基于惯性定位定向的高铁轨检仪分析研究

王勇刚,周俊萍,李永江,陈贵金,郭恩志,李　亮,彭志强

(中国航天三江集团红峰控制有限公司，湖北孝感 432000)

0　引言

高速铁路作为新一代的轨道交通设施，对轨道线路的安全检测与维护要求也进一步提高。目前工程上对线路检查的主要手段是动、静结合，二者互相补充，综合应用。静态检查方法主要有两种，分别是利用轨检仪[1]检查和使用道尺、弦绳等工具手工检查[2]。

轨检仪检查项目全面，且轻便、精确，相对于道尺、弦绳等工具明显提高了效率[3]，但仍有较大空间提高效率和数据的全面性。现有轨检仪主要是光学式轨检仪[4]、陀螺轨检仪[4-5]，如图1所示。光学式轨检仪依托高铁测控网，借助全站仪，实现高铁线路的三维测量，优点是它属于绝对测量，且测量精度高；缺点是测量数据是离散的点，一般是在每个轨枕位置上测量一组数据，效率较低[6]，在目前的高铁时间天窗内，每5h只能测量60m左右。若在2个轨枕之间的线路出现异常情况[7](如图2所示)，如轨面凹坑、裂纹、凸点、异物贴附、起楞、正弦扭曲等，这种轨检仪是无法检出的。因为它的测量结果是在假定相邻测量点之间线路平滑的基础上拟合的。陀螺轨检仪是一种相对平顺性检查仪器，原理是在轨检小车上安装1或2只陀螺感知姿态，配合里程计信息检查轨道内参数，如弦长、三角坑等[8]。优点是效率有所提高，操作方便；缺点是精度低，属于相对测量，测量的弦长等参数是对真实线路的预估，为弦测法而非轨迹法。为进一步提高效率，也有不少单位尝试将上述两种轨检仪结合，达到既保证精度又提高效率的目的，但具体使用情况有待进一步观察和验证。

作为提高测量精度、测量可靠性和作业效率的方法之一，本文阐述了一种基于惯性定位定向技术[9]的0级轨检仪。该轨检仪的特点如下。

1)吸收现有光学式轨检仪的优点，测量基准仍然依附于现有高铁测控网；轨检仪的小车依然沿用现有轨检小车的形制，以轨检小车上的光学棱镜作为测量中心点，借助全站仪将高铁测控网上的参数引入；不同点在于它只是引入待测轨道线路上的个别点作为测量基准点，如起点、终点、个别中间点等。

2)采用高精度定位定向惯导作为核心测量组件，并融合基准点信息、多路里程计信息，以惯性组合导航中定位定向的方式作业；测量性质在理论上属于对轨道的绝对测量，测量结果理论上是连续的数据线而非离散点，更不是对真实线路的预估，同时也避免了图2中的测量缺陷。

1　高铁轨检仪的构成与工作原理

本高铁轨检仪主要由轨检小车、全站仪、笔记本电脑以及相关附属软件、配件等组成。轨检小车借鉴现有光学式轨检小车形制，不同点在于加装了一台高精度定位定向光纤惯导，3个车轮上均安装了高精度光电编码器作为里程计。产品的原理构成如图3所示。

由于里程计不能敏感自身轴向的位移变化、各车轮半径不一致、弯道行驶车轮转过距离存在差异等因素，高铁轨检仪采用3路精密里程计检测位移变化，并在算法处理上采用闭环修正处理里程计的测量误差。

采用惯性定位定向技术的高铁轨检仪的工作原理与目前常规的定位定向装置也不大相同，基本工作原理流程如图4所示。

高铁轨检仪进行测量时，首先要在起点严格固定位置并进行自对准，自对准完成并转导航后才能开始推行。推行过程中产品工作在惯性组合导航的定位定向解算状态；若推行距离过长，为保证测量精度，会在推行路线的中间增设若干测量基准点，轨检小车推行到这些测量基准点时，要严格对正或利用全站仪测量出轨检小车的基准点参数，并静止10s以上；到达终点后，令产品严格对正终点位置，轨检小车车轮锁死，或者再利用全站仪测量出终点的基准点参数，而后进行二次自对准；第二次自对准完成后，本次测量结束。作业完成后利用保存的测量数据，进行离线多层闭环修正计算，并将测量结果转换到高铁测控网下的CPIII数据形式。

转换数据输出形式既是高铁测量的判读要求，也有其内在的测量理论因素。

高铁线路的绝对测量是建立在高铁测控网基础上的测量[4]。高铁测控网是由CP0、CPI、CPII、CPIII构成，其中CP0、CPI、CPII是在CGCS2000坐标体系下采用广域差分GPS定位确定位置基准点的，海拔上结合了国家85高程标准。只有CPIII是在前3层基础上通过平差拟合确定的，基准精度达到了平差条件下的1mm水平，光学式轨检仪就是依托CPIII点在网格平面坐标系下达到的所谓1mm测量精度。

如果把一条绝对笔直的高铁线路放到地球模型下观察，会发现高铁线路是在地球表面上的一条弧线，因此网格平面坐标系的适用距离肯定有限。如果高程上以1mm精度计算，利用全站仪测量轨检小车棱镜参数的距离将不超过112.88m，即以全站仪为中心的半径在50m以内才可以。假定要拟合300m弦长下的参数，就必须多段拼接与拟合。

整体观察一条长达数千公里的高铁线路，与此类似的有飞机航迹和轮船航线，二者均使用惯性组合导航技术进行航迹测量。惯性技术中，载体运动轨迹测量精度最高的是惯性定位定向技术。高铁轨道是地面线路，高铁测控网是由高精度GPS广域差分技术建立起来的[4]，经分析论证后，本高铁轨检仪确定采用了结合里程计、高铁测控网的组合导航定位定向技术。

