CN103343498A - 一种基于ins/gnss的轨道不平顺检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统及方法，本发明以INS/GNSS组合测量系统作为核心测量设备，固定安装于移动支架上并随移动支架一起在轨道上移动，测量获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列。根据轨道的三维位置坐标、姿态角及轨距测量值，并结合轨道设计曲线参数，采用基于坐标法的轨道不平顺评估方法评估轨道不平顺。本发明实现了轨道不平顺的高精度、高效率动态测量，本发明基于坐标法评估轨道不平顺，评估方法更简便、直观、易于理解。

Description

一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统及方法

技术领域

本发明属于铁路轨道测量领域，涉及一种基于惯性导航系统（INS）与全球导航卫星系统（GNSS）组合测量技术的轨道不平顺检测系统及方法。

背景技术

动态轨检车、轻型轨检小车、弦线和道尺是目前测量轨道不平顺的主要设备和方法（可参见中国专利CN102337710A），现有的测量设备和方法在测量精度和测量效率上均难以同时满足高铁无砟轨道不平顺的检测要求。

1、动态轨检车

动态轨检车采用惯性基准测量原理，集成了包括惯性传感器在内的众多测量设备，具有测量效率高、综合性强和测量项目齐全等优点，能够检测评估线路的整体状况，给出整个路段轨道不平顺的功率谱，但难以对局部路段和重点检测路段给出细致准确的测量信息。同时动态轨检车检测轨道不平顺的波长和测量精度有限，尚不能满足指导轨道调整的精度要求，设备数量少且技术复杂。

2、轻型轨检小车

目前，轻型轨检小车发展迅速，应用广泛。其中较成熟的技术是以高精度全站仪为核心测量设备的轻型精密轨检小车。基于全站仪的轻型精密轨检小车采用绝对坐标法测量轨道几何形状和检测轨道不平顺。高精度全站仪实测精密轨检小车上棱镜中心的三维坐标，然后结合事先严格标定的轨检小车的几何参数、定向参数、横向倾角及实测轨距，即可换算出对应里程处的中线位置和轨面高程。进而与该里程处的轨道设计值进行对比，通过计算给定弦长检核点对之间的矢高差之差来检测轨道不平顺性。配备使用最高等级全站仪（0.5"级全站仪）和最高精度等级的轨检小车，能达到1.5mm的绝对位置精度。

基于全站仪的轻型精密轨检小车进行轨道不平顺检测存在以下缺陷：1）效率低下，全站仪须静止测量，后视多个控制点，采用“走走停停”的作业模式，预计效率为150m/h，难以在天窗时间内快速完成测量任务；2）对轨道控制网（CPIII）控制点依赖性强，全站仪自由设站需要后视6-8个CPIII控制点，而实际上CPIII控制点存在维护成本高，破坏严重等问题，给实际测量带来诸多不便；3）不利于长波检测，受全站仪测量能力限制，一次设站测量距离约60m，测站之间需要进行重叠段测量以便实现坐标系的统一；重叠段测量精度受控制点精度影响，因而存在“接边误差”，也即各测站的位置坐标难以高精度地转换至统一坐标系下，这将严重损害长波段不平顺的检测精度；4）不具备超短波轨道不平顺检测能力；5）环境条件要求苛刻，全站仪受外界测量环境影响较大，如温度、湿度、光线、能见度等，恶劣条件下基本不能作业。

虽然存在以上不足，但基于全站仪的轻型精密轨检小车是目前唯一能满足高铁轨道不平顺检测精度要求的测量方案，且用坐标描述轨道几何形状和检测轨道不平顺具有计算简单、形象直观、易于理解等优势。

3、弦线和道尺

采用弦线和道尺对轨道不平顺进行测量是一种较落后的方法，测量效率低下，需人工肉眼读数，测量精度低，不适合对高铁轨道进行不平顺检测，一般只在一些没有配备机械化检测设备的路段使用。

