一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置，该方法包括：建立轨检小车坐标系和大地坐标系；通过测量获得轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；选取参考点，并直接测量出参考点在轨检小车坐标系中的初始坐标值和在大地坐标系中的最终坐标值；根据上述相对位置关系以及上述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得最终坐标值的对应关系式；测量轨道检测目标点在轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入上述步骤得出的对应关系式中，获得轨道检测目标点在大地坐标系中的最终坐标值。本发明专利技术通过降维处理，简化了运算过程、提高了计算精度。

A 3D coordinate transformation method and device based on coordinate projection

The present invention provides a three-dimensional coordinate conversion method and device based on this method, including: the establishment of track inspection car coordinates and geodetic coordinate system; the relative position relationship of track inspection car coordinate system and geodetic coordinate system by measuring the selected reference point; and the direct measurement of initial reference point on orbit inspection car coordinates and geodetic coordinate system in the coordinates in the final value; according to the relative position of the reference point coordinates and the initial value and final value for the initial coordinates, the coordinates of any point track inspection car coordinates by coordinate projection, coordinate rotation and translation coordinates obtained after the corresponding relation between the final coordinates the value of the initial target detection; coordinate measurement orbit inspection car coordinates, the corresponding relation between the above steps and substituting, get track detection The final coordinate value of the target point in the geodetic coordinate system. By reducing dimension, the operation process is simplified and the calculation precision is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置
本专利技术涉及铁路轨道平面坐标和高程测量
，尤其涉及一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置。
技术介绍
在铁路轨道静态几何状态检测中，需要通过测量轨道的平面坐标和高程来计算轨道外部几何状态参数，进而反映轨道的平顺性。但是，在实际的轨道状态监测中无法直接测得轨道的平面坐标和高程，需要借助公共点(一般为轨检小车上的棱镜中心点)的坐标，通过三维坐标转换，间接求得轨道的平面坐标和高程。目前的三维坐标转换一般采用坐标旋转法实现。具体而言，首先根据两个三维坐标系的相对位置关系(即旋转角度)得到三个旋转矩阵，再根据公共点的坐标得到三个平移量，最后通过三维空间的坐标旋转、坐标平移实现三维坐标转换。而该坐标旋转法只适用于旋转角度较小的情况，当旋转角度较大时，三维坐标的转换精度就会降低。在实际的轨道状态检测中，旋转角度的取值范围是[0，2π]，无法满足坐标旋转法所需的旋转角度较小的条件。因此，在保证三维坐标转换精度的前提下，有必要寻求一种新的三维坐标转换方法，以解决轨道平面坐标和高程的测量问题。
技术实现思路
