[发明专利]一种轨道动态测量系统及方法

说明书

技术领域

本申请涉及测量与控制技术领域，尤其涉及一种轨道动态测量系统及方法。

背景技术

当前，轨道交通已经日益成为人们出行的重要交通方式，与此同时，现代社会也对轨道交通的安全性及舒适性提出了越来越高的要求，也即要求建成轨道具有很高的平顺性以及三维绝对位置精度。轨道的平顺性以及三维绝对位置精度是通过轨道检测设备对轨道进行测量及数据分析后才能进行评判的，因此，满足实际作业需求的轨道检测设备是建成高平顺性轨道的前提。

在现有技术中，静态轨道检测技术的典型应用场景是：

1、基于轨道线路两旁建成的三维控制基准(例如，CPIII或导线网)进行整平状态下的全站仪自由设站，然后通过解算得到全站仪的站心三维坐标及定向参数；

2、自由设站完成后，使用全站仪观测轨检设备上的反射棱镜，获取反射棱镜的三维坐标，然后再结合轨检设备采集的轨距、超高等信息，解算得到轨检设备当前所处位置的轨道三维坐标。

在上述第二步的数据采集过程中，全站仪保持不动，轨检设备也保持不动；当一个点的数据采集完成后，推动轨检设备到轨道上的下一个点，再次进行数据采集；重复上述过程，则可以得到关于轨道的数据序列，然后可以进行轨道平顺性分析。

现有技术中的上述轨道检测技术的优点是精度高，能够获取轨道的内外部几何状态信息(轨距、超高、扭曲、长短波平顺性、三维坐标等)，但其缺点是：静态数据采集导致作业效率低下，而且维持全站仪较高测量精度的使用条件也较为苛刻(例如，整平、大气稳定、温度适中等因素)，从而进一步降低了作业效率。

因此，现有技术中还提出了一些动态轨道检测技术。例如：

1、动态轨道检测技术之一：将陀螺仪安装在轨检设备上，实现轨检设备在轨道上运动时其姿态变化情况的测量，然后基于三轴姿态(俯仰、横滚、航向)及里程、轨距等测量值，解算轨道的内部几何参数(例如，超高、扭曲、长短波平顺性等)。该轨道检测技术的优点是不需要使用全站仪、能够进行动态测量、作业效率高，而缺点则是：不能测量轨道的外部几何参数(三维空间坐标)，不能将轨道测量数据用于有砟轨道捣固车捣固作业。

2、动态轨道检测技术之二：在授权公告号为CN103207403B的中国专利中，公开了一种惯性测量技术与全球定位系统(GPS，Global Positioning System)卫星测量技术相组合的轨道动态检测方法，并制定了一套数据处理方案。该方法使用双GPS天线构成的短基线测量值来校准惯性导航系统的俯仰及航向测量值，通过数据离线处理得到轨道的轨向及高低不平顺。该方法的主要缺点有如下几点：

1)、该方法对左右钢轨单独进行测量，不能检测轨距、超高等项目；

2)、该方法需要使用GPS测量数据用于校准，因此不能解决长大隧道中GPS信号缺失情况下的惯导校准数据的来源问题；

3)、该方法的绝对位置坐标依赖于GPS测量及惯导系统的位置积分，精度难以满足高速铁路轨道测量对位置精度的要求。

3、动态轨道检测技术之三：在授权公告号为CN103343498B的中国专利中，公开了一种惯性导航系统与全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)相组合的轨道动态检测方法。该方法解决了轨距及超高的测量问题，同时扩展了卫星测量范围，兼容美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(BDS，BeiDou Navigation Satellite System，BDS)等主要的导航系统，采用事后动态差分定位算法进行GNSS数据解算，结合惯导数据组合解算得到轨道平顺性。该方法的主要缺点为：

1)、未能解决长大隧道中GNSS信号缺失情况下的轨道测量问题；

2)、轨道绝对定位精度未能达到高速铁路测量所要求的毫米级精度。

针对第一个缺点，在公开号为CN103821054A的中国专利中，公开了一种改进方案，该方案在长大隧道中GNSS信号缺失时，基于6-8个轨道控制网(CPIII，Control Point III)的控制点的自由设站法进行全站仪的设站及定向，然后采用全站仪观测数据与惯导数据相组合解算轨道的平顺性。该方法仅是作为GNSS信号缺失时的一种补充，仍然未能解决轨道绝对位置测量精度的问题，且在隧道中每隔30s左右进行一次6-8个CPIII点的自由设站操作，也极大地影响了轨道测量效率。