基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，包括以下步骤:1)激光跟踪仪设站位置在轨道一侧，测量CPIII控制点，利用十三参数坐标转换，获取激光跟踪仪坐标系和CPIII控制点坐标系的坐标转换参数；2)在轨道上往返推行轨检小车，激光跟踪仪跟踪轨检小车上的靶球，获取棱镜点坐标；3)利用棱镜点坐标和坐标转换参数计算左右轨道点三维坐标，从而计算轨道中线点三维坐标、轨道点距离和超高，再利用轨道设计线形数据，进行轨道几何内部几何参数的计算。与现有技术相比，本发明既能提高测量速率，又能获取厘米甚至更小间隔的数据，更有利于轨道静态平顺性的快速测量和基于准确位置的轨道状态分析。
【专利说明】基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轨道静态平顺性测量与分析方法，尤其是涉及一种基于激光跟踪 仪的轨道静态平顺性测量与分析方法。
【背景技术】
[0002] 目前高速铁路轨道静态平顺性测量普遍采用三维测量法。这种方法采用的设备 主要是全站仪和轨检小车的集成系统，国内外已经有很多成熟的产品或系统。全站仪测量 线路两侧的CPIII控制点（基桩控制网CPIII，Base-piles Control Points III)，使用自 由设站三维边角后方交会法，获取测站坐标。然后借助于全站仪实现光学跟踪测量，锁定轨 检小车上的棱镜，轨检小车在轨道上移动，并停止于待测轨枕处，全站仪获取棱镜的三维坐 标，从而用于轨道绝对位置坐标计算，结合轨检小车上倾角和轨距传感器的测量数据，计算 轨道几何状态参数，并与轨道设计参数进行比较，计算轨道平顺性参数。
[0003] 这种定点测量方式，绝对测量精度受全站仪影响较大。这种三维测量方法获取的 是轨枕处的轨道测量数据，测量过程中采用"走停式"测量，测量速度较慢。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于激光跟踪 仪的轨道静态平顺性测量与分析方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其特征在于，包括以下 步骤：
[0007] 1)激光跟踪仪设站位置在轨道一侧，测量CPIII控制点，利用十三参数坐标转换， 获取激光跟踪仪坐标系和CPIII控制点坐标系的坐标转换参数；
[0008] 2)在轨道上往返推行轨检小车，激光跟踪仪跟踪轨检小车上的靶球，获取棱镜点 坐标；
[0009] 3)利用棱镜点坐标和坐标转换参数计算左右轨道点三维坐标，从而计算轨道中线 点三维坐标、轨道点距离和超高，再利用轨道设计线形数据，进行轨道几何内部几何参数的 计算。
[0010] 所述的利用十三参数坐标转换，获取激光跟踪仪坐标系和CPIII控制点坐标系的 坐标转换参数，具体为：
[0011] 坐标转换模型采用3个平移参数、3个旋转角构成的9个旋转矩阵参数，1个尺度 参数，而旋转矩阵9个参数中，仅有3个是独立的，其余6个是非独立的；坐标转换模型：
【权利要求】
1. 一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 激光跟踪仪设站位置在轨道一侧，测量CPIII控制点，利用十三参数坐标转换，获取 激光跟踪仪坐标系和CPIII控制点坐标系的坐标转换参数； 2) 在轨道上往返推行轨检小车，激光跟踪仪跟踪轨检小车上的靶球，获取棱镜点坐 标； 3) 利用棱镜点坐标和坐标转换参数计算左右轨道点三维坐标，从而计算轨道中线点 三维坐标、轨道点距离和超高，再利用轨道设计线形数据，进行轨道几何内部几何参数的计 算。
2. 根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其 特征在于，所述的利用十三参数坐标转换，获取激光跟踪仪坐标系和CPIII控制点坐标系 的坐标转换参数，具体为： 坐标转换模型采用3个平移参数、3个旋转角构成的9个旋转矩阵参数，1个尺度参数， 而旋转矩阵9个参数中，仅有3个是独立的，其余6个是非独立的；