4、惯性测量技术在轨道测量和不平顺检测中的应用

惯性测量的优点是相对测量精度高，数据更新快，自主性强，不需要其它参考系。惯性测量技术在轨道测量和不平顺检测中应用广泛，主要应用方式可归纳为：1）在动态轨检车上的转向架或轴箱上安装侧向和垂向的加速度计来检测水平方向和垂直方向上的轨道不平顺；2）将加速度计安装在轻型轨检小车上，用以测量小车的倾斜角；3）将陀螺仪安装在轻型轨检小车上，测量轨道在平面方向和垂直方向上的角度变化，并据此进行航迹推算（Dead Reckoning，DR），检测水平方向和垂直方向上的轨道不平顺。

上述测量设备和测量方法均直接对惯性元件的原始测量值进行处理：

将加速度原始测量量对时间两次积分得到位移，然后根据位移量来检测轨道几何形状的相对变化量；对陀螺仪的原始测量量进行积分得到姿态测量值，并据此进行航迹推算。然而惯性测量技术精度受到多种因素的影响而不断发散，最主要因素是惯性传感器误差，如加速度计零偏、陀螺零偏、加速度计输出比例因子误差、陀螺输出比例因子误差等。对惯性量测信息在时间上做两次积分，传感器误差会随时间积累，测量精度随时间下降。因此这种基于加速度计或陀螺仪原始信号推算轨道不平顺的方法主要缺陷为：难以有效估计和补偿惯性传感器误差，未能实现对惯性传感器原始测量信息的最优化处理。

为解决上述单独使用加速度或陀螺仪时遇到的问题，惯性技术与其他技术的组合测量技术正逐步进入轨道测量领域。

国外，Trimble Applanix公司设计了一套轨道几何形位检测及列车定位综合解决方案POS-TG（可参见中国专利CN202124809U），该方案中集成了包括惯性测量单元和GPS接收机在内的众多传感器，能够提供轨道不平顺检测服务。但是该产品用在动态检测车中，安装于动态检测车的非动力转向架轮轴上，属于动态检测方案，仍然存在操作复杂，检测成本高等缺陷。

国内，西安奥通数码科技有限公司的韩云飞博士提出了一种GPS轨道不平顺检测系统及检测方法（可参见中国专利CN102337710A），属于轻型轨检小车方案，采用了惯性测量技术和GPS双天线的组合测量方式，并制定了一套新的轨道评估方式。该方案使用了GPS双天线测量得到同步的方向角和俯仰角来辅助INS航向和俯仰角测量值，以解决惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）的精度发散问题。GPS双天线是惯性测量的一种有效辅助手段，但该方案并仍存在以下不足：1）测量项目不全，该方法分别对两根钢轨单独进行测量，两根钢轨的测量值之间丧失了联系性，无法检测和评估轨道的超高不平顺和轨距不平顺；2）短波不平顺测量存在失真的问题；3）轨道不平顺评估难以和现行的评估方式建立联系；4）数据处理很复杂，需较多人工干预，在建立理想曲线的过程中，划分轨道类型区段时存在人为误判的可能性；

通过以上分析，现有轨道不平顺测量方法可归纳如下：

基于动态轨检车的动态检测由于多方面原因，尚难以指导轨道精调；实际轨道测量急需一种测量精度高、操作简便、作业效率高的便携式轻型轨检小车，现有的基于惯性测量技术的轨检小车有待进一步研究和完善，尚无成熟产品。目前，只有基于高精度全站仪的精密轨检小车能够在精度上满足高铁轨道不平顺测量精度要求，该方法能直接提供被测轨道的绝对位置坐标序列，根据位置坐标检测轨道不平顺，评估方式简便、直观、易于理解，但该方案亟需在其数据采集效率和坐标系统一等方面做出改进以适应高铁轨道不平顺的检测需求。

发明内容

针对现有轻型精密轨检小车及其不平顺检测技术所存在的缺陷，本发明提出了一种基于惯性导航系统（INS）与全球导航卫星系统（GNSS）组合测量技术、创新测量手段和传统轨道不平顺评估方法相结合的轨道不平顺检测方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统，包括测量单元，测量单元包括测量设备和轻型便捷式移动支架；测量设备安装于轻型便捷式移动支架上，包括INS/GNSS组合测量系统、里程计和位移传感器，用以获取轨道测量值。

