高速铁路免置平车载全站仪CPⅢ自动照准测量方法研究

2021-02-26曹娟华朱洪涛朱嫣吴维军叶秋林卢仕山

铁道科学与工程学报 2021年1期

曹娟华，朱洪涛，朱嫣，吴维军，叶秋林，卢仕山

曹娟华1, 2，朱洪涛1，朱嫣3，吴维军1，叶秋林4，卢仕山4

(1. 南昌大学机电工程学院，江西南昌 330031；2. 江西制造职业技术学院，江西南昌 330095；3. 南昌航空大学飞行器工程学院，江西南昌 330095；4. 江西日月明测控科技股份有限公司，江西南昌 330000)

在车载全站仪免置平设站中，考虑全站仪测量精度和CPⅢ控制网的相对精度，通常需要进行多余观测以提高设站精度，但其依靠人工照准和观测的方式，测量效率低，操作体验差，难以满足高速铁路无砟轨道测量在效率和适应性方面的要求。基于车载全站仪位置姿态模型，提出一种免置平车载全站仪CPⅢ自动照准测量方法。计算机仿真结果表明，通常情况下，该方法能确保全站仪在免置平设站过程中正确锁定和照准目标棱镜；当线路偏差较大时，个别目标的正确锁定存在挑战，通过程序法或补偿法进行处理，可保证设站自动化的顺利进行。线路试验表明，基于免置平自动设站CPⅢ自动照准方法，设站测量效率提高1倍，综合测量效率提高50%，用户评价和体验得到改善。

高速铁路；车载全站仪；免置平设站；自动照准测量

基于车载全站仪免置平设站的快速型轨道测量仪是传统“相对测量”和“绝对测量”在机械、电子、软件、信息、功能等方面的一体化集成，并且在全站仪免置平设站方法及基于傅立叶变换DFT和傅立叶逆变换IDFT的信息处理方法取得了重要的创新[1]。快速型轨道测量仪在轨道线路上连续推行，通过陀螺仪或惯导模块采集线路相对轨迹，使用轨道绝对位置信息(即全站仪免置平设站成果，免置平设站通常是60～100 m进行一次)对线路相对轨迹进行约束，从而得到整条线路每个轨枕处的绝对位置信息和长波平顺性信息，并使精度满足高速铁路轨道精调的需要。免置平设站是快速型轨道测量仪的重要组成部分，综合考虑全站仪(以Leica TS60为例)0.5″测角精度和0.6＋1 ppm测距精度[2]，及CPⅢ控制网平面±1 mm的相对精度和高程±0.5 mm相对精度[3]，仅通过观测4个基桩点进行自由设站，其测量不确定度无法满足高速铁路轨道三维坐标测量对设站精度±1 mm的要求[4]。因此，在实际使用中，通常采用多余观测(通常是8个点)，极端情况下甚至需要多测回观测，从而能够使用测量平差算法提高设站精度[5−6]，其代价是增加了设站观测的工作量，损失了测量效率。同时，其困难还在于，车载全站仪安装于轨道检查仪上，全站仪的视准轴远低于测量人员人工观测的舒适高度，人工照准CPⅢ控制点费时费力，免置平设站测量工作量占总测量工作量的60%以上。因此，免置平设站需要采用人工的方式对每个CPⅢ控制点进行照准和测量，外业工作强度大、作业效率不高。车载全站仪免置平设站自动化的实现包括两大部分，一是全站仪前端的自动控制实现，主要包括自动化控制界面设计、自动化程序流程设计和数据自动容错处理等；二是车载全站仪免置平设站自动化模型与算法研究，主要包括全站仪随行过程中位姿模型的建立、全站仪位姿求解、CPⅢ控制点方位求解、算法仿真与验证等。车载全站仪免置平设站是轨道精测的重要环节，以设站自动化模型与算法为核心，尽可能减少其对人工观测的依赖，以提高测量效率和自动化程度，具有较强现实意义和工程应用前景。

