基于组合导航的轨道检测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于组合导航的轨道检测系统及方法，为铁路轨道精确快速检测：在GNSS信号遮挡区段建立无线电导航基站；在轨检设备上集成GNSS和/或无线电导航信号接收的组合导航装置；采用GNSS和/或无线电导航定位和航迹推算消除陀螺传感器的位置和姿态漂移，解决轨迹测量精度发散问题；通过自适应滤波编制高通滤波器，消除陀螺传感器中频率极低、变化缓慢且数值很大的轨道高程变化和滤出坡度变化、曲线超高等影响；系统集成轨检设备的位移、倾斜和陀螺等传感器，里程计数器和添加的组合导航装置，运用数据融合技术，独立检测轨道内部几何参数、坐标、高程、150m?300m基线长不平顺，检测速度>4km/h，以解决高速和普速铁路运营维护中轨道检测的瓶颈问题。
【专利说明】
基于组合导航的轨道检测系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及(高速)铁路轨道检测技术领域，尤其涉及安装在轨道静态和动态检测设备或装置上，精确快速检测轨道内部和外部几何参数及150m-300m基线长不平顺的系统及方法。
【背景技术】
[0002]普通铁路速度目标值低，对轨道平顺性要求不高，铁路工务部门常用手工弦测法和道尺等养护线路。随着高速铁路的发展，铁路既有线200km/h等级提速改造中发现:普速铁路的平面圆曲线半径与设计值相差几百米，大半径长曲线变成很多不同半径圆曲线的组合，缓和曲线、夹直线长度不够，曲线控制粧位置与设计位置相差大，纵断面整坡变成很多碎坡等问题，这种线路状况将给高速铁路带来极大的安全隐患。为了在高速行驶的条件下实现旅客列车的安全性和舒适性，铁路设计规范要求时速大于200km的铁路必须具有高精度的轨道几何参数，误差要求在毫米级，做到高平顺性，其指标(《高速铁路设计规范》TB10621-2014)分别以基线长150m-300m和30m的平面和纵断面矢高差衡量(简称长平和中平)O
[0003]高速铁路将轨道静态几何参数分为内部几何参数和外部几何参数。前者体现轨道的形状，决定轨道的质量，即行驶的舒适度和轮轨磨耗，用轨距、超高、水平、轨向、高低、长平、中平、短平、扭曲、轨距变化率等参数表示，根据轨道测点的相对位置关系来确定，表现为相对测量精度;后者体现轨道在三维空间的位置和标高，根据轨道的功能和与周围相邻建筑物的关系来确定，由其空间坐标通过各级平面高程控制网组成的测量系统来定位，表现为坐标高程测量精度，以保证轨道与线下工程路基、桥梁、隧道和站台的空间位置相匹配协调。
[0004]轨道静态几何状态检测设备主要有两种类型，一种为轨道检查仪(铁路轨道检查仪TB/T 3147-2012)，简称轨检仪，另一种为轨道几何状态测量仪(《客运专线轨道几何状态测量仪暂行技术条件》科技基2008 86号)，简称轨检小车。依托捷联惯性传感器的轨检仪能够高精度地获得轨道的内部几何参数，却不能准确获得轨道150m-300m基线长不平顺值、以及外部几何参数(坐标高程)。同时获得轨道的内部和外部几何参数需要用轨检小车，但它必须依靠沿线路布设的CPm轨道控制网，CPm网的精度决定了轨检小车获得150m-300m基线长不平顺值的准确性。轨检仪检测轨道点间隔可达0.125m，甚至更密，几乎是连续测量，检测速度主要取决于操作员步行的速度(<8km/h)。轨检小车逐个轨枕检测的速度<200m/h。为提高轨道检测设备的速度，中国CN 101487211B号发明专利(“既有线三维约束测量方法”，江西日月明铁道设备开发有限公司，2011年6月8日)和中国CN 102390405 B号发明专利(“用于轨道参数约束测量的检测方法及轨道检查仪”，成都四方瑞邦测控科技有限公司，2013年11月6日)，分别推出了以轨道约束粧和全站仪提供轨检仪坐标高程的所谓绝对+相对测量的改良装置和轨道检测方法，使轨检仪不仅可以输出检测轨道的内部和外部几何参数、150m-300m基线长不平顺，而且检测速度约lkm/h。但它检测的轨道150m-300m基线长不平顺，并非独立测量所得，其准确性也是由cpm控制网的平顺性精度所决定。
[0005]快速检测轨道动态几何状态的设备是轨道检查车(简称轨检车)。从1953年开始，我国研发第一代机械式轨检车，1968年引进国外生产的轨检车，经过60多年的消化吸收和集成创新，已陆续开发出第二代TSKl 5、第三代GJ-3、第四代GJ-4、第五代GJ-5和第六代GJ-6型轨检车。新型的轨检车采用惯性基准原理、无接触方法、捷联式和双微机结构。目前GJ-5和GJ-6型轨检车已成为我国高速铁路线路轨道状态监控的主要手段，最高检测速度达到400km/hο它检测轨道动态内部几何参数，可考核左右轨高低、左右轨轨向、水平、轨距、轨距变化率、三角坑、曲线超高和曲率变化率等指标，其中高低和轨向最大可检测60m长波平顺性(相当于120m基线长的长平)，但不能检测高速铁路要求的150m-300m基线长的平面和纵断面矢高差不平顺指标，也不能得到轨道测点的坐标和高程等外部几何参数。