本发明基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统，还包括数据处理单元，数据处理单元处理所述的轨道测量值，获取轨道空间几何形状，以检测评估轨道不平顺，并生成轨道调拨量。数据处理单元可通过拷贝数据或信息传输模块等方式获取轨道测量值。

上述轻型便捷式移动支架为轻型便携式轨道测量小车。轻型便携式轨道测量小车置于轨道面上，包括车体框架和车轮，车体框架为刚性结构，可真实反映轨道的姿态变化；车轮与轨道保持刚性接触，可真实反映轨道各方向的形变量。

上述INS/GNSS组合测量系统包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）、GNSS接收机和GNSS天线。惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用来测量轻型便捷式移动支架的三维加速度和三维角速度；里程计用来测量轻型便捷式移动支架沿轨道方向的运行距离；位移传感器用来实时测量完整的轨道轨距。

二、一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，根据INS/GNSS组合测量系统和里程计测量值获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，根据位移传感器测量值获取轨道轨距；基于轨道的三维位置坐标、姿态角序列以及轨道轨距，结合轨道设计曲线参数分析评估轨道不平顺。

上述根据INS/GNSS组合测量系统和里程计测量值获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，进一步包括子步骤：

所述的根据INS/GNSS组合测量系统和里程计测量值获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，进一步包括子步骤：

定位解算GNSS测量值，得到包含三维绝对位置和速度的GNSS轨道定位结果；

时间同步GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值、里程计测量值和位移传感器测量值，将轨道对轻型便捷式移动支架运动状态的非完整性约束用作量测更新，并与所述的GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值和里程计测量值进行融合和组合定位解算，得到带有GNSS时标的轨道三维位置坐标序列和姿态角序列。

采用卡尔曼滤波算法对GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值和里程计测量值进行组合定位解算，并将轨道对轻型便捷式移动支架运动状态的非完整性约束加入卡尔曼滤波算法。

上述评估轨道不平顺采用基于坐标法的轨道不平顺计算方法，具体为：

通过计算选定步长间隔的两里程点的设计矢高差与实测矢高差之间的偏差得到轨道不平顺信息。

上述评估轨道不平顺包括评估轨道超高不平顺和/或轨距不平顺。

所述的评估轨道超高不平顺由同一里程处左轨和右轨高程差获得，或采用如下方法获得：

根据轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，结合事先标定的轻型便捷式移动支架的几何参数、测量设备与轻型便捷式移动支架之间的相对位置和相对姿态，推算轨道间的真实姿态角序列；

将位移传感器测量值和轨道真实姿态角序列由时间同步转换至空间同步；

根据位移传感器测量值和轨道真实姿态角序列获得测量点的实测轨道超高；

根据实测轨道超高和轨道设计超高即可获得轨道的超高不平顺序列。

所述的评估轨道轨距不平顺采用如下方法获得：

根据轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，结合事先标定的轻型便捷式移动支架的几何参数、测量设备与轻型便捷式移动支架之间的相对位置和相对姿态，推算轨道间的真实姿态角序列；

将位移传感器测量值和轨道间的真实姿态角序列由时间同步转换至空间同步；

将位移传感器测量值与轨距设计值进行对比，得到对应里程处的轨距偏差，即轨距不平顺。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用惯性测量技术出色的相对测量能力和GNSS定位、测速的长期稳定性，且不依赖任何轨道控制点和其他辅助基准点，从而可实现轨道不平顺的快速、全面、连续、高精度的独立测量。

2、本发明使用方便，可实现“即装即用”的便携式操作，大大降低了对测量人员的专业要求；且在恶劣测试环境下也能正常工作。

3、本发明能快速获取轨道的三维位置坐标和姿态序列，测量效率高，可用于有天窗时间限制的线路轨道不平顺测量。

4、本发明采用坐标法描述轨道几何形状并检测轨道不平顺，在测量方式上采用相对测量与绝对测量相结合的方式，效率远高于全站仪；在轨道不平顺评估模式上与现行的基于高精度全站仪的精密轨检小车评估方法一致，形象直观、易于理解。