本专利技术提供了用于解决现有技术中存在的坐标旋转法适用范围有限或转换精度较低等问题的一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置。本专利技术提供了一种基于坐标投影的三维坐标转换方法，包括：步骤S1：建立轨检小车坐标系和大地坐标系；步骤S2：通过测量获得所述轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；其中相对位置关系包括所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；步骤S3：选取参考点，并直接测量出参考点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值和在所述大地坐标系中的最终坐标值；步骤S4：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得对应的最终坐标值的对应关系式；步骤S5：测量轨道检测目标点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入步骤S4得出的所述对应关系式中，获得轨道检测目标点在所述大地坐标系中的最终坐标值，即所述轨道检测目标点在大地坐标系中的平面坐标和高程。其中，步骤S2中的相对位置关系是指，以大地坐标系为基准，轨检小车坐标系相对于大地坐标系的相对位置关系，具体而言就是，轨检小车坐标系相对于大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角，上述角度均可通过测量仪器直接测量得到。步骤S3中的参考点，则是在轨检小车坐标系中，能够通过直接测量获得轨检小车坐标系坐标值和大地坐标系坐标值的某个点，一般应用中，会选择轨检小车上的棱镜中心点作为该参考点，以方便后续计算和处理。本专利技术提供的方案是将任一点在轨检小车坐标系和大地坐标系中的三维坐标均看成是二维坐标和高程的结合，然后分别推导该点在轨检小车坐标系中的二维坐标与该点在大地坐标系中的二维坐标之间的对应关系和该点在轨检小车坐标系中的高程与该点在大地坐标系中的高程之间的对应关系。这一解决思路使得原本复杂的三维坐标转换处理简化成了二维坐标转换处理和一维坐标值的转换处理，即采用降维处理思路化繁为简，使得整个坐标转换处理方法更加简便，从而提高运算速度，同时也保证了结果转换的准确度。进一步的，所述步骤S1具体为：以轨检小车的双轮梁和单轮梁的交点为坐标原点O，以双轮梁所在直线为X轴，以单轮梁所在直线为Y轴，以Z轴垂直于XOY平面建立轨检小车坐标系OXYZ，其中，以轨道里程增加方向为X轴正轴方向，以所述单轮梁相对于坐标原点O所在方向为Y轴正轴方向，以垂直于XOY平面向上的方向为Z轴正轴方向；以地心大地坐标系OENH为所述大地坐标系。在实际应用中，需要保持轨检小车的双轮梁位于铁轨线路左轨上。进一步的，所述步骤S2具体为：通过直接测量获得所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；其中，水平倾角是指Y轴与EON平面的夹角，高低倾角是指X轴与EON平面的夹角，方位角是指X轴投影到EON平面后的X’轴与N轴的夹角。在实际应用中，水平倾角、高低倾角和方位角自带正负符号，为方便计算，专利技术人规定，沿轨道里程增加方向，右轨高时，水平倾角取正值；线路上坡时，高低倾角取正值；当X’轴通过逆时针方向旋转能够与N轴重合时，方位角取正值。进一步的，所述步骤S4包括：步骤S4.1：将所述轨检小车坐标系OXYZ中的XOY平面投影到大地坐标系OENH的EON平面上获得X1O1Y1平面，并通过所述初始坐标值求取所述参考点在X1O1Y1平面内的第一投影点在二维坐标系X1O1Y1中的第一坐标值；具体而言，先根据参考点在轨检小车坐标系中的已知坐标值，推导出该参考点在XOY平面上的第二投影点在轨检小车坐标系中的坐标值；然后通过第二投影点在轨检小车坐标系中的坐标值推导出该参考点与其在X1O1Y1平面内的第一投影点的连线与XOY平面的交点在轨检小车坐标系中的坐标值；最后通过该交点的坐标值推导出第一投影点在二维坐标系X1O1Y1中的第一坐标值。步骤S4.2：以原点O1为圆心，旋转二维坐标系X1O1Y1得到新的二维坐标系X2O2Y2，并通过所述第一坐标值求取所述参考点在X2O2Y2平面内的第一投影点在二维坐标系X2O2Y2中的第二坐标值；其中，X2轴与大地坐标系OENH中的N轴平行，Y2轴与大地坐标系OENH中的E轴平行，旋转角度为步骤S2中获得的方位角；步骤S4.3：将X2O2Y2平面进行坐标平移得到X3O3Y3平面，使所述X3O3Y3平面与大地坐标系中的EON平面重合，根据所述参考点在大地坐标系OENH中的坐标值和在平移得到的所述第一投影点在二维坐标系X3O3Y3中的第三坐标值，求取X2O2Y2平面的平移量；具体而言，因为X3O3Y3平面与大地坐标系中的EON平面重合，所以第三坐标值等于参考点大地坐标系中坐标值的平面坐标值，而第三坐标值等于步骤S4.2获得的第二坐标值加上平移量，故可以推算出平移量的值。步骤S4.4：根据步骤S4.1至步骤S4.3中所述参考点在各个坐标系中的坐标值以及所述平移量，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式；步骤S4.5：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点在大地坐标系的最终坐标值，求取所述参考点在所述轨检小车坐标系XOY平面上的第二投影点在所述大地坐标系中H轴上的第四坐标值，即第二投影点的高程；具体的，根据参考点的初始坐标值和最终坐标值，可以求得第二投影点在大地坐标系内的H轴上的第四坐标值，即高程。步骤S4.6：根据所述轨检小车坐标系中任一点与所述第二投影点的相对关系，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式；具体而言，首先推导出轨检小车坐标系内任一点与第二投影点的高程差值的表达式，然后求取该高程差值与第二投影点高程的和，就能得到任一点的初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值对应的关系式。