[发明专利]一种GPS轨道不平顺检测系统及其检测方法

说明书

技术领域：

本发明属于轨道检测领域，涉及一种GPS轨道检测装置及其检测方法，尤其是一种GPS轨道不平顺检测系统及其检测方法。

背景技术：

轨检车、精简小车、轨检小车、弦线和道尺是目前测量轨道不平顺的主要设备。由于各种自身的原因，使传统测量设备的精度受到限制而无法实现对高铁无碴轨道进行快速、有效的检测。

轨检车虽然可以快速检测轨道，但需要使用众多的惯性传感器来完成各项检测任务、结构复杂、操作繁复，需要培训专业人员进行测量。因为存有偏移误差，轨检车所能检测轨道不平顺的波长和测量精度都有限，仅能作为日常测量后的验证使用，因造价高，全国仅配备有十几台机组，无法满足对全国8.6万公里轨道的检测需求。

精简小车是唯一符合高铁轨道对检测精度要求的测量设备，所能达到的测量精度较高，约1.4毫米，但因其主要采用全站仪测量轨道外部几何状态，对测量环境条件，如温度、湿度、光线、能见度、风速等要求很高，同时，由于全站仪自身是相对测量设备，不带有固定的参照系统，需要借助铁路工程测量网的帮助，对众多的CPIII参照点的观测，以确定轨道外部几何状态，因而费时费力，操作极为复杂，测量速度和效率都很低，同样不能满足对既有轨道的检测要求，仅适用于铁路建设施工的标定和验收。另外，精检小车的价格十分昂贵，每台高达130万元人民币。

目前工务部门多用轨检小车对轨道进行日常测量，然而绝大部分轨检小车的检测任务都是针对传统有碴轨道的检测精度和周期，其测量精度无法满足高铁轨道的要求，存在测量速度慢、需要在线停顿打点、精度不高、测量波长有限等缺点。

还有一些没有配备机械化检测设备的偏远小站，只能使用最为原始和落后的弦线和道尺对轨道不平顺进行测量。这两种工具测量速度最慢、并且是由肉眼读出数据，受人为因素的影响较大，测量精度低，不能量化和信息化管理，根本不适合对高速铁路的检测。

从表面上看，影响各种轨道检测设备测量精度的因素各有不同，但实际上，它们存在着几个共有而常被人们所忽视的因素，比如，所有设备的主要测量对象仅限于线路中某一点或若干点的几何位置，而不是整轨道条线路本身，另外，所使用的测量方法中没有建立完美测量标准线路的能力，如弦测法和惯性基准法。这是由目前所使用的测量理论和方法本身的局限性所造成的。

经过分析，我们将影响轨道检测设备精度的主要原因归纳为以下几点：

1.测量理论上的局限性

理论上讲，轨道测量实属于线路测量，更确切地说，是对平滑曲线的测量。可传统的测量理论是不能对平滑曲线进行完美描述的，因此也就不具备处理平滑曲线的能力。目前所广泛使用的测量理论都是基于直角坐标系对线路的位置进行描述和处理的，其主要方法是：首先对若干个点进行位置观测，然后将这些点的位置坐标标入到一个直角坐标系中，再将这些点与点按顺序用直线相连，组合成一条连线作为被测线路进行计算处理。用这种方法所组成连线，实际上不是平滑曲线，而只是一条折线。因此，无论测量点的数目有多少，用此方法所组成的连线与实际轨道曲线总是存在着差别的，影响被测轨道的精度。

平滑曲线是有方向性的，因为曲线上每一个观测点的方向都指向下一个临近点的位置。因为平滑曲线本身是连续的，下一个临近点与它的观测点是无限接近的。这说明，失去了曲线的方向，也失去了曲线上点与点之间的几何关系。直角坐标系是没有表示方向的能力的，这就是在直角坐标系中是无法对轨道进行完整的描述的根本原因。

如果要想准确测量轨道，首先就必须考虑如何准确描述平滑曲线。

我们对平滑曲线进行一个定义：平滑曲线是一条除两个端点外在位置上和方向上保持有唯一和连续特征的连线。位置上的唯一性和连续性保证了曲线本身在几何位置上是一条连续的，不存着错位或断点的连线；而方向上的唯一性和连续性则保证了连线中不存在着拐点和交点；

对于轨道来说，交点表示里程中的某一位置存在多个交叉轨道(此情况不考虑道岔)，错位表示里程中在某点上有两根轨道，断点表示里程中在某一点上没有轨道，而拐点则指里程上存在一个轨道折点。显而易见，对于轨道来说，这几种情况都是不应该存在的，也就是说，轨道上任意一点的位置和方向都是唯一和连续的，因此可以说，轨道是一条平滑曲线。使用直角坐标系，仅使用位置测量和处理方法对轨道进行测量是不适宜的。

2.测量方法上的局限性