[0006]本发明的目的是提供一种新的(高速)铁路轨道检测系统和方法。它不仅拥有像轨检仪和轨检车等轨检设备连续快速高精度检测轨道内部几何参数的技术优势，而且还拥有轨检小车能够检测左右轨及中线坐标高程等外部几何参数和150m-300m和30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺的能力，上道检测轨道保持轨检设备的检测速度和精度，以解决(高速)铁路快速精确检测轨道静态和动态几何状态的设备和技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是通过以下技术手段实现的。
[0008]1.基于组合导航的轨道检测系统，在轨检设备上加装卫星和无线电导航定位系统的信号接收装置，集成组合导航轨道检测数据采集系统，具体包括以下部分:
[0009](I)在轨检设备上装载全球导航卫星系统GNSS和无线电导航定位系统的信号接收装置；
[0010](2)在隧道、桥梁、路堑、山区和城区等铁路线路和车站GNSS卫星导航信号遮挡区域，建设无线电导航定位信号发射台站；
[0011](3)系统集成GNSS和/或无线电导航的绝对定位，轨检设备的相对定位，通过组合导航技术实现导航定位数据和轨道检测数据的融合，离线处理输出轨道内部和外部几何参数、150m-300m和30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺；
[0012](4)基于组合导航的轨道检测系统，上道检测轨道的速度依所用轨检设备而定。
[0013]所述轨检设备是指已通过铁路行业技术认证的O级或I级轨检仪、或轨检车、或使用惯性传感器具有静态或动态轨道几何状态检测功能的装置，其中的惯性传感器包括以下器件:加速度传感计和陀螺以及它们的单、双、三轴组合的惯性测量单元頂U和磁传感器的姿态参考系统AHRS。
[0014]进一步地，所述GNSS包括全球系统GPS、GALILE0、GL0NASS、北斗，区域系统QZSS和IRNSS，广域增强系统(WAAS/EGNOS/SDCM/MSAS/GAGAN/NiSatCom-1);无线电导航定位系统包括射频识别系统RFID(Rad1 Frequency Identificat1n)、ZigBee、无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)。
[0015]本发明的目的还在于提供一种在上述系统中运行的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，所采用的技术手段为:
[0016]基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，包括以下处理步骤:
[0017](I)绝对定位，采用GNSS和/或无线电导航动态定位技术、航迹推算技术消除轨检设备上捷联惯性传感器的位置和姿态漂移，解决轨迹测量精度发散问题;依据铁路线路设计参数获取基于组合导航的轨道检测系统运动轨迹的GNSS地心三维坐标及其对应线路设计中线的平面里程；
[0018](2)相对定位，通过自适应滤波编制高通滤波器，消除捷联惯性传感器中频率极低、变化缓慢且数值很大的轨道高程变化和滤出坡度变化、曲线超高等影响;依据铁路线路设计参数获取基于组合导航的轨道检测系统运动轨迹及其相对于线路设计中线的横向、垂向偏移和轨面里程；
[0019](3)数据融合，汇集(I)和(2)步骤的处理信息，依据铁路线路设计参数进行多源数据融合处理，获取轨道测点对应铁路线路中线的独立平面坐标、高程、平面里程和轨面里程；
[0020](4)数据输出，基于组合导航的轨道检测系统，输出轨道测点的轨距，水平，超高，轨距变化率，扭曲，1m弦的左右轨轨向、高低和正矢等内部几何参数；150m-300m和30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺；左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数；线路中线平面里程和轨面里程。
[0021]进一步地，上道检测轨道的作业方式完全按照轨检设备的原有方式进行，检测速度与轨检设备单独检测轨道的行驶速度相同。
