一種基于ins/gnss與全站儀組合使用的軌道幾何參數(shù)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軌道幾何參數(shù)檢測裝置及其方法，尤其是涉及一種基于INS/GNSS與全站儀組合使用的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前軌道交通系統(tǒng)在軌道施工驗收和常規(guī)養(yǎng)護(hù)維修過程中普遍采用兩種常規(guī)測量方法，基于光學(xué)測量原理的全站儀軌道幾何參數(shù)光學(xué)檢測小車；基于慣性測量原理與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組合測量技術(shù)(INS/GNSS)的慣性檢測小車。前者通過全站儀后視一定數(shù)量的軌道控制網(wǎng)CPIII點(diǎn)，(鐵道控制網(wǎng)CPIII是鐵路建設(shè)時沿線路布設(shè)的平面、高裎控制網(wǎng)，是軌道鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的基準(zhǔn)，點(diǎn)位間隔一般為60米，可用于插放光學(xué)測量棱鏡組。)確定全站儀的測站位置，全站儀通過測量小車上的光學(xué)棱鏡來確定軌道位置坐標(biāo)和幾何參數(shù)，光學(xué)檢測小車的優(yōu)點(diǎn)是:精度高，適合于外部幾何參數(shù)測量，在符合規(guī)定條件下可以滿足線路橫向偏差，線路垂向偏差的要求；缺點(diǎn)是:效率低，測量數(shù)據(jù)為離散型(通常間隔為0.625m)，測量速度1.8km/工作日，不適合軌道內(nèi)部幾何參數(shù)測量。后者通過INS/GNSS軌道小車實時測量軌道的幾何參數(shù)，INS/GNSS慣性檢測小車的優(yōu)點(diǎn)是:效率高，測量數(shù)據(jù)連續(xù)性高，測量速度可達(dá)5km/h以上，適合于內(nèi)部幾何參數(shù)測量，特別適合于軌道平順性幾何參數(shù)測量，缺點(diǎn)是:無法滿足軌道外部幾何參數(shù)測量達(dá)到毫米級精度的要求，長時間測量精度依賴于GNSS是否有效，里程計精度的高低，GNSS信號質(zhì)量差或無效時，測量精度下降。
[0003]授權(quán)公告號CN 103821054 B中國專利的技術(shù)方案“一種基于INS與全站儀組合的軌道幾何狀態(tài)測量系統(tǒng)及方法”，試圖解決“在GNSS信號長時間中斷時，采用全站儀的測量值替換GNSS測量值來校正INS固有的積累誤差，確保軌道幾何狀態(tài)的精準(zhǔn)測量”。其發(fā)明方案是:“基于INS與全站儀組合的軌道幾何狀態(tài)測量系統(tǒng)，包括測量單元，測量單元包括測量設(shè)備和移動支架；測量設(shè)備包括全站儀測量系統(tǒng)、慣性測量單元、里程計和位移傳感器，慣性測量單元、里程計和位移傳感器安裝于移動支架上；全站儀測量系統(tǒng)包括全站儀和反射面，全站儀置于移動支架上或外，反射面安裝于移動支架或放置于軌道鋼軌軌頂面?！薄盎贗NS與全站儀組合的軌道幾何狀態(tài)測量方法，包括步驟:(I)移動支架在軌道上移動，慣性測量單元、里程計和位移傳感器采集測量數(shù)據(jù)；(2)停止移動支架，采用全站儀測量系統(tǒng)靜態(tài)測量以獲得移動支架位置信息或軌道特定斷面位置信息的測量數(shù)據(jù)；(3)采用全站儀測量數(shù)據(jù)輔助慣性測量單元、里程計和位移傳感器的測量數(shù)據(jù)，對軌道進(jìn)行組合定位定姿解算，獲取軌道位置坐標(biāo)和姿態(tài)角序列”。
[0004]授權(quán)公告號CN 103821054 B中國專利的技術(shù)方案只解決了 “在GNSS信號長時間中斷時，采用全站儀的測量值替換GNSS測量值來校正INS固有的積累誤差，”并不能解決即使GNSS有效，INS/GNSS慣性檢測小車也無法滿足軌道外部幾何參數(shù)測量值達(dá)到毫米級精度要求的問題。該專利認(rèn)為在INS/GNSS的測量方式下，只要GNSS有效就可滿足軌道幾何參數(shù)測量精度要求，認(rèn)為:“GNSS提供的高頻(大于IHz)高精度的三維位置和速度信息，是對INS最關(guān)鍵也是最佳的校正信息，對于長時間維持和保證INS的相對測量精度至關(guān)重要”，“本發(fā)明在GNSS信號長時間中斷時，采用全站儀的測量值替換GNSS測量值來校正INS固有的積累誤差，確保軌道幾何狀態(tài)的精準(zhǔn)測量”，理論和實踐證明:INS/GNSS測量方式的定位精度為cm級，無法達(dá)到_級，目前的技術(shù)水平無法得出:“在INS/GNSS的測量方式下，只要GNSS有效就可滿足軌道全部幾何參數(shù)測量精度要求”的結(jié)論。CN 103821054B中國專利的技術(shù)方案并不能解決存在的全部問題。該專利“采用全站儀對軌道測量小車或軌道特定斷面(特定軌枕處)進(jìn)行測量”，其方法也非最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種基于INS/GNSS與全站儀組合使用的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。包括:T型車體組件、INS/GNSS慣性傳感器組件/導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站組件、導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件、全站儀組件、反射鏡組件、軌距測量組件、高精度里程計組件、推桿組件、測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件。
