基于慣性定位定向的高鐵軌檢儀分析研究

王勇剛,周俊萍,李永江,陳貴金,郭恩志,李　亮,彭志強

(中國航天三江集團紅峰控制有限公司，湖北孝感 432000)

0　引言

高速鐵路作為新一代的軌道交通設施，對軌道線路的安全檢測與維護要求也進一步提高。目前工程上對線路檢查的主要手段是動、靜結合，二者互相補充，綜合應用。靜態檢查方法主要有兩種，分別是利用軌檢儀[1]檢查和使用道尺、弦繩等工具手工檢查[2]。

軌檢儀檢查項目全面，且輕便、精確，相對于道尺、弦繩等工具明顯提高了效率[3]，但仍有較大空間提高效率和數據的全面性。現有軌檢儀主要是光學式軌檢儀[4]、陀螺軌檢儀[4-5]，如圖1所示。光學式軌檢儀依托高鐵測控網，借助全站儀，實現高鐵線路的三維測量，優點是它屬于絕對測量，且測量精度高；缺點是測量數據是離散的點，一般是在每個軌枕位置上測量一組數據，效率較低[6]，在目前的高鐵時間天窗內，每5h只能測量60m左右。若在2個軌枕之間的線路出現異常情況[7](如圖2所示)，如軌面凹坑、裂紋、凸點、異物貼附、起楞、正弦扭曲等，這種軌檢儀是無法檢出的。因為它的測量結果是在假定相鄰測量點之間線路平滑的基礎上擬合的。陀螺軌檢儀是一種相對平順性檢查儀器，原理是在軌檢小車上安裝1或2只陀螺感知姿態，配合里程計信息檢查軌道內參數，如弦長、三角坑等[8]。優點是效率有所提高，操作方便；缺點是精度低，屬于相對測量，測量的弦長等參數是對真實線路的預估，為弦測法而非軌跡法。為進一步提高效率，也有不少單位嘗試將上述兩種軌檢儀結合，達到既保證精度又提高效率的目的，但具體使用情況有待進一步觀察和驗證。

作為提高測量精度、測量可靠性和作業效率的方法之一，本文闡述了一種基于慣性定位定向技術[9]的0級軌檢儀。該軌檢儀的特點如下。

1)吸收現有光學式軌檢儀的優點，測量基準仍然依附于現有高鐵測控網；軌檢儀的小車依然沿用現有軌檢小車的形制，以軌檢小車上的光學棱鏡作為測量中心點，借助全站儀將高鐵測控網上的參數引入；不同點在于它只是引入待測軌道線路上的個別點作為測量基準點，如起點、終點、個別中間點等。

2)采用高精度定位定向慣導作為核心測量組件，并融合基準點信息、多路里程計信息，以慣性組合導航中定位定向的方式作業；測量性質在理論上屬于對軌道的絕對測量，測量結果理論上是連續的數據線而非離散點，更不是對真實線路的預估，同時也避免了圖2中的測量缺陷。

1　高鐵軌檢儀的構成與工作原理

本高鐵軌檢儀主要由軌檢小車、全站儀、筆記本電腦以及相關附屬軟件、配件等組成。軌檢小車借鑒現有光學式軌檢小車形制，不同點在于加裝了一臺高精度定位定向光纖慣導，3個車輪上均安裝了高精度光電編碼器作為里程計。產品的原理構成如圖3所示。

由于里程計不能敏感自身軸向的位移變化、各車輪半徑不一致、彎道行駛車輪轉過距離存在差異等因素，高鐵軌檢儀采用3路精密里程計檢測位移變化，并在算法處理上采用閉環修正處理里程計的測量誤差。

