基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道檢查儀雙位置對準(zhǔn)方法

張新春，崔希民

(中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道檢查儀雙位置對準(zhǔn)方法

張新春，崔希民

(中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

為提高軌道檢查儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)精度，提出適用于軌道檢查儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雙位置對準(zhǔn)方法。該方法利用軌道檢查儀掉頭方式，實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計常值零偏補償。選用0.1°/h光纖陀螺儀和200 μg石英撓性加速度計組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在一鐵路路段進行軌道檢測試驗。試驗結(jié)果表明，雙位置對準(zhǔn)方法能夠有效去除慣性器件零偏誤差導(dǎo)致的軌道參數(shù)檢測誤差，在軌檢儀連續(xù)工作300 m的情況下，鐵路軌道水平檢測精度明顯提高。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；軌道檢查儀；雙位置對準(zhǔn)

近年來我國鐵路交通事業(yè)迅速發(fā)展，普通鐵路線路提速，高速鐵路大量建設(shè)，鐵路運輸能力不斷提升。鐵路軌道線路平順性是限制列車運行速度的重要因素。鐵路線路不平順輕則影響車輛運行速度，降低車輛工作壽命，重則引發(fā)惡性交通事故，危及行車安全，因此鐵路軌道平順性要求非常嚴(yán)格[1]。基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道檢查儀可以精確測量鐵路軌道的內(nèi)部參數(shù)。初始對準(zhǔn)用于確定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行導(dǎo)航解算的必要初始條件，初始對準(zhǔn)的精度直接影響導(dǎo)航解算精度[2- 4]，從而直接影響軌道參數(shù)測量精度。在初始對準(zhǔn)方法中，最常采用的是直接對準(zhǔn)，而對于軌道檢查儀等高精度檢測儀器，粗對準(zhǔn)難以滿足精度要求，精對準(zhǔn)難以滿足時間要求，從而需要一種短時、高精度的對準(zhǔn)方法。多位置對準(zhǔn)包含雙位置對準(zhǔn)、四位置對準(zhǔn)等對準(zhǔn)方法[5- 6]，對準(zhǔn)精度高、速度快。多位置對準(zhǔn)的優(yōu)點是通過慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對陀螺及加速度計常值零偏的補償。本文提出了適用于軌道檢查儀的雙位置對準(zhǔn)方法，該方法利用軌道檢查儀180°掉頭模式，檢測并修正水平加速度常值零偏，提高軌道檢查儀水平檢測精度。

1 軌道幾何狀態(tài)慣性檢測系統(tǒng)

1.1 絕對軌道幾何狀態(tài)檢測儀

絕對軌道幾何狀態(tài)檢測儀以高精度機器人型全站儀、傾斜傳感器和里程傳感器為核心數(shù)據(jù)采集器，通過與CPIII控制網(wǎng)數(shù)據(jù)聯(lián)測，得到軌道的軌距、軌向、高低、水平、扭曲等平順性指標(biāo)，同時可計算出軌道平面、高程與設(shè)計值的偏差。該類儀器測量精度高，但是測量方法復(fù)雜，每次測量均需要精密調(diào)節(jié)和自由設(shè)站定向，作業(yè)效率較低[7- 8]。

1.2 軌道幾何狀態(tài)慣性檢測系統(tǒng)

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的軌道幾何檢測系統(tǒng)，在國內(nèi)大型軌檢車上已有成熟的應(yīng)用，但其對慣性器件精度有較高要求，系統(tǒng)成本相對較高。因此，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與現(xiàn)有軌道幾何狀態(tài)檢測儀載體相結(jié)合，研制適用于我國高速鐵路的低成本、高精度、高效率的新型軌道幾何狀態(tài)慣性檢測系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢[9- 10]。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為慣性器件誤差建模與補償、多傳感器信息融合及開發(fā)用于鐵路檢測的慣性測量平臺。尤其選擇合適的零速姿態(tài)修正方法，既能保證較長時間的慣導(dǎo)精度，又能保證載體的機動性能。

2 雙位置對準(zhǔn)原理

2.1 坐標(biāo)系定義[11- 12]

2.1.1 載體坐標(biāo)系(簡稱b系)

軌道檢查儀載體坐標(biāo)系O-XbYbZb，原點為車體結(jié)構(gòu)中心點O，Yb軸沿軌道檢查儀縱軸，指向運動方向，Xb軸沿軌道檢查儀橫軸向右，Zb軸垂直Xb軸和Yb軸，并構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

2.1.2 地理坐標(biāo)系(簡稱n系)

