多传感器融合的轨道测量系统_韩玉龙.pdf

测绘通报2023 年第 6 期引文格式:韩玉龙，孙海丽，丁志刚，等 多传感器融合的轨道测量系统J 测绘通报，2023(6):110-116 DOI:10 13474/j cnki 11-2246 202300177多传感器融合的轨道测量系统韩玉龙1，孙海丽1，丁志刚2，钟若飞1，杜泽君1(1 首都师范大学三维空间信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048;2 山东北斗华宸导航技术股份有限公司，山东 淄博 255000)摘要:以多传感器集成为核心的动态观测和多源数据的协同解算是轨道工程测量的重要发展方向，并取得了重要的进展。但出于技术保护等原因，目前对多传感器整体集成的轨道测量系统相关文献研究较少。本文提出了一种基于多传感器融合的轨道测量系统及其数据处理方案，该系统以全站仪和惯导为主体传感器，采用移动测量-静止点定点校正的采集方式。在轨道几何参数解算上，研究系统针对不同的精度要求兼顾效率，给出了平差解算和单点控制两种静止点解算方案，融合固定区间滤波平滑推算动态轨迹，借助倾角姿态辅助解算轨道位置，从而实现轨道动态测量。试验表明，该系统实现了轨道线路的绝对测量，其测量轨道横向偏差精度为 4 mm、垂向偏差精度为 3 mm，满足现行指标要求，为轨道动态测量技术在道路和轨道运营检测与测量的发展提供了一种良好的参考方案。关键词:动态测量;全站仪;惯性导航;测量平差;RTS 平滑中图分类号:P258文献标识码:A文章编号:0494-0911(2023)06-0110-07Track measurement system based on multi-sensor fusionHAN Yulong1，SUN Haili1，DING Zhigang2，ZHONG Ruofei1，DU Zejun1(1 Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application，Capital Normal University，Beijing 100048，China;2 Shandong Compstar Navi Technology Co，Ltd，Zibo 255000，China)Abstract:Dynamic observation with multi-sensor set as the core and collaborative solution of multi-source data is an importantdevelopment direction of track engineering measurement，and important progress has been made However，due to technical protectionand other reasons，there are few literatures on the research and discussion of the integrated multi-sensor track measurement systemThis paper presents and introduces an orbit measurement system based on multi-sensor integration and its data processing scheme Thesystem takes total station and inertial navigation as the main sensors，and adopts mobile measurement-static point fixed-point correctionin the acquisition mode In the calculation of track geometric parameters，the research system gives two static point calculationschemes，adjustment solution and single point control，according to different accuracy requirements and taking into account efficiencyThe dynamic trajectory is calculated smoothly by fusing fixed interval filtering，and the track position is solved with the help ofinclination and attitude，so as to realize track dynamic measurement The experiment shows that the system realizes the absolutemeasurement of track line，and its measurement accuracy of lateral deviation is 4 mm and vertical deviation is 3 mm，which meets thecurrent index requirements，and provides a good reference scheme for the development of track dynamic measurement technology in thefield of road and track operation detection and measurementKey words:dynamic measurement;total station;inertial navigation;measurement adjustment;RTS smoothing随着国家轨道交通的快速发展，铁路运输业在规划建设、运营规模等方面持续增长，对铁路进行快速检测维护显得尤为重要。