采用慣性定位定向技術的高鐵軌檢儀的工作原理與目前常規的定位定向裝置也不大相同，基本工作原理流程如圖4所示。

高鐵軌檢儀進行測量時，首先要在起點嚴格固定位置并進行自對準，自對準完成并轉導航后才能開始推行。推行過程中產品工作在慣性組合導航的定位定向解算狀態；若推行距離過長，為保證測量精度，會在推行路線的中間增設若干測量基準點，軌檢小車推行到這些測量基準點時，要嚴格對正或利用全站儀測量出軌檢小車的基準點參數，并靜止10s以上；到達終點后，令產品嚴格對正終點位置，軌檢小車車輪鎖死，或者再利用全站儀測量出終點的基準點參數，而后進行二次自對準；第二次自對準完成后，本次測量結束。作業完成后利用保存的測量數據，進行離線多層閉環修正計算，并將測量結果轉換到高鐵測控網下的CPIII數據形式。

轉換數據輸出形式既是高鐵測量的判讀要求，也有其內在的測量理論因素。

高鐵線路的絕對測量是建立在高鐵測控網基礎上的測量[4]。高鐵測控網是由CP0、CPI、CPII、CPIII構成，其中CP0、CPI、CPII是在CGCS2000坐標體系下采用廣域差分GPS定位確定位置基準點的，海拔上結合了國家85高程標準。只有CPIII是在前3層基礎上通過平差擬合確定的，基準精度達到了平差條件下的1mm水平，光學式軌檢儀就是依托CPIII點在網格平面坐標系下達到的所謂1mm測量精度。

如果把一條絕對筆直的高鐵線路放到地球模型下觀察，會發現高鐵線路是在地球表面上的一條弧線，因此網格平面坐標系的適用距離肯定有限。如果高程上以1mm精度計算，利用全站儀測量軌檢小車棱鏡參數的距離將不超過112.88m，即以全站儀為中心的半徑在50m以內才可以。假定要擬合300m弦長下的參數，就必須多段拼接與擬合。

整體觀察一條長達數千公里的高鐵線路，與此類似的有飛機航跡和輪船航線，二者均使用慣性組合導航技術進行航跡測量。慣性技術中，載體運動軌跡測量精度最高的是慣性定位定向技術。高鐵軌道是地面線路，高鐵測控網是由高精度GPS廣域差分技術建立起來的[4]，經分析論證后，本高鐵軌檢儀確定采用了結合里程計、高鐵測控網的組合導航定位定向技術。

慣性組合導航定位定向輸出的參數是在CGCS 2000坐標體系和85高程條件下的絕對輸出參數，對高鐵線路的測量屬于絕對測量的軌跡法。因此，只要對本高鐵軌檢儀的輸出參數像平差CPIII坐標參數那樣處理，就會得到絕對測量軌跡。

2　高鐵軌檢儀的硬件構成分析

硬件中首先關注的是T型結構軌檢小車，選用該結構的原因是它采用了3個車輪，這是在行走中最穩定且不會出現懸空的三角型結構，有利于里程計對行走距離的準確測量。盡管T型結構軌檢小車存在著原理性假軌距、假水平問題[3,10]，但只要測量數據有效,是可以進行軟件補償的。

高精度光纖慣導是高鐵軌檢儀的核心組件，采用了空間正交的3只高精度光纖陀螺、3只高精度石英加速度計作為傳感器件。工具誤差補償后，角速度敏感精度可以達到0.02(°)/h,加速度敏感精度可以達到50μg。在自對準階段，若利用加速度計進行調平，輸出的初始俯仰角、傾斜角(滾動角)精度在10.3＂左右，已經優于CGCS2000坐標體系下地球模型中20＂水平精度的要求。電子水平儀靜態測量可以達到0.001＂的精度[11]，但在推行中動態輸出數據已無意義，故沒有使用電子水平儀作為必備的傳感器。