5、本发明不依赖任何地面控制点，能完全独立工作；厘米级的绝对位置误差远小于承轨台间距，从而可精确定位轨道不平顺发生的位置。与现有的依赖里程桩和线路里程计进行轨道不平顺定位相比，本发明不存在里程定位上的误差积累等问题，为今后减少铁路建设和维修投入成本提供了新的可能性。

6、本发明轨道不平顺测量波长覆盖全面：轨道三维位置坐标测量值均位于同一坐标系下，不存在与全站仪类似的“接边误差”，因而有利于长波不平顺的检测；同时本发明能检测超短波的轨道不平顺，这是基于全站仪的精密轨检小车所无法实现的。

附图说明

图1是本发明系统俯视图；

图2是本发明系统正视图；

图3是本发明测量的横滚角重复性对比图；

图4是本发明和现有基于全站仪的精密轨检小车的30米轨向不平顺测量结果对比图。

图中，1—车轮；2—GNSS天线；3—IMU；4—位移传感器；5—车体体框架；6—轨道；7—里程计。

具体实施方式

本发明以INS/GNSS组合测量系统作为核心测量设备，固定安装于移动支架上并随移动支架一起在轨道上移动，测量获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列。根据轨道的三维位置坐标、姿态角及轨距测量值，并结合轨道设计曲线参数，采用基于坐标法的轨道不平顺评估方法计算轨道的轨向、轨距、高低、超高等轨道不平顺信息。

由于轨道对测量小车运动状态具有较强的约束（即，非完整性约束），因此，根据轨道姿态角（包括横滚角、俯仰角和航向角）可建立两根钢轨之间的内在关联，据此推算出单根钢轨的三维位置坐标序列，检测单轨在水平和高程方向上的不平顺，以及左右轨的纵断面和轨道参数等检测数据。

基于INS/GNSS组合测量系统所获得的INS/GNSS坐标序列兼具高精度相对测量和厘米级绝对测量双重特性，高精度相对位置特性用以描述轨道几何形状，检测轨道不平顺；厘米级绝对位置特性用以定位不平顺发生的位置，据此给出轨道维修建议和具体的轨道调拨量。

下面结合附图和实例进一步说明本发明的具体实施方式。以下实施例用以说明但不限制本发明。

本具体实施例的轨道不平顺检测系统，包括测量单元和数据处理单元，其中，测量单元包括轻型便携式轨道测量小车和测量设备，测量设备通过数据采集单元或信息传输模块与数据处理单元交换数据；测量设备安装于轻型便携式轨道测量小车上，包括INS/GNSS组合测量系统、里程计和位移传感器。数据处理单元用来离线或在线分析测量设备的原始测量值，以获得轨道空间几何形状信息，并分析评估轨道不平顺，生成轨道调拨量。

见图1～2，本发明测量单元包括INS/GNSS组合测量系统、里程计7、位移传感器4和轻型便携式轨道测量小车。轻型便携式轨道测量小车包括车体框架5和车轮1，车体框架5为“T”形刚性车体框架，“T”形刚性车体框架和三个车轮1构成刚性整体结构，车体框架5与轨道面保持固定垂直。轻型便携式轨道测量小车可由人工推动或其他动力设备牵引，在轨道6上沿轨道方向运动；运动过程中，车轮1与轨道面始终保持刚性接触，时刻跟踪不同方向的轨道真实变形；刚性车体框架确保真实反映轨道的姿态变化，从而建立两根轨道之间的内在联系。本发明轻型便携式轨道测量小车不限于“T”形轻型轨检小车，“H”形或其他形状的轻型轨检小车均可。

