一种卫星导航与惯性测量组合轨道测量系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星导航与惯性测量组合轨道测量系统与方法，系统包括测量单元和数据后处理单元，测量单元包括两个卫星导航与惯性测量组合轨道测量设备，两设备放在两根单轨上，牵引设备牵引卫星导航与惯性测量组合系统，实时在线测量和记录双轨几何状态和设备运行状态的原始数据，并将其通过数据后处理单元离线处理。方法包括对原始测量数据预处理，建立方向里程测量曲线和理想曲线，计算轨向绝对和相对不平顺，建立倾斜角里程测量曲线和倾斜角理想曲线，计算高低绝对和相对不平顺。本发明专利技术通过采用在线数据采集，离线数据处理模式和双轨平行测量模式，确定轨道外部几何信息和内部几何不平顺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于轨道检测
，特别涉及一种利用GPS、北斗、GLONASS, Galileo等卫星导航与惯性测量组合系统检测轨道外部几何形状及内部不平顺的系统与测量方法。
技术介绍
对于高速铁路来说，轨道的外部几何形状及内部高平顺性是保证动车的快速、平稳、舒适、安全和经济运行的关键。保持轨道的高平顺性是高铁轨道养护的宗旨，对轨道不平顺的精密检测则是轨道维护工作的关键。目前高铁对检测设备所提出的严格要求已超出了传统检测设备的能力，检测设备技术滞后已成为阻碍我国高速铁路今后持续健康发展的一个瓶颈。多年来，国内外都在积极开展静态轨道不平顺检测技术、方法和设备的研究，目前以使用激光测量技术为主，但至今为止，收效甚微。激光测量技术是一种相对测量技术，需要依靠基准点作为参照坐标，最常用的检测手段是，使用全站仪和CPIII控制点测量轨道上观测点的绝对位置坐标或相对位置坐标，通过参考设计线路位置坐标确定轨道的不平顺。全站仪是一种精度较高的位置测量设备，但具有许多弊病。首先它的作用范围有限，最长测量距离仅为100米左右，其次位置测量精度受到测量距离的影响，测量距离越大，位置精度就越低，同时受到外界环境和人为因素的影响也很大。使用激光技术测量轨道线路需要CPIII控制网配合使用，CPIII控制网建设和维护成本要远大于测量成本，同时也增加了工作量，降低了测量速度和测量精度。另外，若要依靠位置测量确定轨道不平顺，还需依靠设计线路作为检测基准。使用这种方式只能确定轨道在位置上的绝对偏差或相对偏差，不是真正意义上的不平顺。这些偏差往往要大于实际轨道的不平顺，大幅度地增加了轨道维护工作的成本和难度，甚至会超出调轨范围，无法达到应有的维修效果。目前存在许多测量轨道不平顺的方法，例如，弦测法、长弦测量法、惯性基准法和绝对测量法等。除了绝对测量法外，其它测量法均属于相对测量法，以测量位移或位置偏差为手段。因为相对测量法仅考虑轨道局部的内部几何状态，不考虑全局的外部几何形状，也就不能区分测量数据中的设计信息和非设计信息，轨道不平顺属于非设计信息中的一部分。因此，使用位移测量方法是不能准确测量轨道不平顺的。相对测量只能保证短波不平顺的准确性，不能保证长波不平顺的准确性。绝对测量法的特性则相反，它虽然可以较为准确地测量轨道的绝对不平顺，但是相对不平顺，特别是短波的不平顺的测量结果是不够准确的。传统检测方法都是以位置测量和位置对比为手段的。因为每个测量点位置信息彼此是独立的，所有位置测量数据之间缺乏相关性，因而很难共同处理。轨道不平顺描述的是一种线路形状变化属性，与位置无关，也是位置测量数据中所不包含的信息。所以，人们无法直接从位置测量数据中提取不平顺数值，仅能依靠几何函数和参考数据进行近似模拟，几何函数同时处理多个测量点位置信息的能力十分有限，准确度和精度都会随着处理数据的增大而降低，这是为什么传统检测方法无法精确测量轨道不平顺的根本原因。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，本专利技术利用航空导航测量系统——双天线GPS惯性测量组合设备和单轨测量小车，以IOOHz的速率，实现对轨道全方位信息的实时测量和数据记录，然后使用后处理软件对测量数据进行离线处理，计算有关轨道线路的外部几何信息，如位置，线型和线型参数，以及轨道内部几何信息，如轨向不平顺、高低不平顺、水平不平顺和三角坑等，生成检测结果报表和提供轨道维修方案。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的。