1 车载全站仪位姿模型

轨道检查仪及其车载全站仪在轨道上走行，CPⅢ控制点与车载全站仪之间的相对位置因全站仪位置和姿态变化而变化，如图1所示。CPⅢ控制点在高速铁路工程独立坐标系(以下简称工程独立坐标系)下的坐标已知，若还能知道车载全站仪在工程独立坐标系下的位置和姿态，则求解CPⅢ控制点相对于车载全站仪的位置关系得到简化。

图1 车载全站仪位置和姿态示意

如图1所示，工程独立坐标系，第个CPⅢ控制点坐标为(X,Y,Z)，其数据来自于CPⅢ测量成果[7]，全站仪站点在坐标系下的坐标为(X,Y,Z)，来自于全站仪免置平设站。全站仪测量第个CPⅢ控制点，得到全站仪坐标系下的坐标(x,y,z)。轨检仪小车坐标系′′′以车载全站仪站点为原点，线路大里程方向为′轴正方向；小车横梁所在轴为′轴，与′轴正交；′轴垂直于′′平面，向上为正。

式中：为全站仪站点位置到轨检仪侧臂作用边的横向距离，全站仪靠向轨道内侧为正；为全站仪站点位置到轨检仪所在轨道面的垂向距离，全站仪高出为正；为轨检仪所在位置轨道的轨距测量值。

基于全站仪站点坐标和小车姿态(水平倾角、线路坡度角和线路方向角)，可得到轨道中线点在坐标系中的坐标(X,Y,Z)[8]：

式中：，和分别为小车姿态信息中的水平倾角、线路坡度角和线路方向角。

基于空间坐标转换原理，式(2)表示了小车坐标系′′′和工程独立坐标系为之间的坐标转换关系[9]，同理，也可推导出工程独立坐标系和全站仪坐标系之间的坐标转换关系。

式中：

令

联立公式(3)～(5)，得到：

至此，基于空间坐标转换的车载全站仪位姿模型建立完成，已知任意2个特征矩阵，可求第3个特征矩阵；已知空间中任意点在某已知坐标系下坐标，就有可能通过坐标变换求解该点在其余2个坐标系下坐标。

2 设站控制点照准方向估计

免置平设站自动化的关键在于根据车载全站仪位姿模型工程独立坐标系、全站仪坐标系及小车坐标系特征矩阵之间的变换关系，求解CPⅢ控制点相对于车载全站仪的方位，实现全站仪对CPⅢ控制点的“精确制导”。当双块式无砟轨道混泥土灌浆完成或板式无砟轨道轨道板铺设完成之后，线路实际位置已非常接近于设计位置，线路横向偏差和高程偏差通常小于20 mm(偏差再大，将无法调整)，基于此，当轨道检查仪在轨道上停稳并提供一个相对准确的线路里程(轨道检查仪里程传感器测量得到)，可根据轨道位置对车载全站仪位置和姿态进行估计。

轨道设计线形分为平面曲线设计线形(线形参数通常记录在曲线表中)和竖曲线设计线形(线形参数通常记录在坡度表中)，通过里程进行匹配。平面设计线形通常是直线、缓和曲线和圆曲线的组合，而竖曲线通常仅由直线和圆曲线组成。以平面曲线主要信息有交点号、纬距(北坐标)、经距(东坐标)、曲线半径、缓和曲线长、切线长、曲线总长等。缓和曲线是直线和圆曲线间曲率连续变化的过渡曲线，根据式(7)～(8)可计算缓和曲线上任意点的坐标：

式中：0为缓和曲线长；为圆曲线半径；为相对于缓和曲线起点的里程。

圆曲线段曲率不变，坐标变化规律相对简单，但圆心位置未知时，坐标计算稍显困难，但可利用缓圆点既是缓和曲线上的点又是圆曲线上的点这一边界条件进行计算：

当得到CPⅢ控制点在全站仪坐标系下的方位角后，软件程序便可根据该方位角控制全站仪进行自动旋转和自动测量，实现车载全站仪免置平设站的自动化。

3 精度分析及线路试验

进行车载全站仪位置和姿态的求解，是为了得到待测CPⅢ控制点的照准方向，从而实现设站过程中的自动照准测量。若照准方向误差超过一定限值，全站仪将无法找到目标棱镜，导致自动设站中断或失败，因此，需要对控制点照准方向误差进行分析。