INS/GNSS组合测量系统包括惯性测量单元（IMU）3、GNSS接收机和GNSS天线2。GNSS接收机板卡内置于惯性测量单元3壳体内，惯性测量单元3固定于车体框架5上，GNSS天线2通过天线安装杆固定于车体框架5上，惯性测量单元3与GNSS天线2之间的相对位置以及惯性测量单元3与轻型轨检小车间的相对位置和相对姿态均已事先标定。本发明所述的INS/GNSS组合测量系统包含但不仅限于惯性测量单元、GNSS接收机和GNSS天线，还包括以INS/GNSS为核心但融合了里程计、磁强计、气压高程计传感器中任意一种或多种的集成式组合导航系统。本发明所述的INS/GNSS组合测量系统不限于本具体实施方式采用的“一体式”INS/GNSS系统，也可以为GNSS接收机与INS未集成在同一壳体内的“分体式”组合导航系统。

惯性测量单元IMU3由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成，三轴陀螺仪用来测量轻型轨检小车的三维角速度，三轴加速度计用来测量轻型轨检小车的三维加速度。GNSS接收机测量GNSS天线在全球坐标系下的三维绝对位置坐标和速度。里程计用来测量轻型轨检小车沿轨道方向的运行距离，位移传感器用来实时测量完整的轨道轨距。IMU、GNSS接收机、里程计和位移传感器的原始测量值以GNSS秒脉冲（Pulses Per Second，PPS）为参考进行时间同步，打上统一的GNSS时间标签，按时间先后顺序排列并统一记录在数据采集单元中。数据处理单元采用卡尔曼滤波算法融合数据采集单元中记录的轨道测量数据，经组合定位解算，得到轨道三维位置坐标和姿态，结合轨道设计曲线参数检测各类轨道不平顺。

数据处理单元按照以下步骤处理数据采集单元中的轨道原始测量数据：

（1）数据读取

读取数据采集单元中的轨道原始测量数据。

（2）GNSS定位解算

采用PPK解算算法对读取的轨道测量数据中的GNSS原始测量值进行精密定位解算，得到包含全球坐标系下三维绝对位置坐标和速度的GNSS轨道定位结果，所述的三维绝对位置坐标和速度具有统一的GNSS时标。

GNSS轨道定位解算具体可采用事后动态差分定位（PPK）、实时动态差分定位（RTK）、精密单点定位（PPP）或单点定位（SPP）等解算模式解算GNSS原始测量值，优选采用事后动态差分定位（PPK）解算模式。

（3）INS/GNSS组合导航定位解算

将GNSS轨道定位结果、IMU原始测量值、里程计原始测量值进行时间同步，IMU原始测量值包括轻型便携式轨道测量小车的三维加速度和三维角速度，里程计原始测量值包括轻型便携式轨道测量小车沿轨道的运行距离；同时将轨道对轻型便携式轨道测量小车运动状态的非完整性约束用作量测更新，根据标定的惯性测量单元与GNSS天线之间的相对位置，利用卡尔曼滤波算法对GNSS轨道定位结果、IMU原始测量值和里程计原始测量值进行融合和组合定位解算，得到IMU测量中心处带有GNSS时标的三维位置坐标序列和姿态角序列。里程计测量值和非完整性约束是惯导解算的重要量测更新信息，尤其是当GNSS信号被遮挡或中断时，对于维持惯导测量精度具有重要意义。

非完整性约束是指轻型便携式轨道测量小车在轨道上沿轨道运动时，侧向和垂直方向上的速度几乎为零，因此可将该非完整性约束看作一种虚拟的测量数据，在卡尔曼滤波算法中作为一种测量信息，以提高组合导航解算精度，强化轨道位置与姿态角之间的内在相关性。

INS/GNSS组合导航解算方法可以为松组合解算模式、紧组合解算模式或PPK紧组合解算模式，其中，松组合解算模式下的GNSS解算方法包含事后动态差分定位（PPK）、实时动态差分定位（RTK）、精密单点定位（PPP）、单点定位（SPP）等解算模式。本具体实施中优选事后动态差分定位（PPK）解算方法。

（4）将步骤（3）得到的IMU测量中心处的三维位置坐标序列转换至当地水平坐标系（例如，东北天坐标系），并对当地水平坐标系下的三维位置坐标序列和姿态角序列按选定的步长进行拟合插值，得到具有固定里程间隔的轨道三维位置坐标序列和姿态角序列。

