張新春，崔希民

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)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(duì)準(zhǔn)方法

張新春，崔希民

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)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(duì)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(duì)準(zhǔn)方法。該方法利用軌道檢查儀掉頭方式，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)常值零偏補(bǔ)償。選用0.1°/h光纖陀螺儀和200 μg石英撓性加速度計(jì)組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在一鐵路路段進(jìn)行軌道檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙位置對(duì)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(cè)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(cè)精度明顯提高。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；軌道檢查儀；雙位置對(duì)準(zhǔn)

近年來(lái)我國(guó)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(yùn)輸能力不斷提升。鐵路軌道線路平順性是限制列車(chē)運(yùn)行速度的重要因素。鐵路線路不平順輕則影響車(chē)輛運(yùn)行速度，降低車(chē)輛工作壽命，重則引發(fā)惡性交通事故，危及行車(chē)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(cè)量鐵路軌道的內(nèi)部參數(shù)。初始對(duì)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(jìn)行導(dǎo)航解算的必要初始條件，初始對(duì)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(cè)量精度。在初始對(duì)準(zhǔn)方法中，最常采用的是直接對(duì)準(zhǔn)，而對(duì)于軌道檢查儀等高精度檢測(cè)儀器，粗對(duì)準(zhǔn)難以滿(mǎn)足精度要求，精對(duì)準(zhǔn)難以滿(mǎn)足時(shí)間要求，從而需要一種短時(shí)、高精度的對(duì)準(zhǔn)方法。多位置對(duì)準(zhǔn)包含雙位置對(duì)準(zhǔn)、四位置對(duì)準(zhǔn)等對(duì)準(zhǔn)方法[5- 6]，對(duì)準(zhǔn)精度高、速度快。多位置對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺及加速度計(jì)常值零偏的補(bǔ)償。本文提出了適用于軌道檢查儀的雙位置對(duì)準(zhǔn)方法，該方法利用軌道檢查儀180°掉頭模式，檢測(cè)并修正水平加速度常值零偏，提高軌道檢查儀水平檢測(cè)精度。

1 軌道幾何狀態(tài)慣性檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 絕對(duì)軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)儀

絕對(duì)軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)儀以高精度機(jī)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(guò)與CPIII控制網(wǎng)數(shù)據(jù)聯(lián)測(cè)，得到軌道的軌距、軌向、高低、水平、扭曲等平順性指標(biāo)，同時(shí)可計(jì)算出軌道平面、高程與設(shè)計(jì)值的偏差。該類(lèi)儀器測(cè)量精度高，但是測(cè)量方法復(fù)雜，每次測(cè)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(cè)系統(tǒng)

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)大型軌檢車(chē)上已有成熟的應(yīng)用，但其對(duì)慣性器件精度有較高要求，系統(tǒng)成本相對(duì)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(cè)儀載體相結(jié)合，研制適用于我國(guó)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(cè)系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[9- 10]。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為慣性器件誤差建模與補(bǔ)償、多傳感器信息融合及開(kāi)發(fā)用于鐵路檢測(cè)的慣性測(cè)量平臺(tái)。尤其選擇合適的零速姿態(tài)修正方法，既能保證較長(zhǎng)時(shí)間的慣導(dǎo)精度，又能保證載體的機(jī)動(dòng)性能。

2 雙位置對(duì)準(zhǔn)原理

2.1 坐標(biāo)系定義[11- 12]

2.1.1 載體坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱(chēng)b系)

軌道檢查儀載體坐標(biāo)系O-XbYbZb，原點(diǎn)為車(chē)體結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)O，Yb軸沿軌道檢查儀縱軸，指向運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)n系)

東北天地理坐標(biāo)系O-XnYnZn，原點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，且坐標(biāo)軸指向始終保持原有的確定指向。

2.2 初始對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)準(zhǔn)原理

(11)

(12)

對(duì)于軌道檢查儀掉頭180°，因?yàn)檐壍赖能壪蚣案叩筒黄巾?，?dǎo)致掉頭過(guò)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(jì)算式(13)得到

(14)

180°掉頭加速度計(jì)敏感地球重力加速度值為

(15)

對(duì)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(jiǎn)化為

(16)

從而水平向X、Y軸加速度計(jì)常值偏置為

(17)

3 軌道檢測(cè)試驗(yàn)

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

表1 慣性器件主要性能指標(biāo)

軌道檢測(cè)試驗(yàn)在北京某鐵路測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行，流程如下：軌道檢查儀雙位置對(duì)準(zhǔn)，隨后按照預(yù)定路線進(jìn)行軌道檢測(cè)，測(cè)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(jiàn)表2。

表2 GRP1000主要性能指標(biāo)

采用雙位置對(duì)準(zhǔn)及普通粗對(duì)準(zhǔn)的方式進(jìn)行處理，得到軌道水平測(cè)量結(jié)果，如圖1所示，從圖中看出普通粗對(duì)準(zhǔn)模式較雙位置對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，得到雙位置對(duì)準(zhǔn)及普通粗對(duì)準(zhǔn)解算精度，見(jiàn)表3，測(cè)量精度結(jié)果驗(yàn)證了雙位置對(duì)準(zhǔn)方法的正確性和有效性。

圖1 水平結(jié)果對(duì)比

表3 軌道檢測(cè)精度

4 結(jié) 語(yǔ)

軌道檢查儀利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雙位置對(duì)準(zhǔn)方法消除水平加速度計(jì)的常值零偏，降低了水平加速度計(jì)常值零偏對(duì)水平精度的影響，提高了軌道檢查儀檢測(cè)精度。在300 m的軌道檢測(cè)距離內(nèi)，采用雙位置對(duì)準(zhǔn)技術(shù)能夠有效提高軌道檢測(cè)精度，該技術(shù)對(duì)于提高軌道檢查儀軌道檢測(cè)精度具有實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51474217) 作者簡(jiǎn)介： 張新春(1976—)，男，博士生，研究方向?yàn)閼T性組合導(dǎo)航與軌道檢測(cè)。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(duì)準(zhǔn)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：5- 8.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0072.

P228

A

0494- 0911(2017)03- 0005- 04