[0006]所述一種基于INS/GNSS與全站儀組合使用的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。T型車體組件是軌道幾何參數(shù)測量用的可移動剛性測量平臺，包括縱梁、橫梁、三個行走輪，三個行走輪裝有剎車機(jī)構(gòu)和三個高精度里程計組件，其中兩個行走輪安裝在縱梁兩端，另一個行走輪安裝在橫梁左端；推桿組件、全站儀組件、從左至右分別安裝在T型車體組件的橫梁上方；軌距測量組件安裝在橫梁裝有行走輪的一端；測量系統(tǒng)控制組件裝配到T型車體組件縱梁中部上方；慣性傳感器組件裝配到測量系統(tǒng)控制組件上方；導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站裝配到慣性傳感器組件上方；導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件安放在軌道線路上、能滿足與導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站無線通信距離要求的位置上，導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站組件與導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件之間采用無線通訊方式；滿足測量數(shù)量要求的棱鏡組件安裝在軌道沿線設(shè)置的CPIII點(diǎn)基座上。
[0007]測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件包含傳感器控制單元，數(shù)據(jù)采集及存儲器單元，數(shù)據(jù)處理單元。傳感器控制單元，數(shù)據(jù)采集及存儲器單元控制采集全站儀組件、慣性傳感器組件、導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站組件與導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件、棱鏡組件共同測量的T型車體組件位置、姿態(tài)信息；控制采集軌距測量組件、高精度里程計組件的軌距和里程信息；測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件的數(shù)據(jù)處理單元處理相關(guān)數(shù)據(jù)、解算測量參數(shù)、輸出測量結(jié)果。
[0008]本發(fā)明由測量人員將一次測量區(qū)間劃分為若干測量段，在整個測量區(qū)間內(nèi)，全站儀、INS/GNSS兩種測量方式交替使用；
[0009]全站儀在每一測量段的起點(diǎn)、終點(diǎn)使用，全站儀固放在T型車體組件上，通過觀測在軌道沿線設(shè)置的滿足測量要求數(shù)量的CPIII點(diǎn)上的棱鏡組件，獲得T型車體組件在軌道兩點(diǎn)上的絕對位置水平、高程坐標(biāo)測量值。
[0010]INS/GNSS在每一測量段內(nèi)使用，提供軌道兩點(diǎn)間連續(xù)相對幾何參數(shù)測量值，全站儀測量的軌道兩點(diǎn)絕對位置水平、高程坐標(biāo)測量值作為INS/GNSS測量方式在該段內(nèi)的完整性約束，保證INS/GNSS測量方式在該段內(nèi)能夠滿足測量精度要求；INS/GNSS測量方式測量段的長度由該方式能夠在該段內(nèi)保持滿足測量精度要求來確定。
[0011]T型車體組件的每個起、停點(diǎn)既是全站儀的測量點(diǎn)，除測量區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)外，前一測量段的終點(diǎn)也是后一測量段的起點(diǎn)，實現(xiàn)全站儀測量值與INS/GNSS方式測量值無縫銜接，兩種測量值無縫銜接是本測量方式在測量區(qū)間內(nèi)保持測量精度的關(guān)鍵。
[0012]具體測量步驟如下:
[0013]第一步，測量人員將一次測量區(qū)間劃分為若干測量段。測量段的數(shù)量根據(jù)一次工作任務(wù)確定，一個測量段的長度由INS/GNSS與全站儀組合使用測量方式能夠保持的測量精度來確定；
[0014]第二步，將T型車體組件安放在第I測量段的起點(diǎn)上，手動向下壓三個行走輪的剎車扳手，將T型車體組件穩(wěn)固停放在第測量段的起點(diǎn)上；
[0015]第三步，啟動測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件，其控制單元使慣性傳感器組件、全站儀組件、導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站組件與導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件、三個高精度里程計組件、軌距測量組件全部進(jìn)入工作狀態(tài)，準(zhǔn)備好接收各測量組件的測量數(shù)據(jù)；
[0016]第四步，通過全站儀固有的方式調(diào)平全站儀組件，通過對軌道沿線設(shè)置的CPIII點(diǎn)上的棱鏡組件進(jìn)行觀測，測量T型車體組件在該點(diǎn)的位置水平、高程坐標(biāo)，測量結(jié)果自動輸入測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件；
[0017]第五步，手動向上抬起三個行走輪的剎車扳手，釋放三個行走輪，推動推桿組件，使T型車體組件以近勻速狀態(tài)通過測量段，在T型車體組件運(yùn)動過程中，慣性傳感器組件、導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線移動站組件與導(dǎo)航衛(wèi)星接收天線基站組件、三個高精度里程計組件、軌距測量組件進(jìn)入測量狀態(tài)，獲取相應(yīng)測量數(shù)據(jù)并有序輸入測量系統(tǒng)控制計算機(jī)組件，推行者控制T型車體組件停止于該段終點(diǎn)，操作三個