對于使用慣性技術的軌檢儀在測量中會因為角速度的真實分辨率帶來假軌距、假水平問題，傳統的陀螺軌檢儀雖然也使用慣性器件作為測量核心器件,但原理上是在一定條件下的簡化[12]，是以敏感車體相對軌道的角速度為基礎的，除此之外的角速度均被視為誤差，因此其真實分辨率并不高。而在慣性定位定向技術中，理論上認為3只正交陀螺敏感到的角速度包括地球自轉的角速度分量，剔除后才是車體相對軌道的角速度。即使考慮陀螺的輸出噪聲誤差，角速度的真實分辨率仍可達小于1＂的水平，由此帶來的假軌距、假水平值均不超過0.007mm,完全可以忽略。

精密里程計在距離測量上具有相對測量精確的優勢，可以彌補慣性導航位移隨時間積累誤差增大的問題，但里程計不能敏感自身軸向上的位移變化。小車在彎道上推行時屬于側滑轉彎，雖然加速度計的信號能夠對車輪的軸向滑動、車體側滑進行位移修正，但基于現代濾波與容錯的算法對側滑的修正精度依然有限，為此配置3路里程計實現信號的冗余補充。

基于慣性定位定向技術的高鐵軌檢儀一般推行距離較遠，在利用全站儀引入測量基準點信息時花費時間相對較長[13]，為避免多次重復性測量帶來的架設困難，有必要在測量路段的起點、終點各架設一臺全站儀。此外，T型結構軌檢小車還要安放電池、筆記本電腦、車輪剎車鎖死機構、軌距傳感器、照明裝置、棱鏡、軌枕位置感知傳感器等。

3　高鐵軌檢儀理論測量仿真精度分析

根據理論分析，利用某綜合精度為0.02(°)/h的高精度光纖陀螺數據進行了高鐵應用軌道檢測仿真，仿真時按照TB/T3147標準中規定的車輪跳動量加入誤差，仿真推行1000m，推行時間1000s。仿真計算的誤差曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結果可以看出，在推行1000m的情況下，最大側向測量誤差僅為-1.2535mm,最大垂直測量誤差僅為1.2125mm。若推行距離縮短，或推行速度加快，減小慣導隨時間積累而增大的誤差，是完全可以達到1mm精度水平的，即與全站儀平差測量的精度同級。

工程應用必須考慮到同級精度光纖陀螺批產條件下的差異。為此，又選取9只不同批次、綜合精度仍為0.02(°)/h的光纖陀螺進行仿真，仿真時車輪跳動誤差、推行距離、推行時間不變。發現其重復性誤差僅在±0.02mm之間。

若按照TB/T3147標準中的規定，該仿真的精度已經遠遠超過0級軌檢儀的精度要求。考慮到測量基準點參數是通過全站儀將CPIII測控網參數引入的，基準精度在1mm水平，本高鐵軌檢儀暫時只能作為0級軌檢儀使用。理論仿真結果也證實采用定位定向技術研制軌檢儀的思路在工程上是可行的。

為驗證仿真的可行性，搭建了一套工程樣機進行高鐵軌道測量試驗。由于彎道最能考核產品的適應能力，故選取了一段彎道鐵軌作為試驗路段。現場采集到的試驗數據取回后，再通過離線計算進行精度分析。從離線計算結果可以看出，樣機測量精度的重復性可以到達1mm/500m(1σ)的水平，重復測量10次的效率優于500m/2h。

由此證實，采用定位定向技術的高鐵軌檢儀具備在高鐵軌道檢測應用方面的條件，實際檢測中也能遠遠超過0級軌檢儀3mm/300m的精度要求。

4　結論

通過理論分析、數學仿真和初步試驗驗證可以確認，采用慣性組合導航和定位定向技術的軌檢儀應用于高鐵軌道的靜態測量是非常有前景的。在半實物仿真性質的推行試驗中已經顯示出這種新式產品極高的測量效率和精度。在工程的實現方面，目前高鐵上的軌道檢測小車是標準化的成熟產品[14]，只需按設定方案改制就能滿足要求。國內貨架產品中，精度優于0.02(°)/h的光纖陀螺種類已經很多，價格也在逐年下降，也為這種新產品的研制和大規模推廣應用提供了基礎。

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