一种基于高铁线性标志/卫星/里程仪的里程定位方法

摘要

本发明属于铁路轨道检测领域，涉及一种基于高铁线性标志/卫星/里程仪的里程定位方法。本发明包括以下步骤：步骤1，里程仪数据采集与处理；步骤2，卫星数据采集与处理；步骤3，高铁线性标志数据采集与处理；步骤4，里程仪刻度系数实时标定；步骤5，里程计算。本发明实现在正线、桥梁、隧道等多种条件的高速铁路里程定位精度优于10cm，小于轨枕铺设间距0.625m，可以将轨道故障精确定位到具体轨枕，提高工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于铁路轨道检测领域，涉及一种基于高铁线性标志/卫星/里程仪的里程 定位方法。

背景技术

在高速铁路无砟轨道建设、维护过程中，经常需要对轨道参数进行测量，根据测 量结果对轨道进行调整、维护。这就需要系统提供精确的里程信息。现有的里程定位 方法为卫星、里程表和人工对标方法，其中卫星定位方法多采用单点GPS，里程表分 辨率多为几百脉冲/转，人工对表与操作人员的反应速度有密切关系，精度为米级， 不足以定位到具体轨枕。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是：提供一种基于高铁线性标志/卫星/里程仪的高 精度的里程定位方法。

本发明采取的技术方案为：一种基于高铁线性标志/卫星/里程仪的里程定位方法, 包含以下步骤：

步骤1，里程仪数据采集与处理：

在轨道车某轮轴外侧安装一高分辨率光电里程仪，里程仪按固定频率向工控机发 送累计脉冲数，记录N_L，i；

步骤2，卫星数据采集与处理：

步骤2.1，卫星数据采集：

通过卫星接收机接收卫星数据，更新率不小于1Hz；

步骤2.2，卫星数据良好性判断：

卫星接收机按照设定频率输出ECEF坐标系下的XYZ信息，采用XYZ坐标数据计 算里程；每接收一组卫星数据，判断卫星信息良好性；当卫星状况良好时，计算卫星 里程增量，否则不记录；卫星状况良好判据为：卫星数NUM>n1，且位置精度强弱度 PDOP<n2，其中，n1不小于4，n2不大于3；

步骤2.3，卫星里程增量与对应的里程仪脉冲增量计算：

${\mathrm{\Delta L}}_{G,i}=\sqrt{{(X_{G,i}-X_{G,i-1})}^2+{(Y_{G,i}-Y_{G,i-1})}^2+{(Z_{G,i}-Z_{G,i-1})}^2}---\left(1\right)$

${\mathrm{\Delta N}}_{G,i}=N_{L,i}-N_{L,i-1}---\left(2\right)$

其中，(X_G，i，Y_G，i，Z_G,i)为i时刻对应的卫星定位的轨道车位置信息；

ΔL_G,i为i-1时刻到i时刻卫星定位的的轨道车里程增量；

ΔN_G,i为i-1时刻到i时刻的里程仪脉冲增量；

步骤2.4，更新累积里程：

$L_{1,i}=\underset{m=1}{\overset{i}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{G,m}---\left(3\right)$

其中，L_l，i为i时刻的累积里程；

ΔL_G,m为m-1时刻到m时刻卫星定位的的轨道车里程增量；

步骤3，高铁线性标志数据采集与处理：

步骤3.1，高铁线性标志标号采集：

通过高铁线性标志获取装置可以接收到包括横向距离D_C、垂向距离H_C、左里程仪 累计脉冲数N_L,j的数据包，采用查表在线性标志数据库中得到对应的三维坐标 (X_C，i，Y_C，i，Z_C,i)；

步骤3.2，高铁线性标志里程增量与对应的里程仪脉冲增量：

计算每相邻两个高铁线性标志点之间的距离ΔL_C,i：

${\mathrm{\Delta L}}_{C,i}=\sqrt{{(X_{C,j}-X_{C,j-1})}^2+{(Y_{C,j}-Y_{C,j-1})}^2+{(Z_{C,j}-Z_{C,j-1})}^2}---\left(4\right)$

计算对应的里程仪脉冲增量ΔN_C,j：

ΔN_C,j＝N_C,j-N_C，j-1                                             （5）

步骤3.3，更新累积里程L_1,j：

$L_{1,j}=\underset{k=1}{\overset{j}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{C,j}---\left(6\right)$

步骤4，里程仪刻度系数实时标定：

步骤4.1，基本里程仪刻度系数计算：

里程仪光电编码器为N脉冲/转，车轮直径为D米，则刻度系数基础值k₀为：

$k_0=\frac{\mathrm{\pi D}}{N}---\left(7\right)$

步骤4.2，刻度系数k计算与修正：

以T为一个标定时间窗口，利用高精度的卫星数据和高铁线性标志数据，对刻度 系数进行标定；

设在T时间间隔内有m组卫星数据有效，n组高铁线性标志数据有效，若m+n>p， 其中p为不小于10的自然数，则计算并修正里程仪刻度系数；否则，令Δk_i=Δk_i-l；