步骤S4.7：根据步骤S4.4获得的所述初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式和步骤S4.6获得的所述初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于坐标投影的三维坐标转换方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立轨检小车坐标系和大地坐标系；步骤S2：通过测量获得所述轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；其中相对位置关系包括所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；步骤S3：选取参考点，并直接测量出参考点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值和在所述大地坐标系中的最终坐标值；步骤S4：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得对应的最终坐标值的对应关系式；步骤S5：测量轨道检测目标点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入步骤S4得出的所述对应关系式中，获得轨道检测目标点在所述大地坐标系中的最终坐标值，即所述轨道检测目标点在大地坐标系中的平面坐标和高程。

【技术特征摘要】
1.一种基于坐标投影的三维坐标转换方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立轨检小车坐标系和大地坐标系；步骤S2：通过测量获得所述轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；其中相对位置关系包括所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；步骤S3：选取参考点，并直接测量出参考点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值和在所述大地坐标系中的最终坐标值；步骤S4：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得对应的最终坐标值的对应关系式；步骤S5：测量轨道检测目标点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入步骤S4得出的所述对应关系式中，获得轨道检测目标点在所述大地坐标系中的最终坐标值，即所述轨道检测目标点在大地坐标系中的平面坐标和高程。2.根据权利要求1所述的三维坐标转换方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：以轨检小车的双轮梁和单轮梁的交点为坐标原点O，以双轮梁所在直线为X轴，以单轮梁所在直线为Y轴，以Z轴垂直于XOY平面建立轨检小车坐标系OXYZ，其中，以轨道里程增加方向为X轴正轴方向，以所述单轮梁相对于坐标原点O所在方向为Y轴正轴方向，以垂直于XOY平面向上的方向为Z轴正轴方向；以地心大地坐标系OENH为所述大地坐标系。3.根据权利要求2所述的三维坐标转换方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：通过直接测量获得所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；其中，水平倾角是指Y轴与EON平面的夹角，高低倾角是指X轴与EON平面的夹角，方位角是指X轴投影到EON平面后的X’轴与N轴的夹角。4.根据权利要求3所述的三维坐标转换方法，其特征在于，所述步骤S4包括：步骤S4.1：将所述轨检小车坐标系OXYZ中的XOY平面投影到大地坐标系OENH的EON平面上获得X1O1Y1平面，并通过所述初始坐标值求取所述参考点在X1O1Y1平面内的第一投影点在二维坐标系X1O1Y1中的第一坐标值；步骤S4.2：以原点O1为圆心，旋转二维坐标系X1O1Y1得到新的二维坐标系X2O2Y2，并通过所述第一坐标值求取所述参考点在X2O2Y2平面内的第一投影点在二维坐标系X2O2Y2中的第二坐标值；其中，X2轴与大地坐标系OENH中的N轴平行，Y2轴与大地坐标系OENH中的E轴平行，旋转角度为步骤S2中获得的方位角；步骤S4.3：将X2O2Y2平面进行坐标平移得到X3O3Y3平面，使所述X3O3Y3平面与大地坐标系中的EON平面重合，根据所述参考点在大地坐标系OENH中的坐标值和在平移得到的所述第一投影点在二维坐标系X3O3Y3中的第三坐标值，求取X2O2Y2平面的平移量；步骤S4.4：根据步骤S4.1至步骤S4.3中所述参考点在各个坐标系中的坐标值以及所述平移量，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式；步骤S4.5：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点在大地坐标系的最终坐标值，求取所述参考点在所述轨检小车坐标系XOY平面上的第二投影点在所述大地坐标系中H轴上的第四坐标值，即第二投影点的高程；步骤S4.6：根据所述轨检小车坐标系中任一点与所述第二投影点的相对关系，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式；步骤S4.7：根据步骤S4.4获得的所述初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式和步骤S4.6获得的所述初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式，合并得到所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值与对应的最终坐标值的对应关系式。5.一种基于坐标投影的三维坐标转换装置，其特征在于，包括：坐标系建立模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一军，柳成凤，刘桂波，杨洋，桂中玮，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43