[發明專利]一種基于INS/GNSS的軌道不平順檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201310312460.3
• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN103343498A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 牛小驥;陳起金;張全;章紅平;劉經南
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: E01B35/00
• 分類號: E01B35/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于鐵路軌道測量領域，涉及一種基于慣性導航系統（INS）與全球導航衛星系統（GNSS）組合測量技術的軌道不平順檢測系統及方法。

背景技術

動態軌檢車、輕型軌檢小車、弦線和道尺是目前測量軌道不平順的主要設備和方法（可參見中國專利CN102337710A），現有的測量設備和方法在測量精度和測量效率上均難以同時滿足高鐵無砟軌道不平順的檢測要求。

1、動態軌檢車

動態軌檢車采用慣性基準測量原理，集成了包括慣性傳感器在內的眾多測量設備，具有測量效率高、綜合性強和測量項目齊全等優點，能夠檢測評估線路的整體狀況，給出整個路段軌道不平順的功率譜，但難以對局部路段和重點檢測路段給出細致準確的測量信息。同時動態軌檢車檢測軌道不平順的波長和測量精度有限，尚不能滿足指導軌道調整的精度要求，設備數量少且技術復雜。

2、輕型軌檢小車

目前，輕型軌檢小車發展迅速，應用廣泛。其中較成熟的技術是以高精度全站儀為核心測量設備的輕型精密軌檢小車。基于全站儀的輕型精密軌檢小車采用絕對坐標法測量軌道幾何形狀和檢測軌道不平順。高精度全站儀實測精密軌檢小車上棱鏡中心的三維坐標，然后結合事先嚴格標定的軌檢小車的幾何參數、定向參數、橫向傾角及實測軌距，即可換算出對應里程處的中線位置和軌面高程。進而與該里程處的軌道設計值進行對比，通過計算給定弦長檢核點對之間的矢高差之差來檢測軌道不平順性。配備使用最高等級全站儀（0.5級全站儀）和最高精度等級的軌檢小車，能達到1.5mm的絕對位置精度。

基于全站儀的輕型精密軌檢小車進行軌道不平順檢測存在以下缺陷：1）效率低下，全站儀須靜止測量，后視多個控制點，采用“走走停停”的作業模式，預計效率為150m/h，難以在天窗時間內快速完成測量任務；2）對軌道控制網（CPIII）控制點依賴性強，全站儀自由設站需要后視6-8個CPIII控制點，而實際上CPIII控制點存在維護成本高，破壞嚴重等問題，給實際測量帶來諸多不便；3）不利于長波檢測，受全站儀測量能力限制，一次設站測量距離約60m，測站之間需要進行重疊段測量以便實現坐標系的統一；重疊段測量精度受控制點精度影響，因而存在“接邊誤差”，也即各測站的位置坐標難以高精度地轉換至統一坐標系下，這將嚴重損害長波段不平順的檢測精度；4）不具備超短波軌道不平順檢測能力；5）環境條件要求苛刻，全站儀受外界測量環境影響較大，如溫度、濕度、光線、能見度等，惡劣條件下基本不能作業。

雖然存在以上不足，但基于全站儀的輕型精密軌檢小車是目前唯一能滿足高鐵軌道不平順檢測精度要求的測量方案，且用坐標描述軌道幾何形狀和檢測軌道不平順具有計算簡單、形象直觀、易于理解等優勢。

3、弦線和道尺

采用弦線和道尺對軌道不平順進行測量是一種較落后的方法，測量效率低下，需人工肉眼讀數，測量精度低，不適合對高鐵軌道進行不平順檢測，一般只在一些沒有配備機械化檢測設備的路段使用。

4、慣性測量技術在軌道測量和不平順檢測中的應用

慣性測量的優點是相對測量精度高，數據更新快，自主性強，不需要其它參考系。慣性測量技術在軌道測量和不平順檢測中應用廣泛，主要應用方式可歸納為：1）在動態軌檢車上的轉向架或軸箱上安裝側向和垂向的加速度計來檢測水平方向和垂直方向上的軌道不平順；2）將加速度計安裝在輕型軌檢小車上，用以測量小車的傾斜角；3）將陀螺儀安裝在輕型軌檢小車上，測量軌道在平面方向和垂直方向上的角度變化，并據此進行航跡推算（Dead?Reckoning，DR），檢測水平方向和垂直方向上的軌道不平順。

上述測量設備和測量方法均直接對慣性元件的原始測量值進行處理：

將加速度原始測量量對時間兩次積分得到位移，然后根據位移量來檢測軌道幾何形狀的相對變化量；對陀螺儀的原始測量量進行積分得到姿態測量值，并據此進行航跡推算。然而慣性測量技術精度受到多種因素的影響而不斷發散，最主要因素是慣性傳感器誤差，如加速度計零偏、陀螺零偏、加速度計輸出比例因子誤差、陀螺輸出比例因子誤差等。對慣性量測信息在時間上做兩次積分，傳感器誤差會隨時間積累，測量精度隨時間下降。因此這種基于加速度計或陀螺儀原始信號推算軌道不平順的方法主要缺陷為：難以有效估計和補償慣性傳感器誤差，未能實現對慣性傳感器原始測量信息的最優化處理。

為解決上述單獨使用加速度或陀螺儀時遇到的問題，慣性技術與其他技術的組合測量技術正逐步進入軌道測量領域。