刻度系数修正值计算公式如下：

设：ΔL=[ΔL_G,1 ΔL_G,2 … ΔL_G,m ΔL_C,1 ΔL_C,2 … ΔL_C,n]^T        （8）

ΔN＝[ΔN_G,1 ΔN_G,2 … ΔN_G,m ΔN_C,1 ΔN_C,2 … ΔN_C,n]^T           （9）

则：Δk_i=(ΔN^T·ΔN)^-1·ΔN^T·ΔL                                （10）

令：k=k₀+Δk_i                                                    （11）

步骤5，里程计算：

L=L₀+k(N_L-N_O)                                                    （12）

其中，L为当前里程，

N_L为当前脉冲数，

L₀为最近修正时刻的里程，

N_O为最近修正时刻的脉冲数。

本发明具有的有益效果：本发明实现在正线、桥梁、隧道等多种条件的高速铁路 里程定位精度优于10cm，小于轨枕铺设间距0.625m，可以将轨道故障精确定位到具 体轨枕，提高工作效率。

具体实施方式

本发明在高速铁路无砟轨道故障定位中的应用，应在装有光分辨率光电里程仪、 卫星接收机和高铁线性标志获取装置（专利报出号201110089812.4）的轨道车上使 用。具体操作步骤如下：

步骤1：里程仪数据采集与处理

在轨道车某轮轴外侧安装一高分辨率光电里程仪，里程仪按固定频率向工控机发 送累计脉冲数，记录N_L，i。

步骤2：卫星数据采集与处理

步骤2.1卫星数据采集

通过卫星接收机接收卫星数据，更新率不小于1Hz。

步骤2.2卫星数据良好性判断

卫星接收机按照设定频率输出ECEF坐标系下的XYZ信息，采用XYZ坐标数据计 算里程。每接收一组卫星数据，判断卫星信息良好性。当卫星状况良好时，计算卫星 里程增量；否则不记录。卫星状况良好判据为：

卫星数NUM>n1，且位置精度强弱度PDOP<n2

其中，n1为自然数，n2为自然数。

步骤2.3卫星里程增量与对应的里程仪脉冲增量：

${\mathrm{\Delta L}}_{G,i}=\sqrt{{(X_{G,i}-X_{G,i-1})}^2+{(Y_{G,i}-Y_{G,i-1})}^2+{(Z_{G,i}-Z_{G,i-1})}^2}$

ΔN_G,i=N_L,i-N_L，i-1

其中，(X_G，i，Y_G，i，Z_G,i)为i时刻对应的卫星定位的轨道车位置信息；

ΔL_G,i为i-1时刻到i时刻卫星定位的的轨道车里程增量；

ΔN_G,i为i-1时刻到i时刻的里程仪脉冲增量。

步骤2.4更新累积里程：

$L_{1,i}=\underset{m=1}{\overset{i}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{G,m}$

其中，L_l，i为i时刻的累积里程。

步骤3：高铁线性标志数据采集与处理

步骤3.1：高铁线性标志标号采集

通过高铁线性标志获取装置可以接收到包括横向距离D_C、垂向距离H_C、左里程仪 累计脉冲数N_L,j的数据包。采用查表在线性标志数据库中得到对应的三维坐标 (X_C，i，Y_C，i，Z_C,i)。

步骤3.2：高铁线性标志里程增量与对应的里程仪脉冲增量

计算每相邻两个高铁线性标志点之间的距离：

${\mathrm{\Delta L}}_{C,i}=\sqrt{{(X_{C,j}-X_{C,j-1})}^2+{(Y_{C,j}-Y_{C,j-1})}^2+{(Z_{C,j}-Z_{C,j-1})}^2}$

对应的里程仪脉冲增量：

ΔN_C,j＝N_C,j-N_C，j-1

步骤3.3更新累积里程：

$L_{1,j}=\underset{k=1}{\overset{j}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{C,j}$