（5）根据事先严格标定的轻型便携式轨道测量小车的几何参数、以及IMU与轻型便携式轨道测量小车之间的相对位置关系和相对姿态，由步骤（4）得到的具有固定里程间隔的IMU测量中心处的三维位置坐标序列和姿态角序列推算轨道中线、左轨和右轨在平面和高程方向上的三维位置坐标序列和两轨间的真实姿态角序列。

（6）根据步骤（5）得到的轨道中线三维位置坐标序列，结合轨道设计曲线参数计算不同弦长的轨道中线轨向不平顺和高低不平顺，得到轨道调拨量。对于单条钢轨（即，左轨或右轨），根据东方向和北方向的坐标序列计算出轨道在水平方向上的不平顺，根据垂向坐标序列可以计算出轨道高程方向上的不平顺。

轨道设计曲线参数不仅限于轨道的原始设计曲线及轨道要素，还可为根据INS/GNSS坐标序列反算轨道参数后拟合得到的最佳轨道曲线。如，根据轨道中线三维位置坐标拟合得到最佳轨道曲线时，可采用整体最小二乘拟合方法，在直线段进行直线拟合；在圆曲线段进行圆弧拟合；在缓和曲线段进行多次曲线拟合。上述轨道要素包括轨道曲线类型及长度、缓和曲线段长度、圆曲线半径和转向方向、纵坡坡度和设计超高等。

本发明轨道不平顺计算方法包含但不仅限于计算选定步长间隔的两里程点的设计矢高差与实测矢高差之间的偏差。轨道不平顺计算方法见《客运专线轨道几何状态测量仪暂行技术条件》。

（7）将轨道原始测量数据中的位移传感器原始测量值和步骤（5）得到的轨道三维坐标序列和真实姿态角序列由时间同步转换至空间同步，例如，在轨道里程上对齐或根据绝对位置坐标进行对齐；将位移传感器测量得到的完整轨距测量值与轨距设计值进行对比，得到对应里程处的轨距偏差，即轨距不平顺。

（8）根据位移传感器测量得到的完整轨距测量值和轨道真实姿态角序列中的横滚角，计算各测量点的实测轨道超高δ_h=l×sinφ，其中，l为完整轨距测量值，即位移传感器测量值；φ为经安装角改正后的轨道真实横滚角测量值。实测轨道超高减去轨道设计超高即可得到轨道的超高不平顺值序列；实测超高也可直接由同一里程点上左轨、右轨的高程之差计算得到。

本发明采用固定在移动支架上的测量设备快速获取轨道的三维位置坐标序列、姿态角序列和轨距测量值，结合轨道设计值检测各类轨道不平顺。轨道的三维位置坐标序列可在、但不仅限于全球坐标系和当地水平坐标系下描述，还可以在任何其它轨道测量坐标系下表述。

本发明INS/GNSS组合测量系统可以为松组合模式、紧组合模式或深组合模式的组合测量系统。本发明惯性测量单元（IMU）包含但不仅限于战术级和导航级IMU。GNSS接收机和GNSS天线包含但不仅限于可接收全球系统(美国GPS/俄罗斯GLONASS/欧盟Galileo/中国BDS)、区域系统（日本QZSS/印度IRNSS）和广域增强系统（WAAS/EGNOS/SDCM/MSAS/GA GAN/NiSatCom-1）等导航定位系统信号的接收机和定位天线。

为考察本发明检测精度及可靠性，我们在新建的广珠城际高速客运专线上进行了实地轨道测量实验；从内符合精度和外符合精度两个方面对测试结果进行评估分析，结果如下：

为评估本发明测量结果的内符合精度，实验中对同一段轨道进行了四次测量，即两个往返测量。由本系统测量的轨道长度为1.2km，多次重复测试表明，测量结果具有很好的重复性。图3为对同一段轨道四次测量得到的横滚角序列对比图。从图中可以看出，四次测量获得的横滚角在里程上的曲线几乎一致，为了区分每次测量的曲线，作图时每条曲线上人为加入了不同的常值偏移。统计表明，四次测量得到的横滚角互差小于0.01度。