为保障列车运行的安全性、舒适性，必须保证铁路轨道的高平顺1-2。由于中国铁路线路长、跨越地区幅度大3，铁路沿线地区地形地质条件复杂4，需要对铁路轨道的路基变形情况和轨道几何状态等进行及时测量5。精确的轨道测量成果是轨道精调的重要依据，只有在精密测量成果的基础上，优化轨道调整方案，才能实现轨道几何状态的高平顺性6。早期的精密测量中，主要采用人工观测，很难满足交通基础设施大范围、连续、高效的检测与测量要求7-9。011收稿日期:2022-07-26基金项目:国家自然科学基金(42101444;42071444);北京市教育委员会科研计划一般项目(KM202010028012)作者简介:韩玉龙(1995)，男，硕士，主要从事三维信息获取与应用研究。E-mail:598753875 qq com通信作者:孙海丽。E-mail:sunhaili chu edu cn2023 年第 6 期韩玉龙，等:多传感器融合的轨道测量系统以多传感器集成技术为核心的动态观测和多源数据的协同解算是精密测量发展的重要方向，动态化、自动化、智能化、集成化是精密测量发展的必然要求10。目前市场广泛应用的是以 Amberg GRP 1000 和Trimble GEDO 为代表的绝对测量轨检小车，该类型小车利用全站仪的跟踪测量功能，配合车载棱镜，逐枕测量轨道位置。为了提高测量速度，AmbergGRP 1000 IMS 搭载了惯性测量单元(IMU)。受益于卫星定位技术的发展，文献 11 提出了一种基于GNSS/INS 多传感器组合的轨道测量方法。该方法利用连续运行参考站系统(CORS)基准站、小车搭载的全球导航卫星系统(GNSS)接收机、惯导系统等组合，实现轨道绝对测量与相对测量的一体化，显著提高了测量效率。但在无 GNSS 信号的场景下，如隧道、场站等，惯导定位定姿误差快速累积12，依然无法完全代替基于轨道控制网(CP)控制点的轨道测量方法。为了进一步提高效率，近年来出现了同时搭载全站仪和陀螺仪的“相对+绝对”复合测量小车，这种方法将全站仪集成在轨检小车上，通过与惯导或陀螺仪配合，实现内外几何参数的解算。由于省去了全站仪频繁搬站设站等操作，极大地提高了测量效率。但由于技术保护等原因，目前公开对此类整体集成车载全站仪等传感器的轨道测量系统研究讨论的文献较少。本文以全站仪和惯导为主体传感器集成一套轨道测量系统，同时研究了相关的配套软件及数据处理方案。数据采集方式上采用移动测量-静止点定点校正;移动点采用惯导/里程计联合推算;针对不同的精度要求兼顾效率，提出平面/高程平差和单点控制两种静止点解算方案。轨道交通场景受天窗时间较短、作业压力大等条件限制，静止点无法大量密集测量，因此必须充分利用控制点观测数据约束惯导、里程计，即典型的固定区间滤波平滑问题13。固定区间平滑所关注的是某一固定测量区间的状态最优估计问题，可以采用该测量区间内的全部观测量对该区间任意时刻的状态进行估计。Rauch Tung Striebel(RTS)平滑算法是一种经典的固定区间滤波平滑算法14。本文集成轨道测量系统，使用车载全站仪测量 CP点计算静止点坐标，根据惯导、里程计推算轨迹和静止点坐标误差，通过 RTS 平滑算法纠正里程和惯导姿态角，获取较高精度的动态点数据。轨道测量系统在轨道试验场地已经过测试，其轨道横向偏差和垂向偏差测量精度均满足现行高速铁路工程测量规范 相关指标要求，可用于高速铁路轨道绝对坐标测量、路基变形监测及轨道平顺性测量。1轨道测量系统集成轨道 测 量 系 统 主 要 由 TCA2003 全 站 仪、FSINS3X 惯导系统、轨道小车、笔记本电脑等组成，如图 1 所示。倾角仪为双轴倾角传感器，姿态测量静态精度为 0.01，倾斜范围为90，最大输出频率为 100 Hz，封装在轨道小车内。轨道小车内包含电机、里程计、轨距测量仪，可按照 0.5、1.0、1.5 m/s3 种不同速度在轨道上匀速行驶，里程计刻度误差为 0.45。在测量前，全站仪初始整平使之垂直于轨道测量小车，由电脑控制瞄准采集并储存数据。图 1轨道测量系统为了保证系统中的多传感器在时间系统中保持一致，全站仪、IMU 及轨道小车在空间坐标系统上保持一致，因此需要将系统中的各个传感器时间和空间坐标系统一15。1.1硬件设备集成的轨道测量系统主要包括全站仪、惯导、倾角仪、里程计等传感器，主要传感器具体型号和参数如下。(1)全站型电子测距仪。采用 TCA 2003 全站仪，其测角精度为 0.5，测距精度可达 1 mm+1106D，使用棱镜量程为 2500 m。(2)惯性测量单元。采用 FSINS3X 光纤捷联惯性导航系统，主要由陀螺仪、加速度计等组成，能快速测量运动载体的姿态、速度和位置等信息。通过设置，系统可以与 GPS、里程计等组合，得到更为准确的导航信息，其主要技术参数见表 1。111测绘通报2023 年第 6 期表 1FSINS3X 主要技术参数指标参数初始对准水平姿态0.020.05(max)航向0.06(静态启动)0.10(动态启动)导航姿态和航向保持0.01/h(纯惯导)定位精度0.8 nm/h(纯惯导)0.2%L(组合里程计)数据发送最大频率2000 Hz1.2数据处理系统基于轨道测量系统开发了关于隧道轨道测量中数据采集及处理相关算法的程序，在 Visual Studio2017 平台中，使用 C+语言进行开发。其中，主要包括集成系统控制、数据采集、数据后处理等模块，图 2 为程序设计结构。该程序可以实现全站仪测量坐标平差解算、单点解算，惯导里程计数据组合推算，静止点与动态轨迹融合等。主要功能为系统控制、数据采集、静止点坐标解算、惯导与里程计数据组合推算轨迹、生成轨道测量数据。图 2程序设计结构2轨道几何参数解算车载全站仪在进行静止点测量时，为了利用标定参数将全