東北天地理坐標(biāo)系O-XnYnZn，原點為載體質(zhì)心，Xn軸和Yn軸在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，分別指向東向和北向，Zn軸沿當(dāng)?shù)卮咕€指向天。地理坐標(biāo)系隨載體一起運動，且坐標(biāo)軸指向始終保持原有的確定指向。

2.2 初始對準(zhǔn)原理

(1)

由Tψ、Tθ和Tγ可得

(2)

重力加速度g在載體系的投影關(guān)系[15]為

(3)

式中，ab=[axayaz]T為重力加速度在b系X、Y和Z軸加速度計上的投影；gn=[00g]，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

將式(2)帶入式(3)得到

ax=-sinγcosθg

(4)

ay=sinθg

(5)

從而得到俯仰角及橫滾角解算公式

(6)

(7)

地球自轉(zhuǎn)在b系陀螺儀投影關(guān)系式為

(8)

將式(2)帶入式(8)得到Y(jié)軸陀螺投影分量公式為

(9)

根據(jù)式(9)解算得到航向角

(10)

根據(jù)式(6)、式(7)和式(10)得到航向角、俯仰角和橫滾角計算公式，繼而依據(jù)主值區(qū)間即可得到具體的航向角、俯仰角及橫滾角，并根據(jù)式(2)解算得到姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

2.3 雙位置對準(zhǔn)原理

(11)

(12)

對于軌道檢查儀掉頭180°，因為軌道的軌向及高低不平順，導(dǎo)致掉頭過程中產(chǎn)生航向角偏差Δψ、俯仰角偏差Δθ和橫滾角偏差Δγ[19- 20]。180°掉頭的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣為

(13)

式中ψt=180°，從而計算式(13)得到

(14)

180°掉頭加速度計敏感地球重力加速度值為

(15)

對于正常軌道線路，高低、軌向誤差為小量，從而引起的航向角、俯仰角及橫滾角誤差均為小量，從而式(15)可以簡化為

(16)

從而水平向X、Y軸加速度計常值偏置為

(17)

3 軌道檢測試驗

選用0.1°光纖陀螺儀和200 μg石英撓性加速度計組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性器件主要性能指標(biāo)見表1。

表1 慣性器件主要性能指標(biāo)

軌道檢測試驗在北京某鐵路測試場地進行，流程如下：軌道檢查儀雙位置對準(zhǔn)，隨后按照預(yù)定路線進行軌道檢測，測量距離300 m。參考基準(zhǔn)選用安伯格GRP1000型軌道檢查儀，其精度指標(biāo)見表2。

表2 GRP1000主要性能指標(biāo)

采用雙位置對準(zhǔn)及普通粗對準(zhǔn)的方式進行處理，得到軌道水平測量結(jié)果，如圖1所示，從圖中看出普通粗對準(zhǔn)模式較雙位置對準(zhǔn)模式存在明顯的水平值的常值偏差。以GRP1000型軌道檢查儀測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，得到雙位置對準(zhǔn)及普通粗對準(zhǔn)解算精度，見表3，測量精度結(jié)果驗證了雙位置對準(zhǔn)方法的正確性和有效性。

圖1 水平結(jié)果對比

表3 軌道檢測精度

4 結(jié) 語

軌道檢查儀利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雙位置對準(zhǔn)方法消除水平加速度計的常值零偏，降低了水平加速度計常值零偏對水平精度的影響，提高了軌道檢查儀檢測精度。在300 m的軌道檢測距離內(nèi)，采用雙位置對準(zhǔn)技術(shù)能夠有效提高軌道檢測精度，該技術(shù)對于提高軌道檢查儀軌道檢測精度具有實際意義。

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Two- position Alignment Method for Inertial Navigation System of Rail Tester

ZHANG Xinchun,CUI Ximin

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In order to improve the alignment accuracy of inertial navigation system in rail tester, a two position alignment method for the inertial navigation system is proposed, which is using of u- turn mode, to achieve inertial navigation system accelerometer constant bias compensation. Select 0.1°/h FOG and 200 μg flexible quartz accelerometers making up inertial navigation system, and carry out a test. The results showed that the two position alignment method can effectively remove the orbital parameters detection error causing by inertial devices bias error. Continuous operation for 300 m, the railroad level detection accuracy is significantly improved.

inertial navigation system； rail tester； two position alignment

2016- 11- 09；

2017- 01- 17

國家自然科學(xué)基金面上項目(51474217) 作者簡介： 張新春(1976—)，男，博士生，研究方向為慣性組合導(dǎo)航與軌道檢測。E- mail：22501139@qq.com

張新春，崔希民.基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道檢查儀雙位置對準(zhǔn)方法[J].測繪通報，2017(3)：5- 8.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0072.

P228

A

0494- 0911(2017)03- 0005- 04