基于惯性导航的轨道快速测量方法研究.pdf

基于惯性导航的轨道快速测量方法研究何立奎(南宁局集团公司桂林高铁基础设施段，助理工程师，广西桂林541001)摘要：通过对多源数据融合、运动约束惯导算法优化、里程计等传感器和车体设计改进，在满足轨道几何状态测量精度要求前提下，相较于传统作业方式，极大地提高作业效率，测量成果能够用于轨道养护和大机捣固维修。关键词：惯性导航；快速测量；轨道养护轨道在经过长时间运行后，会因地基沉降等多种原因发生变形，为确保轨道处于健康状态，需对轨道定期进行精密测量。因可用于上线作业天窗时间有限，一般只有23小时，对轨道几何状态测量效率提出很高要求，同时轨道几何状态测量精度高，不平顺性测量精度甚至需达到亚毫米级别精度，对数据处理算法设计和作业方式都带来很大挑战。1轨道测量存在问题目前，轨道检测应用较多的基于 GNSS/INS组合轨检小车能够满足“相当+绝对”测量要求，在工作效率和测量精度上较以往方式均有提升，但仍存在以下问题：一是惯导小车采取人推方式，测量速度取决于测量人行走速度，约为3km/h，距离理想作业速度还有较大提升空间。二是当遇到长大隧道时，在一个天窗时间内无法完成测量任务，这就对轨道检测作业效率提出更高要求。2基于惯性导航轨道快速测量原理2.1里程计数据处理当轨检小车行驶速度较快时，里程计易出现粗差。采用里程计数据粗差探测和双里程计数据检核，当里程计计算相邻点速度差异过大，超过设定阈值时，可以认为存在粗差，此时可采用二次函数或三次函数对里程计速度进行拟合，使用新拟合速度值代替里程计原始输出速度测量值。轨道检测车左侧里程计和右侧里程计数据差值超过设定阈值时，也可采用里程计速度拟合。2.2多源数据融合采用基于卡尔曼滤波的松组合将惯导、里程计、GNSS等数据融合，建立惯性传感器误差方程如下：vc=fc-()2wcie+wcievc+gc+Cpbfb =wcic+-Cpbwbidrc=wcecrc+vc式中，p、c、e、i、b为坐标系的表示，分别代表平台坐标系、计算坐标系、地球坐标系、惯性坐标系和传感器坐标系，Cpb代表方向余弦矩阵。将里程计比例因子建模为随时游走，将其增广到状态方程，同时可利用里程计输出速度作为观测值，建立观测方程，用来抑制惯导发散，计算坐标系下观测方程表示为：z=vvvheel-vvvheel=CvbCbn()vc-CvbCbn()vcIMU=Cvb()Ibwheel wbib-ev式中，vvvheel代表使用惯导输出推算出的车轮估计速度，vvvheel为里程计测量速度，Ibwheel为里程计相对于惯导的杆臂，ev为里程计测量输出误差。基于卡尔曼滤波数据融合后可获取位置、速度和姿态，将组合导航解算速度与里程计计算速度对比，超过阈值进行再滤波处理，同时基于卡尔曼新息广西铁道2023年增刊33广西铁道2023年增刊滤波抗差检测剔除异常数据，降低在20km/h测量速度下的传感器测量误差对数据处理结果影响。2.3运动约束当轨检小车静止在轨道上时，里程计输出脉冲增量近似为零，可通过里程计输出原始值对轨检小车静止状态进行检测，同时还可通过惯导陀螺仪和加速度计原始数据进行判断。轨检小车检测到速度为零时，可建立观测方程，通过零速修正来抑制惯导发散，具体方程如下：z=vnIMU-031=vc同时在载体坐标系下，正常运行状态下轨检小车侧向和垂向速度为零，可使用非完成性约束对惯导进行约束，提升组合导航系统测量精度。3数据采集与分析3.1外业测量使用动力车牵引惯导轨道快速测量仪前进方式作业，其中动力车牵引车能够在铁路轨道上安全行驶，最高速度可达25km/h，具备调节速度和刹车制动功能。惯导轨道快速测量仪集成高精度惯性导航仪、里程计、倾角计、轨距尺等传感器，采用“T”形结构设计，在双轮侧和单轮侧各安装一个里程编码器，用于里程计数据相互检核，以剔除粗差数据，里程计误差不大于1，惯性导航仪陀螺零偏稳定性不大于 0.01deg/h。动力车和惯导轨道快速测量仪采用具备一定缓震功能的连接器进行连接，如图1所示。图1动力车牵引的惯导轨道快速测量仪3.2组合导航解算惯导姿态初始对准方式为静对准，使用完全静止状态下采集五分钟数据计算惯导的初始姿态角，采用卡尔曼滤波对多传感器数据融合解算，为提高解算精度，对数据进行反向平滑处理。经组合导航解算，可获取惯导快速轨道测量仪高精度位置、速度和姿态信息。3.3线路三维重建各个传感器间采样率不同，在一次测量中无法保证各传感器在相同里程点处进行数据采集，因此需将各个传感器在时间域上采集的数据统一到空间域中，沿里程方向对轨道进行三维重建。轨距三维重建可采用单维度内插得到采样里程处轨距值，如线性或三次样条曲线内插。IMU推算得到轨道位置和姿态三维重建可采用“滑动窗口拟合法”：由采样点前后固定距离位置和姿态进行拟合，拟合方法可使用最小二乘，也可使用样条曲线，计算出采样点处具体位置和姿态。3.4轨道拟合与分析对三维重建后轨道中线平面坐标和高程以实测点到拟合曲线几何距离平方和最小为原则，拟合得到最优设计线形。由拟合最优设计线形和实测坐标计算左右钢轨实测横垂投影距离，实测投影距离与设计距离作差，可得到轨道横向偏差量和纵向偏差量，此时轨道横向偏差量和垂向偏差量较大，捣固大机无法一次性调整到位，可对实测轨道偏差量优化处理，按处理后成果进行调轨。3.5装备测试为测试动力车牵引惯导轨道测量仪在快速测量条件下设备稳定性和数据处理结果精度，在设定牵引车行进速度为8km/h、15km/h、23km/h条件下，在同一段普速铁路轨道进行反复测量实验，并将人推行轨道测量仪测量结果作为参照基准，牵引惯导小车测试数据轨距中误差为0.3mm，轨向高低10m弦中误差为 0.5mm，正矢中误差为 0.6mm，超高中误差为0.3mm，满足 普速铁路线路修理规则 中精度要求。4结束语基于轨检小车不足和工务对轨检小车高精度和高效率测量急迫需求，采用动力车牵引惯导轨道测量仪对轨道进行测量，创新作业方式，升级多传感器集成稳定性，优化数据处理算法，满足 普速铁路线路修理规则 精度要求，提高作业效率，节省人力物力。34