[0022]进一步地，轨道检测结果的数据输出项目至少包含轨道测点的轨距，水平，超高，轨距变化率，扭曲，1m弦左右轨轨向、高低和正矢等内部几何参数；150m-300m和30m基线长左右轨平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺;左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，以及相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数;线路中线的平面里程和轨面里程。
[0023]进一步地，检测轨道内部几何参数的标准差与轨检设备的检测标准相同；检测150m-300m和30m基线长左右轨平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺标准差分别小于土3mm和±0.7mm;检测左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，以及相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数的标准差每公里小于±10_;检测线路中线的平面里程和轨面里程的相对标准差小于1/10 OOO0
[0024]基于本发明系统和方法，采用GNSS和/或无线电导航定位和航迹推算消除陀螺传感器的位置和姿态漂移，解决轨迹测量精度发散问题;通过自适应滤波编制高通滤波器，消除陀螺传感器中频率极低、变化缓慢且数值很大的轨道高程变化和滤出坡度变化、曲线超高等影响；系统集成轨检仪和轨检车的位移、倾斜和陀螺等传感器，里程计数器和添加的组合导航装置，运用数据融合技术，独立检测轨道内部几何参数、坐标、高程、150m-300m基线长不平顺，检测速度>4km/h，解决了高速和普速铁路运营维护中轨道检测的瓶颈问题。
【附图说明】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明，但不限制本发明。
[0026]图1为在轨检仪上集成卫星导航定位系统(GNSS)和无线电定位系统检测轨道原理示意图。
[0027]在图1中，I为轨道;2为隧道;3为轨检仪;4为卫星导航定位系统(GNSS)和无线电定位系统等组合导航接收装置;5为GNSS卫星;6为无线电定位基站。
[0028]图2为在轨道检查车集成卫星导航定位系统(GNSS)和无线电定位系统检测轨道原理示意图。
[0029]在图2中，除图1中3轨检仪换成3轨检车外，其余与图1的相同。
【具体实施方式】
[0030]图1示出:在隧道2GNSS卫星导航信号遮挡区域建无线电定位基站6，运用大地测量方法精确测量无线电发射中心的GNSS地心三维坐标和铁路线路独立平面坐标和高程，使GNSS和无线电导航信号无缝连接，消除铁路GNSS卫星导航定位的信号盲区，实现基于组合导航的轨道检测系统检测轨道I时能够连续导航动态定位。
[0031]在已通过铁路行业技术认证的轨检仪3上加装GNSS和无线电导航定位系统的信号接收装置4，接收机固连在轨检仪上，使接收天线能正常接收到GNSS卫星5和/或无线电导航定位基站6发射的信号。
[0032]在轨检仪上加装全球导航卫星系统和无线电导航定位系统的无线电信号接收装置后，由作业员上道推行轨检仪检测轨道。
[0033]由本发明基于组合导航的轨道检测系统所附数据处理软件，读取组合导航数据和轨检仪检测数据，通过计算输出以轨道测点线路中线平面里程和轨面里程表达的轨道内、外部几何参数和150m-300m、30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺。
[0034]图2示出:与图1的差别主要在轨检车上加装4GNSS和无线电导航定位系统的信号接收设备，接收机固连在轨检车上，使接收天线能正常接收到5GNSS卫星和/或6无线电导航定位基站发射的信号。再由本发明基于组合导航的轨道检测系统所附数据处理软件，读取组合导航数据和轨检车检测数据，通过计算输出以轨道测点线路中线平面里程和轨面里程表达的轨道内、外部几何参数和150m-300m、30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺。
[0035]显然，铁路线路的GNSS卫星导航信号遮挡区域除隧道外，还有桥梁、路堑、山区、城区等铁路线路区间和车站。因此，本发明基于组合导航的轨道检测系统也适用于检测城市地铁轨道和城市轻轨，其原理同样适用于通过直接制造、系统集成轨检设备与卫星导航定位系统(GNSS)和/或无线电定位系统信号接收设备的新型轨道检测装备。
【主权项】
