基于惯性定位定向的高铁轨检仪研究

王勇刚，周俊萍，李永江，李　亮，彭志强

(中国航天三江集团红峰控制有限公司，孝感 432100)

0　引言

高速铁路作为新一代的轨道交通，对轨道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，分别是利用轨检仪检查和使用道尺、弦绳等工具手工检查。

轨检仪检查项目全面，且轻便、精确，相对于道尺、弦绳等工具来说提高了效率，但仍有较大空间来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、陀螺轨检仪，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。其优点是它属于绝对测量、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，且测量效率较低。在目前的高铁时间天窗内，每5h只能测量60m左右。若在两个轨枕之间的线路出现异常情况，如图2所示，这种轨检仪是无法检出的，也就是说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。其优点是效率高、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，是弦测法而非轨迹法。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。

作为追求精度、效率和可靠性的方法之一，本文提出了一种基于定位定向技术的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，它的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，也需要利用全站仪将高铁测控网上的参数引入；不同点在于它只是将待测轨道线路上的个别点引入作为测量基准点，如起点、终点、个别中间点。

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，以组合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

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。产品的原理构成框图如图3所示。

考虑到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，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，有其自身独特的工作原理，基本工作原理如图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进行推行，推行过程中产品工作在惯性组合导航与定位定向解算状态；若推行距离过长，为保证测量精度，会在推行路线的中间设置一些测量基准点，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，轨检小车车轮锁死，用全站仪测量出终点的基准点参数，然后进行二次自对准；自对准完成后，本次测量结束。最后利用保存的测量数据，进行离线多层闭环修正计算，再将得到数据转换到高铁测控网下的数据形式，输出测量结果。

2　高铁轨检仪的工作原理分析

对高铁线路实现的所谓绝对测量是建立在高铁测控网基础上的测量，即测量的参数必须与高铁测控网的参数意义一致。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，只有CPⅢ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所谓的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，即在全站仪为中心的半径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千千米的高铁线路，与此类似的有飞机的航迹和轮船航迹，二者的航迹都是使用惯性组合导航技术进行航迹测量实现导航的。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，考虑到高铁轨道是地面线路，高铁测控网已经是高精度GPS广域差分技术建立起来的，论证后本高铁轨检仪边采用了结合里程计、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CGCS2000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。

3　高铁轨检仪的硬件构成分析

硬件中首先关注的是T型结构轨距小车，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型结构轨距小车隐含着原理性假轨距、假水平问题，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，它采用了空间正交得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精度可以达到0.001＂的精度，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要的传感器。

利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，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。惯性定位定向技术在理论上认为3只正交陀螺敏感到的是角速度包括地球在宇宙惯性空间中的角速度，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优于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。

精密里程计在测量距离上具有精确的优势，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，加速度计的信号虽然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。

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，为避免多次重复性测量带来的架设困难，一般要在测量路段的起点、终点各架设一台全站仪。此外，T型结构轨距小车还要安放电池、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。

4　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，减小惯导的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。后用不同的同级精度光纤陀螺数据进行同条件仿真，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。

5　高铁轨检仪初步推行试验结果

为了验证理论仿真计算的准确度，工程技术人员搭建了一台半实物仿真轨检小车。受条件限制，采用的光纤惯导精度在0.1(°)/h左右，固定光纤惯导产品时采用夹板临时固定，借用的T型结构轨距小车上只有1只车轮上有里程计。尽管达不到预定要求，但能够进行功能验证。

在一条高铁备用弯道式道岔上进行了推行试验，试验现场如图6所示。

受试验条件限制，轨检小车为一台待维护的小车，改制后没有对小车的结构松动部分进行加固，光纤惯导产品也没有严格固定。场地方面，该备用弯道道岔上的CPIII点有不少已经损毁，且路段上有一条高压地线绝缘隔离缝隙(用绝缘聚砜材料填充)；路段上只好在试验路段的起点、终点使用CPII的物理参数数据，线路总长为515m。本次试验共计推行10组数据(往返各5次)，耗时2h。推行试验获得的数据通过离线计算和处理，得到的推行试验测量曲线如图7所示。

从图7中可以看出，除了第5组往返推行的垂直、侧向测量曲线(往返各1条，共2条)误差过大外，其他4组数据的重复性极差为5mm，8条曲线的重复性误差仅为1mm(1σ)。事后排查发现，最后一组失效的原因是轨检小车的侧向测量轮固定销脱落。此外，在高程的变化曲线上，可以清晰反映出轨缝的位置和状态。

不足之处在于，本次试验并未按预定的产品设计状态进行试验，试验得到的测量精度远远没有达到理论仿真的精度。由于大量CPⅢ点的缺失，无法给出平面网格坐标系下的对比数据，而且得到的测量曲线也没有转换到高铁测控网的坐标体系下。

初步试验证实，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，实际检测中也能达到0级轨检仪的精度。

6　结论

通过理论分析、数学仿真和初步试验的论证可确认，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。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，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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