基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，包括以下步驟:1)激光跟蹤儀設(shè)站位置在軌道一側(cè)，測量CPIII控制點，利用十三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標系和CPIII控制點坐標系的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)；2)在軌道上往返推行軌檢小車，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車上的靶球，獲取棱鏡點坐標；3)利用棱鏡點坐標和坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算左右軌道點三維坐標，從而計算軌道中線點三維坐標、軌道點距離和超高，再利用軌道設(shè)計線形數(shù)據(jù)，進行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的計算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明既能提高測量速率，又能獲取厘米甚至更小間隔的數(shù)據(jù)，更有利于軌道靜態(tài)平順性的快速測量和基于準確位置的軌道狀態(tài)分析。
【專利說明】基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，尤其是涉及一種基于激光跟蹤 儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前高速鐵路軌道靜態(tài)平順性測量普遍采用三維測量法。這種方法采用的設(shè)備 主要是全站儀和軌檢小車的集成系統(tǒng)，國內(nèi)外已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品或系統(tǒng)。全站儀測量 線路兩側(cè)的CPIII控制點（基樁控制網(wǎng)CPIII，Base-piles Control Points III)，使用自 由設(shè)站三維邊角后方交會法，獲取測站坐標。然后借助于全站儀實現(xiàn)光學跟蹤測量，鎖定軌 檢小車上的棱鏡，軌檢小車在軌道上移動，并停止于待測軌枕處，全站儀獲取棱鏡的三維坐 標，從而用于軌道絕對位置坐標計算，結(jié)合軌檢小車上傾角和軌距傳感器的測量數(shù)據(jù)，計算 軌道幾何狀態(tài)參數(shù)，并與軌道設(shè)計參數(shù)進行比較，計算軌道平順性參數(shù)。
[0003] 這種定點測量方式，絕對測量精度受全站儀影響較大。這種三維測量方法獲取的 是軌枕處的軌道測量數(shù)據(jù)，測量過程中采用"走停式"測量，測量速度較慢。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于激光跟蹤 儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] -種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0007] 1)激光跟蹤儀設(shè)站位置在軌道一側(cè)，測量CPIII控制點，利用十三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換， 獲取激光跟蹤儀坐標系和CPIII控制點坐標系的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)；
[0008] 2)在軌道上往返推行軌檢小車，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車上的靶球，獲取棱鏡點 坐標；
[0009] 3)利用棱鏡點坐標和坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算左右軌道點三維坐標，從而計算軌道中線 點三維坐標、軌道點距離和超高，再利用軌道設(shè)計線形數(shù)據(jù)，進行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的 計算。
[0010] 所述的利用十三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標系和CPIII控制點坐標系的 坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，具體為：
[0011] 坐標轉(zhuǎn)換模型采用3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成的9個旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)，1個尺度 參數(shù)，而旋轉(zhuǎn)矩陣9個參數(shù)中，僅有3個是獨立的，其余6個是非獨立的；坐標轉(zhuǎn)換模型：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 激光跟蹤儀設(shè)站位置在軌道一側(cè)，測量CPIII控制點，利用十三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換，獲取 激光跟蹤儀坐標系和CPIII控制點坐標系的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)； 