1.基于组合导航的轨道检测系统，其特征在于，在轨检设备上加装卫星和无线电导航定位系统的信号接收装置，集成组合导航轨道检测数据采集系统，具体包括以下部分: (1)在轨检设备上装载全球导航卫星系统GNSS和无线电导航定位系统的信号接收装置； (2)在隧道、桥梁、路堑、山区和城区等铁路线路和车站GNSS卫星导航信号遮挡区域，建设无线电导航定位信号发射台站； (3)系统集成GNSS和无线电导航的绝对定位，轨检设备的相对定位，通过组合导航技术实现导航定位数据和轨道检测数据的融合，离线处理输出轨道内部和外部几何参数、150m-300m和30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺； (4)基于组合导航的轨道检测系统，上道检测轨道的速度依所用轨检设备而定。2.根据权利要求1所述的基于组合导航的轨道检测系统，其特征在于，所述轨检设备是指已通过铁路行业技术认证的O级或I级轨检仪、或轨检车、或使用惯性传感器具有静态或动态轨道几何状态检测功能的装置，其中的惯性传感器包括以下器件:加速度传感计和陀螺以及它们的单、双、三轴组合的惯性测量单元MU和磁传感器的姿态参考系统AHRS。3.根据权利要求1所述的基于组合导航的轨道检测系统，其特征在于，所述GNSS包括全球系统GPS、GALILEO、GLONASS、北斗，区域系统QZSS和IRNSS、广域增强系统;所述无线电导航定位系统包括:射频识别系统RFID、ZigBee、无线传感器网络WSN。4.采用权利要求或I或2或3所述的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，包括以下处理步骤: (1)绝对定位，采用GNSS和/或无线电导航动态定位技术、航迹推算技术消除轨检设备上捷联惯性传感器的位置和姿态漂移，解决轨迹测量精度发散问题;依据铁路线路设计参数获取基于组合导航的轨道检测系统运动轨迹的GNSS地心三维坐标及其对应线路设计中线的平面里程； (2)相对定位，通过自适应滤波编制高通滤波器，消除捷联惯性传感器中频率极低、变化缓慢且数值很大的轨道高程变化和滤出坡度变化、曲线超高等影响；依据铁路线路设计参数获取基于组合导航的轨道检测系统运动轨迹及其相对于线路设计中线的横向、垂向偏移和轨面里程； (3)数据融合，汇集(I)和(2)步骤的处理信息，依据铁路线路设计参数进行多源数据融合处理，获取轨道测点对应铁路线路中线的独立平面坐标、高程、平面里程和轨面里程； (4)数据输出，基于组合导航的轨道检测系统，输出轨道测点的轨距，水平，超高，轨距变化率，扭曲，1m弦的左右轨轨向、高低和正矢等内部几何参数；150m-300m和30m基线长平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺；左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数;线路中线平面里程和轨面里程。5.根据权利要求4所述的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，其特征在于，系统集成GNSS和/或无线电导航动态定位技术、航迹推算技术、自适应高通滤波器技术，采用组合导航绝对定位和轨检设备相对定位的多源数据融合，检测轨道的内部和外部几何参数和长中波不平顺。6.根据权利要求4所述的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，其特征在于，上道检测轨道的作业方式完全按照轨检设备的原有方式进行，检测速度与轨检设备单独检测轨道的行驶速度相同。7.根据权利要求4所述的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，其特征在于，轨道检测结果的数据输出项目至少包含轨道测点的轨距，水平，超高，轨距变化率，扭曲，1m弦的左右轨轨向、高低和正矢等内部几何参数；150m-300m和30m基线长左右轨平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺；左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，以及相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数;线路中线的平面里程和轨面里程。8.根据权利要求4所述的基于组合导航的轨道检测系统的轨道检测方法，其特征在于，检测轨道内部几何参数的标准差与轨检设备的检测标准相同；检测150m-300m和30m基线长左右轨平面和纵面矢高差等长波和中波不平顺标准差分别小于±3mm和±0.7mm;检测左右轨和中线的铁路线路独立平面坐标高程，以及相对线路设计参数的横向偏差和垂向偏差等外部几何参数的标准差每公里小于± 1mm;检测线路中线的平面里程和轨面里程的相对标准差小于1/10 OOO0
【文档编号】B61K9/08GK105857340SQ201610203116
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】不公告发明人
【申请人】郑君伟