步骤4：里程仪刻度系数实时标定

步骤4.1：基本里程仪刻度系数计算

里程仪光电编码器为N脉冲/转，车轮直径为Dm，则刻度系数基础值为：

$k_0=\frac{\mathrm{\pi D}}{N}(m/^)$

步骤4.2：刻度系数计算与修正

以T为一个标定时间窗口，利用高精度的卫星数据和高铁线性标志数据，对刻度 系数进行标定。

设在T时间间隔内有m组卫星数据有效，n组高铁线性标志数据有效，若m+n>p(p 为一自然数)，则计算并修正里程仪刻度系数；否则，令Δk_i=Δk_i-1。

刻度系数修正值计算公式如下：

设：ΔL=[ΔL_G,1 ΔL_G,2 … ΔL_G,m ΔL_C，1 ΔL_C,2 … ΔL_C,n]^T

    ΔN=[ΔN_G,1 ΔN_G,2 … ΔN_G,m ΔN_C,1 ΔN_C,2 … ΔN_C,n]^T

则：Δk_i=(ΔN^T·ΔN)^-1·ΔN^T·ΔL

令：k=k₀+Δk_i

步骤5：里程计算

L=L₀+k(N_L-N_O)

式中，L为当前里程

N_L为当前脉冲数

L₀为最近修正时刻的里程

N_O为最近修正时刻的脉冲数

实施例

步骤1：里程仪数据采集与处理

在轨检车左后轮轮毂外侧安装一3600脉冲/转的光电编码器，编码器按200Hz 的频率向工控机发送累计脉冲数，记录N_L，i。

步骤2：卫星数据采集与处理

步骤2.1卫星数据采集

卫星设备选用载波相位差分GPS，通过卫星接收机接收卫星数据，更新率为1Hz。

步骤2.2卫星数据良好性判断

卫星接收机以1Hz的频率输出ECEF坐标系下的XYZ信息，采用XYZ坐标数据计 算里程。每1s接收一组卫星数据，当判断卫星状况良好时，计算卫星里程增量；否 则不记录。卫星状况良好判据为：卫星数NUM>6，且PDOP<3。

步骤2.3卫星里程增量与对应的里程仪脉冲增量：

${\mathrm{\Delta L}}_{G,i}=\sqrt{{(X_{G,i}-X_{G,i-1})}^2+{(Y_{G,i}-Y_{G,i-1})}^2+{(Z_{G,i}-Z_{G,i-1})}^2}$

ΔN_G,i=N_L,i-N_L，i-1

(X_G，i，Y_G，i，Z_G,i)为i时刻对应的卫星信息；

ΔL_G,i为i-1时刻到i时刻的卫星里程增量。

ΔN_G,i为i-1时刻到i时刻的里程仪脉冲增量。

步骤2.4更新累积里程：

$L_{1,i}=\underset{m=1}{\overset{i}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{G,m}$

步骤3：高铁线性标志数据采集与处理

步骤3.1：高铁线性标志标号采集

通过高铁线性标志获取装置可以接收到包括横向距离D_C、垂向距离H_C、左里程仪 累计脉冲数N_L，j的数据包。采用查表在线性标志数据库中得到对应的三维坐标 (X_C，i，Y_C，i，Z_C,i)。

步骤3.2：高铁线性标志里程增量与对应的里程仪脉冲增量

计算每相邻两个高铁线性标志点之间的距离：

${\mathrm{\Delta L}}_{C,i}=\sqrt{{(X_{C,j}-X_{C,j-1})}^2+{(Y_{C,j}-Y_{C,j-1})}^2+{(Z_{C,j}-Z_{C,j-1})}^2}$

对应的里程仪脉冲增量

ΔN_C,j＝N_C,j-N_C，j-1

步骤3.3更新累积里程：

$L_{1,j}=\underset{k=1}{\overset{j}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta L}}_{C,j}$

步骤4：里程仪刻度系数实时标定

步骤4.1：基本里程仪刻度系数计算

里程仪光电编码器为3600脉冲/转，车轮直径为0.915m，则刻度系数基础值为：

k₀=0.0007985(m/∧)

步骤4.2：刻度系数计算与修正

以5min为一个标定时间窗口，利用高精度的卫星数据和高铁线性标志数据，对 刻度系数进行标定。

设在5min时间间隔内有m组DGPS数据有效，n组高铁线性标志数据有效，若 m+n>10，则计算并修正里程仪刻度系数；否则，令Δk_i=Δk_i-1。

刻度系数修正值计算公式如下：

设：ΔL=[ΔL_G,1 ΔL_G,2 … ΔL_G,m ΔL_C，1 ΔL_C,2 … ΔL_C,n]^T

    ΔN=[ΔN_G,1 ΔN_G,2 … ΔN_G,m ΔN_C,1 ΔN_C,2 … ΔN_C,n]^T

则：Δk_i=(ΔN^T·ΔN)^-1·ΔN^T·ΔL

令：k=k₀+Δk_i

步骤5：里程计算

L=L₀+k(N_L-N_O)

式中，L为当前里程

N_L为当前脉冲数

L₀为最近修正时刻的里程

N_O为最近修正时刻的脉冲数

至此，已经计算得到了高速铁路的里程信息。