一种卫星导航与惯性测量组合轨道测量系统，包括测量单元和数据后处理单元，所述测量单元包括两个独立的卫星导航与惯性测量组合设备，该两个测量设备分别安放在两根单轨上，通过牵引设备牵引两个独立的卫星导航与惯性测量组合设备沿钢轨平稳运行，用于在线连续测量设备沿双轨运行时的几何信息和物理信息，实时记录原始数据，并将该原始测量数据通过数据后处理单元进行离线处理。本专利技术设备所述进一步的特征在于:所述牵引设备为一便携式轨道牵引小车，包括侧部敞开的车厢、车厢底部设置双轨轮，在车厢内设有动力系统、操纵机构和载人座位。所述卫星导航与惯性测量组合设备为一单轨式测量小车，包括一个与单轨非接触的双天线GPS惯性测量中心、置于其两侧通过主板连接的一对车轮组，以及位于车轮组两侧的一对GPS天线。所述一对GPS天线通过天线支架与单轨非接触性连接,天线支架上设有与便携式轨道牵引小车相连的拉环。所述车轮组通过轮支架架设于单轨上，通过主轮与单轨轨面相接，通过轮支架连接侧轮与单轨侧部相接。所述双天线GPS惯性测量中心包括一嵌入式计算机，以及与该嵌入式计算机分别相连的双天线卫星导航GPS接收机、3个陀螺仪、3个加速度计、I个里程计、I个轨枕识别器，以及SD读卡器、USB接口、RS232串口、信号灯以及电源插头和蓄电池，所述双天线卫星导航GPS接收机与2个GPS天线相连。所述双天线GPS惯性测量中心测量并记录GPS数据、惯性测量数据和里程计与轨枕识别器所输出的信号数据，用于后期离线处理，计算出有关轨道线路的外部几何信息和内部几何信息。所述里程计设置于车轮组两侧，里程计包括一穿过及车轮组的发射光源和一对接收极。所述轨枕识别器设置于与轨枕相平行的双天线GPS惯性测量中心靠近轨道单轨的内侧，轨枕识别器通过2个反射式光电开关确定螺旋道钉的位置、轨枕编号、运行方向和轨枕里程。相应地，本专利技术还给出了一种卫星导航与惯性测量组合轨道测量方法，包括下述步骤:A.对原始测量数据进行预处理，导出对应每个轨枕位置的序列号、里程、GPS数据、水平方向角和倾斜角等测量数据；B.基于里程和水平方向角建立方向测量曲线，并根据方向测量曲线的变化征建立方向理想曲线；C.计算轨向绝对不平顺和轨向相对不平顺；D.基于里程和倾斜角建立倾斜角测量曲线，并根据倾斜角测量曲线的变化特征，建立倾斜角理想曲线；E.计算高低绝对不平顺和高低相对不平顺。通过对左右钢轨轨向不平顺和高低不平顺的处理，确定双轨间的不平顺信息，如轨距变化量、水平不平顺和三角坑等，在后处理软件中，实现用图像形式显示各种测量数据、理想数据、平顺数据和不平顺数据，并实现放大、缩小和比较功能，便于数据分析。其中，所述GPS数据包括时间、位置、速度、方向和倾斜角，所述惯性测量原始数据包括时间、三轴角速度和三向加速度；所述外部几何信息包括位置坐标，不同线段的线型和线型参数；所述内部几何信息包括轨向不平顺、高低不平顺和轨底坡不平顺；所述方向变量理想曲线中包含被测线路在水平面中的线型、长度、圆弧半径外部几何特征。本专利技术的有益效果在于:用形状代替位置描述和分析轨道线路，确定轨道外部几何和内部几何信息。轨道线路的形状可被看成是由设计形状和非设计形状组成。设计形状与非设计形状的区别在于，设计形状具有非周期性变化属性，而非设计形状则具有周期性形状变化属性。因此，可根据形状变化是否呈周期性，剥离出形状测量数据中设计形状和非设计形状。因为能够直接从测量数据中获得形状设计信息，因此可节省设计数据的引进。轨道线路的设计形状特征十分明显，必须是直线型、圆弧型和过渡型(3次抛物线)中的一种。此三种线型都无周期性形状变化特征，且形状变化特征各有不同，可根据形状变化测量数据直接确定被测线路的线型和相应线型参数，建立与测量形状最相符合的由三种线型所组成的理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星导航与惯性测量组合轨道测量系统，包括测量单元和数据后处理单元，其特征在于，所述测量单元包括两个独立的卫星导航与惯性测量组合设备，该两个测量设备分别安放在两根单轨（15）上，通过牵引设备牵引两个独立的卫星导航与惯性测量组合设备，用于在线连续测量设备沿双轨运行时的几何信息和物理信息，实时记录原始数据，并将该原始测量数据通过数据后处理单元进行离线处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩云飞，
申请(专利权)人：萨伏威西安导航技术有限公司，
类型：发明
国别省市：