惯性组合导航定位定向输出的参数是在CGCS 2000坐标体系和85高程条件下的绝对输出参数，对高铁线路的测量属于绝对测量的轨迹法。因此，只要对本高铁轨检仪的输出参数像平差CPIII坐标参数那样处理，就会得到绝对测量轨迹。

2　高铁轨检仪的硬件构成分析

硬件中首先关注的是T型结构轨检小车，选用该结构的原因是它采用了3个车轮，这是在行走中最稳定且不会出现悬空的三角型结构，有利于里程计对行走距离的准确测量。尽管T型结构轨检小车存在着原理性假轨距、假水平问题[3,10]，但只要测量数据有效,是可以进行软件补偿的。

高精度光纤惯导是高铁轨检仪的核心组件，采用了空间正交的3只高精度光纤陀螺、3只高精度石英加速度计作为传感器件。工具误差补偿后，角速度敏感精度可以达到0.02(°)/h,加速度敏感精度可以达到50μg。在自对准阶段，若利用加速度计进行调平，输出的初始俯仰角、倾斜角(滚动角)精度在10.3＂左右，已经优于CGCS2000坐标体系下地球模型中20＂水平精度的要求。电子水平仪静态测量可以达到0.001＂的精度[11]，但在推行中动态输出数据已无意义，故没有使用电子水平仪作为必备的传感器。

对于使用惯性技术的轨检仪在测量中会因为角速度的真实分辨率带来假轨距、假水平问题，传统的陀螺轨检仪虽然也使用惯性器件作为测量核心器件,但原理上是在一定条件下的简化[12]，是以敏感车体相对轨道的角速度为基础的，除此之外的角速度均被视为误差，因此其真实分辨率并不高。而在惯性定位定向技术中，理论上认为3只正交陀螺敏感到的角速度包括地球自转的角速度分量，剔除后才是车体相对轨道的角速度。即使考虑陀螺的输出噪声误差，角速度的真实分辨率仍可达小于1＂的水平，由此带来的假轨距、假水平值均不超过0.007mm,完全可以忽略。

精密里程计在距离测量上具有相对测量精确的优势，可以弥补惯性导航位移随时间积累误差增大的问题，但里程计不能敏感自身轴向上的位移变化。小车在弯道上推行时属于侧滑转弯，虽然加速度计的信号能够对车轮的轴向滑动、车体侧滑进行位移修正，但基于现代滤波与容错的算法对侧滑的修正精度依然有限，为此配置3路里程计实现信号的冗余补充。

基于惯性定位定向技术的高铁轨检仪一般推行距离较远，在利用全站仪引入测量基准点信息时花费时间相对较长[13]，为避免多次重复性测量带来的架设困难，有必要在测量路段的起点、终点各架设一台全站仪。此外，T型结构轨检小车还要安放电池、笔记本电脑、车轮刹车锁死机构、轨距传感器、照明装置、棱镜、轨枕位置感知传感器等。

3　高铁轨检仪理论测量仿真精度分析

根据理论分析，利用某综合精度为0.02(°)/h的高精度光纤陀螺数据进行了高铁应用轨道检测仿真，仿真时按照TB/T3147标准中规定的车轮跳动量加入误差，仿真推行1000m，推行时间1000s。仿真计算的误差曲线如图5所示。

从图5的仿真结果可以看出，在推行1000m的情况下，最大侧向测量误差仅为-1.2535mm,最大垂直测量误差仅为1.2125mm。若推行距离缩短，或推行速度加快，减小惯导随时间积累而增大的误差，是完全可以达到1mm精度水平的，即与全站仪平差测量的精度同级。

工程应用必须考虑到同级精度光纤陀螺批产条件下的差异。为此，又选取9只不同批次、综合精度仍为0.02(°)/h的光纤陀螺进行仿真，仿真时车轮跳动误差、推行距离、推行时间不变。发现其重复性误差仅在±0.02mm之间。

若按照TB/T3147标准中的规定，该仿真的精度已经远远超过0级轨检仪的精度要求。考虑到测量基准点参数是通过全站仪将CPIII测控网参数引入的，基准精度在1mm水平，本高铁轨检仪暂时只能作为0级轨检仪使用。理论仿真结果也证实采用定位定向技术研制轨检仪的思路在工程上是可行的。

为验证仿真的可行性，搭建了一套工程样机进行高铁轨道测量试验。由于弯道最能考核产品的适应能力，故选取了一段弯道铁轨作为试验路段。现场采集到的试验数据取回后，再通过离线计算进行精度分析。从离线计算结果可以看出，样机测量精度的重复性可以到达1mm/500m(1σ)的水平，重复测量10次的效率优于500m/2h。

由此证实，采用定位定向技术的高铁轨检仪具备在高铁轨道检测应用方面的条件，实际检测中也能远远超过0级轨检仪3mm/300m的精度要求。

4　结论

通过理论分析、数学仿真和初步试验验证可以确认，采用惯性组合导航和定位定向技术的轨检仪应用于高铁轨道的静态测量是非常有前景的。在半实物仿真性质的推行试验中已经显示出这种新式产品极高的测量效率和精度。在工程的实现方面，目前高铁上的轨道检测小车是标准化的成熟产品[14]，只需按设定方案改制就能满足要求。国内货架产品中，精度优于0.02(°)/h的光纤陀螺种类已经很多，价格也在逐年下降，也为这种新产品的研制和大规模推广应用提供了基础。

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