3.1 数值模拟与算法仿真

根据仿真结果，车载全站仪概略位置误差对照准方向的水平角偏差和垂直角偏差的影响相对较小，车载全站仪概略姿态误差对水平角偏差和垂直角偏差的影响较大。究其原因：车载全站仪概略位置误差主要来源于里程定位误差，虽然最大可达100 mm，但其误差所在方向为线路方向，与CPIII控制点测量方向夹角非常小，从而对设站控制照准方向的水平角偏差和垂直角偏差的影响相对较小。其次，车载全站仪概略姿态误差主要来源于线路方向角和坡度角的误差，其大小依赖线路状态，当线路状态较差时，车载全站仪概略姿态误差较大，导致最终水平角偏差和垂直角偏差较大。仿真结果显示：同一站各CPⅢ间的水平角偏差和垂直角偏差具有较高的一致性，因此，在自动设站过程中，当完成第1个CPⅢ的照准后，可用其角度偏差对后续控制点的角度计算值进行补偿。

图3 垂直角偏差

图4 角度偏差中误差

图5 角度偏差极值

3.2 目标棱镜的正确性分析与处理方法

CPIII控制点纵向间距50～60 m，横向间距10～20 m，当测量线路为直线段时，照准方向最接近的两个CPIII控制点对应的最小水平夹角约为2.49°；高速无砟轨道曲线半径通常不小于5 000 m，对应的最小水平夹角约为2.15°。当设站控制点照准方向偏差超过对应最小水平夹角的1/2时，极有可能出现目标棱镜锁定错误，全站仪自动找寻到相邻棱镜的情况发生。根据计算仿真结果，当线路横垂向偏差的标准差为5 mm(极差小于15 mm)时，设站控制点照准方向小于0.91° ，基本不会出现目标棱镜锁定错误的情况发生。当线路横垂向偏差的标准差为10 mm(极差小于30 mm)时，设站控制点照准方向最大可能达到2.1°，可能出现目标棱镜锁定错误，全站仪自动找寻到相邻棱镜的情况发生。

因此，考虑到特殊情况下，全站仪ATR窗口搜索范围内针对多目标锁定指定目标存在目标锁定错误的风险，在完成棱镜测量后，需要根据距离偏差Δ对目标棱镜进行正确性检核。

3.3 线路试验

为验证方法是否正确、精度是否能够满足要求、设站自动化相关程序是否有效，在完成混凝土灌浆，还未进行长轨精调的双块式无砟轨道进行线路试验，并分析线路测量的效率改善程度和用户体验情况。

仪器：基于车载全站仪轨道精测系统样机(含Leica TS60全站仪，测角精度0.5″，测距精度0.6+ 1PPM)。

温度：20～26 ℃；气压：1 002～100 4 hPa；湿度：65%～81%；

试验方法：

1) 在线路上标记设站点，设站间隔约为60 m左右，1 km线路共16站。

2) 手动设站：采用手动照准的方式测量每一个CPⅢ控制点，采用完全手动设站方式完成16站的设站。

3) 半自动设站：采用手动照准的方式测量前4个CPⅢ控制点，并以此为基础计算全站仪概略位置和姿态及其余CPⅢ控制点的相对位置，进行后续CPⅢ控制点的自动旋转、自动照准和自动测量，即采用半自动设站方式完成16站的设站。

4) 完全自动设站：通过线路线形、快速型轨道测量仪的里程和姿态等测量信息计算车载免置平全站仪的概略位置、姿态及CPⅢ控制点的相对位置，进行后续CPⅢ控制点的自动旋转、自动照准和自动测量，即采用完全自动设站方式完成16站的设站。为避免特殊情况下，全站仪ATR窗口搜索范围内针对多目标锁定指定目标棱镜时发生目标错误，自动化设站软件采用补偿法进行处理。

