一线路坐标11；将所有第二测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标均记为第二线路坐标，具体可参考《铁道工程测量》(铁道出版社，2008)一书中关于轨道线路坐标与测量坐标的转换方法。
S4：利用第一线路坐标11对第二线路坐标进行二维坐标系间的变换，得到第三线路坐标，第三线路坐标与第一线路坐标11位于同一坐标系内，且第三线路坐标连成的曲线二22能够穿过所有第一线路坐标11，具体可参照《控制测量学》(武汉大学出版社)中所记载的关于二维坐标系间的变换的方法，虽然线路坐标包含了三个向量，但是分为两次对线路坐标中的向量进行变换即可。由第二线路坐标连成的曲线一21、由第三线路坐标连成的曲线二22以及第一线路坐标11如图2所示。
S5：利用S4中得到的待测铁路轨道段上各点的第三线路坐标以及该点处的航向角和俯仰角评价待测铁路轨道段的平顺性。
上述步骤中，为了使对待测铁路轨道段的平顺性评价更加准确，可在待测铁路轨道段的起点与终点处均使用北斗定位设备多次接收测量坐标，并将每处接收到的测量坐标的均值均记为第一测量坐标，并参与S3至S5中的计算。
需要对上述方法进行说明的是，对线路坐标和测量坐标求均值均是对坐标中相对应的向量求均值，以线路坐标为例，分别对各个线路坐标中的里程、横向偏差、高程偏差求均值，再将里程的均值、横向偏差的均值与高程偏差的均值组成各个线路坐标求均值后的线路坐标。
实施例2
本实施例得到铁路轨道上各位置处的测量坐标与线路坐标的原理均与实施例1中的原理相同，本实施例与实施例1的区别在于使用北斗定位设备接收铁路轨道上各点的测量坐标的方式不同。具体地，本实施例中利用北斗定位数据进行轨道平顺性评价的方法包括：
S1：在惯导系统工作前，需要先对其进行初始化，所谓初始化是指对惯导系统进行对准，使惯导系统能够开始工作；初始化所需的时间大致为10分钟。
在惯导系统初始化的过程中，可对北斗定位设备接收的测量坐标进行精度评价，具体方式为利用北斗定位设备多次接收该位置处铁路轨道的测量坐标(如，在10分钟内每30秒接收一次铁路轨道在该位置处的测量坐标)，对接收到的多个测量坐标进行中误差计算，若中误差不大于5mm，则北斗定位设备接收的测量坐标满足精度要求；否则不满足精度要求，需要对北斗定位设备进行调试，直至北斗定位设备接收的测量坐标满足精度要求为止。
惯导小车完成初始化过程后，使惯导小车在待测铁路轨道段上，从待测铁路轨道段的起点向待测轨道段的终点方向行走，行走过程中通过惯导系统与所述流动站测量铁路轨道上各点的测量坐标，并将测量得到的测量坐标均记为第二测量坐标；惯导小车在行走的过程中使用北斗定位设备接收铁路轨道上多个点的测量坐标并均记为第一测量坐标；且北斗定位设备接收测量坐标的同时，惯导系统与流动站测得测量坐标，惯导系统与流动站测得测量坐标的频率不低于北斗定位设备接收测量坐标的频率。北斗定位设备接收测量坐标的频率不低于1Hz，若北斗定位设备接收测量坐标的频率能够达到40Hz及以上时，采用40Hz的频率接收测量坐标；在待测铁路轨道段的终点处，停下惯导小车20-40秒，采用北斗定位设备多次接收该位置铁路轨道的第一测量坐标，并将接收到的多个第一测量坐标的均值记为第四测量坐标。在待测铁路轨道段的起点位置也应采用北斗定位设备多次接收该位置铁路轨道的第一测量坐标，并将接收到的多个第一测量坐标的均值记为第三测量坐标，通过第三测量坐标与第四测量坐标能够提高后续步骤中第三线路坐标的精度。当然，若惯导系统初始化的位置为待测铁路轨道段的起点，则可直接将北斗定位设备满足精度要求时所接收的多个测量坐标的均值记为第三测量坐标。
S2：将所有第一测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标均记为第一线路坐标11；将第二测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标记为第二线路坐标；将第三测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标记为第四线路坐标14；将第四测量坐标转化为线路坐标，并将得到的线路坐标记为第五线路坐标15。
S3：将待测铁路轨道段划分为多个区间，每个区间的长度为T2，T2以350m-450mm为宜；对第四线路坐标14、第五线路坐标15以及每个区间内的第一线路坐标11进行带条件的间接平差，使每个区间内的第一线路坐标11进行平差后能够连成一条直线段，相邻两区间的两条直线段首尾相连，最终连成一条连续的折线段25，折线段25的两端分别为第四线路坐标14与第五线路坐标15所表示的点。
S4：利用S3中得到的折线段25对第二线路坐标进行二维坐标系间的变换，得到第三线路坐标，第三线路坐标与S2中的折线段25位于同一坐标系，且由第三线路坐标所连成的曲线四24的端点与S3中折线段25的两端重合，具体可参照《控制测量学》(武汉大学出版社)中所记载的关于二维坐标系间的变换的方法。由第二线路坐标连成的曲线三23、由第三线路坐标连成的曲线四24以及S3中的折线段25如图3所示。
S5：利用S4中得到的待测铁路轨道段上各点的第三线路坐标以及该点处的航向角和俯仰角评价待测铁路轨道段的平顺性。
本实施例中所采用的轨道平顺性评价的方法与实施例1中的轨道平顺性评价的方法相比，由于本实施例中仅在惯导小车初始化、以及惯导小车行走至待测铁路轨道段的终点处时才需要使惯导小车处于静止状态并使用北斗定位设备多次接收测量坐标，因此，相较于实施例1中的方法，本实施例所采用的方法花费在北斗定位设备接收测量坐标上的时间更短，测量效率更高；
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种用于测量洞室围岩变形的装置