为评估本发明测量结果的外符合精度，将本发明测量结果与基于高精度全站仪的精密轨检小车测量值进行对比。由于全站仪测量效率低，参考系统的测量轨道长度为300m；图4为本发明和现有基于全站仪的精密轨检小车测量的30米轨向不平顺测量结果对比图，为使对比图清晰可读，图中只给出了前160米的结果进行对比分析。从图4可以看出：本发明与现行最高精度的基于全站仪的精密轨检小车测量结果几乎一致，但二者结果在部分细节处（如在相对里程区间[10,15]内）存在一定偏差，但偏差均小于30m轨道不平顺的检测的容许误差2mm。

Claims (10)

1.一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统，其特征是，包括测量单元，测量单元包括测量设备和轻型便捷式移动支架；测量设备安装于轻型便捷式移动支架上，包括INS/GNSS组合测量系统、里程计和位移传感器，用以获取轨道测量值。

2.如权利要求1所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统，其特征是：

还包括数据处理单元，数据处理单元处理所述的轨道测量值，获取轨道空间几何形状，以检测评估轨道不平顺，并生成轨道调拨量。

3.如权利要求1所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测系统，其特征是：

所述的轻型便捷式移动支架为轻型便携式轨道测量小车。

4.一种基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

根据INS/GNSS组合测量系统和里程计测量值获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，根据位移传感器测量值获取轨道轨距；基于轨道的三维位置坐标、姿态角序列以及轨道轨距，结合轨道设计曲线参数分析评估轨道不平顺。

5.如权利要求4所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

所述的根据INS/GNSS组合测量系统和里程计测量值获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，进一步包括子步骤：

定位解算GNSS测量值，得到包含三维绝对位置和速度的GNSS轨道定位结果；

时间同步GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值、里程计测量值和位移传感器测量值，将轨道对轻型便捷式移动支架运动状态的非完整性约束用作量测更新，并与所述的GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值和里程计测量值进行融合和组合定位解算，得到带有GNSS时标的轨道三维位置坐标序列和姿态角序列。

6.如权利要求5所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

采用卡尔曼滤波算法对GNSS轨道定位结果、惯性测量单元测量值和里程计测量值进行组合定位解算，并将轨道对轻型便捷式移动支架运动状态的非完整性约束加入卡尔曼滤波算法。

7.如权利要求5所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

所述的评估轨道不平顺采用基于坐标法的轨道不平顺计算方法，具体为：

通过计算选定步长间隔的两里程点的设计矢高差与实测矢高差之间的偏差得到轨道不平顺信息。

8.如权利要求5所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

所述的评估轨道不平顺包括评估轨道超高不平顺和/或轨距不平顺。

9.如权利要求8所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

所述的评估轨道超高不平顺由同一里程处左轨和右轨高程差获得实测轨道超高，或采用如下方法获得：

根据轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，结合事先标定的轻型便捷式移动支架的几何参数、测量设备与轻型便捷式移动支架之间的相对位置和相对姿态，推算轨道间的真实姿态角序列；

将位移传感器测量值和轨道间的真实姿态角序列由时间同步转换至空间同步；

根据位移传感器测量值和轨道真实姿态角序列获得测量点的实测轨道超高；

根据实测轨道超高和轨道设计超高即可获得轨道的超高不平顺序列。

10.如权利要求8所述的基于INS/GNSS的轨道不平顺检测方法，其特征是：

所述的评估轨道轨距不平顺采用如下方法获得：

根据轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列，结合事先标定的轻型便捷式移动支架的几何参数、测量设备与轻型便捷式移动支架之间的相对位置和相对姿态，推算轨道间的真实姿态角序列；

将位移传感器测量值和轨道间的真实姿态角序列由时间同步转换至空间同步；

将位移传感器测量值与轨距设计值进行对比，得到对应里程处的轨距偏差，即轨距不平顺。

Images