软件自动记录每次设站的耗时(开始测量第1点时打开计时器，完成站点坐标计算后停止计时)，记录手动设站、半自动设站和完全自动设站的设站时间和设站残差，如表1所示。

表1 设站效率统计

表1中的设站时间仅指测量8个CPⅢ控制点的常规测量时间，并不包括测量残差超限需要重测或补测的非常规时间。从均值和标准差看，完全自动设站平均用时1.25 min，用时最少，标准差0.09 min，稳定性也最好；其次是半自动设站，平均用时2.29 min，标准差0.18 min；而手动设站平均用时2.93 min，标准差0.27 min，效率和稳定性均最差。快速型轨道测量仪线路测量包含基于免置平设站的线路定位测量和基于惯性法的线路相对轨迹测量，采用手动设站的1 km线路测量约需要1.2 h，测量效率为0.84 km/h；而采用了完全自动设站的1 km线路测量只需要0.8 h左右，测量效率1.25 km/h，因此，采用了完全自动设站的线路测量将总体测量效率提升了近50%。同时，对于手动设站，操作人员需不断地往返于上位机软件操作和全站仪之间，其中在全站仪端至少需要8次人工照准操作，在上位机软件操作端至少需要16次的选点和测量操作；而完全自动设站，仅需要1次选点操作和1次设站启动操作，仪器和软件操作简便、用户体验更好。

4 结论

1) 基于空间坐标矩阵运算方法，构建包含CPⅢ位置的车载全站仪位置姿态模型，充分利用线路设计线形位置、坡度、方向等信息求解全站仪坐标系下CPⅢ的照准方向，原理清晰，意义明确。

2) 根据计算机仿真结果，当线路偏差的标准差小于5 mm(不确定度99≈15 mm，置信度99%)，设站控制点照准方向小于0.91°，基本不会出现目标棱镜锁定错误的情况发生，可有效保证车载全站仪免置平自动设站的顺利进行。

3) 当线路偏差的标准差小于10 mm(不确定度99≈ 30 mm，置信度99%)时，角度偏差的极值小于2.1°，全站仪ATR窗口搜索范围内针对多目标锁定指定目标棱镜存在挑战，需要通过测量距离对目标进行检核，若目标错误，可通过程序法或补偿法进行处理，从而使设站自动化能够顺利进行。

4) 线路试验表明：采用CPⅢ自动照准测量方法，可实现免置平车载全站仪的完全自动设站，其平均设站时间下降至1.25 min/次，设站效率提升了1倍，线路测量总体效率达到1.25 km/h，提升近50%。同时，增加自动设站功能后，仪器和软件操作更加简便、用户体验更好。

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Research on the CPⅢ automatic aiming and measurement method of high speed railway based on vehicle ETS without leveling

CAO Juanhua1, 2, ZHU Hongtao1, ZHU Yan3, WU Weijun1, YE Quilin4, LU Shishan4

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China;2. Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang 330095, China; 3. College of Flight Vehicle Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330031, China; 4. Everbright Measurement and Control Technology Co., Ltd., Nanchang 330000, China)

Considering the measurement accuracy of the ETS (electronic total station) and the relative precision of the CPⅢ control network, the free-stationing of the vehicle ETS is usually necessary to make redundant observations to improve the accuracy of the station. However, relying on manual alignment and observation, the low efficiency and poor user experience make it unable to meet the measurement efficiency and adaptability requirements of high-speed railway. To improve measurement efficiency and optimize instrument operation, a method of the CPⅢ automatic aiming and measurement based on the vehicle ETS without leveling was proposed based on the vehicle ETS’s position and attitude model. Computer simulation results show that, in general, this method can ensure that the ETS can correctly lock and aim the target prism in the process of the free-stationing without leveling. When the line deviation is large, there is a challenge for the correct locking of individual targets, which can be handled by the program method or compensation method to ensure the smooth progress of station automation. Line experiments show that the free-stationing efficiency can be doubled. The comprehensive efficiency can be increased by 50 percent. The evaluation and user experience improved during the automation of free-stationing.

high speed railway; vehicle electronic total station; free-stationing without leveling; automatic aiming measurement