因此,M矩阵中,仅有3个独立参数,如选取a2、a3、b3为独立参数,则其余6个参数为：
C1 = a2b3_a3b2 (8) C2 = (9) 有7个独立参数，若有3个以上的公共点，应用最小二乘法解即可，但是旋转矩阵中只 有三个独立参数，其余六个参数是其非线性函数，因此直接解算非常复杂；所以采用下列方 法予以解决； 设未知数为3个平移参数、1个尺度参数、9个方向预先参数，将（1)式用泰勒级数展开 可得
其中，（ai，bp C1)为x轴在O-XYZ中的方向余弦，（a2, b2, c2)为y轴在O-XYZ中的方 向余弦，（a3, b3, C3)为z轴在O-XYZ中的方向余弦，ii为尺度比，（Xtl Ytl Ztl)为o-xyz的原 点相对于O-XYZ的原点的平移，上标为0的数为相应参数的近似值，dXp dYp dZp d ii、dai、 da2、da3、db" db2、db3、dc" dc2、dc3 为改正数； 按照附有条件的间接平差法进行解算；解算时，根据改正数的大小判别是否满足收敛 要求，如不满足，进行迭代计算，直到满足收敛要求。
3. 根据权利要求2所述的一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其 特征在于，所述的利用棱镜点坐标和坐标转换参数计算左右轨道点三维坐标，具体为：通过 公式（1)的坐标转换模型来获得。
4. 根据权利要求3所述的一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其 特征在于，所述的计算轨道中线点三维坐标都是基于激光跟踪仪获取的轨道测量点和轨检 小车几何尺寸参数进行轨道点和轨距计算点坐标的计算，具体为： 利用轨检小车与轨道接触轮为特征点建立轨检小车坐标系，轨检小车固定端两车轮1 和2的中心0定义为轨道点，以0为圆心，以车轮1、2所在直线为X轴，以过0点垂直于X 轴的方向为Y轴，建立左手坐标系X0Y，设棱镜点坐标（xL，yL，zL)，轨道横倾角为a，在工 程坐标系中，轨道点与棱镜点在工程坐标系下的高程差dH和平面距离dS : 左轨道点有： dH = yL sin a+zL cos a (15) dS = yL cos a -zL sin a 右轨道点有： dH = -yL sin a +zL cos a dS = yL cos a +zL sin a (16) 同理，在小车坐标系中，轨距计算点坐标U，y，z)， 轨距计算点与棱镜点在工程坐标系下的高程差dh和平面距离ds， 左轨距计算点： dh = (zL~z)cos a -(y-yL)sin a (17) ds = (y-yL) cos a+(zL_z) sin a 右轨距计算点： dh = (zL~z)cos a +(y-yL)sin a (18) ds = (y-yL)cos a -(zL_z)sin a 0
5. 根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪仪的轨道静态平顺性测量与分析方法，其 特征在于，所述的利用轨道设计线形数据，进行轨道内部几何参数的计算： 得到的轨道中线点即为左右轨道点的中点，则中线点坐标为对应里程的左右轨道点对 应坐标的平均值，轨道内部几何参数包括轨距、水平/超高、轨向和高低； 通过获得的左右棱镜点换算左右轨距计算点，从而通过计算同意里程左右轨距计算点 的空间距离进行轨距的计算； 水平/超高利用左右轨的高程计算高差即为水平/超高，沿里程增大方向，右轨高出左 轨时，超高为正，反之为负； 基于各测点高低和方向矢高偏差计算轨向和高低，其中中波不平顺高低和方向矢量偏 差公式为：
Pi为各测点高程的绝对偏差，其中i，j表示测点号，j < i < j+48,其中高程绝对偏差 为实测点在坚向到设计线形的距离；
【文档编号】E01B35/00GK104358194SQ201410582419
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】姚连璧, 孙海丽, 徐恒立, 汪志飞, 李亚云, 王璇 申请人:同济大学