2) 在軌道上往返推行軌檢小車，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車上的靶球，獲取棱鏡點坐 標； 3) 利用棱鏡點坐標和坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算左右軌道點三維坐標，從而計算軌道中線點 三維坐標、軌道點距離和超高，再利用軌道設(shè)計線形數(shù)據(jù)，進行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的計 算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其 特征在于，所述的利用十三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標系和CPIII控制點坐標系 的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，具體為： 坐標轉(zhuǎn)換模型采用3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成的9個旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)，1個尺度參數(shù)， 而旋轉(zhuǎn)矩陣9個參數(shù)中，僅有3個是獨立的，其余6個是非獨立的；
因此,M矩陣中,僅有3個獨立參數(shù),如選取a2、a3、b3為獨立參數(shù),則其余6個參數(shù)為：
C1 = a2b3_a3b2 (8) C2 = (9) 有7個獨立參數(shù)，若有3個以上的公共點，應(yīng)用最小二乘法解即可，但是旋轉(zhuǎn)矩陣中只 有三個獨立參數(shù)，其余六個參數(shù)是其非線性函數(shù)，因此直接解算非常復雜；所以采用下列方 法予以解決； 設(shè)未知數(shù)為3個平移參數(shù)、1個尺度參數(shù)、9個方向預先參數(shù)，將（1)式用泰勒級數(shù)展開 可得

其中，（ai，bp C1)為x軸在O-XYZ中的方向余弦，（a2, b2, c2)為y軸在O-XYZ中的方 向余弦，（a3, b3, C3)為z軸在O-XYZ中的方向余弦，ii為尺度比，（Xtl Ytl Ztl)為o-xyz的原 點相對于O-XYZ的原點的平移，上標為0的數(shù)為相應(yīng)參數(shù)的近似值，dXp dYp dZp d ii、dai、 da2、da3、db" db2、db3、dc" dc2、dc3 為改正數(shù)； 按照附有條件的間接平差法進行解算；解算時，根據(jù)改正數(shù)的大小判別是否滿足收斂 要求，如不滿足，進行迭代計算，直到滿足收斂要求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其 特征在于，所述的利用棱鏡點坐標和坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算左右軌道點三維坐標，具體為：通過 公式（1)的坐標轉(zhuǎn)換模型來獲得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其 特征在于，所述的計算軌道中線點三維坐標都是基于激光跟蹤儀獲取的軌道測量點和軌檢 小車幾何尺寸參數(shù)進行軌道點和軌距計算點坐標的計算，具體為： 利用軌檢小車與軌道接觸輪為特征點建立軌檢小車坐標系，軌檢小車固定端兩車輪1 和2的中心0定義為軌道點，以0為圓心，以車輪1、2所在直線為X軸，以過0點垂直于X 軸的方向為Y軸，建立左手坐標系X0Y，設(shè)棱鏡點坐標（xL，yL，zL)，軌道橫傾角為a，在工 程坐標系中，軌道點與棱鏡點在工程坐標系下的高程差dH和平面距離dS : 左軌道點有： dH = yL sin a+zL cos a (15) dS = yL cos a -zL sin a 右軌道點有： dH = -yL sin a +zL cos a dS = yL cos a +zL sin a (16) 同理，在小車坐標系中，軌距計算點坐標U，y，z)， 軌距計算點與棱鏡點在工程坐標系下的高程差dh和平面距離ds， 左軌距計算點： dh = (zL~z)cos a -(y-yL)sin a (17) ds = (y-yL) cos a+(zL_z) sin a 右軌距計算點： dh = (zL~z)cos a +(y-yL)sin a (18) ds = (y-yL)cos a -(zL_z)sin a 0
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測量與分析方法，其 特征在于，所述的利用軌道設(shè)計線形數(shù)據(jù)，進行軌道內(nèi)部幾何參數(shù)的計算： 得到的軌道中線點即為左右軌道點的中點，則中線點坐標為對應(yīng)里程的左右軌道點對 應(yīng)坐標的平均值，軌道內(nèi)部幾何參數(shù)包括軌距、水平/超高、軌向和高低； 通過獲得的左右棱鏡點換算左右軌距計算點，從而通過計算同意里程左右軌距計算點 的空間距離進行軌距的計算； 水平/超高利用左右軌的高程計算高差即為水平/超高，沿里程增大方向，右軌高出左 軌時，超高為正，反之為負； 基于各測點高低和方向矢高偏差計算軌向和高低，其中中波不平順高低和方向矢量偏 差公式為：
Pi為各測點高程的絕對偏差，其中i，j表示測點號，j < i < j+48,其中高程絕對偏差 為實測點在堅向到設(shè)計線形的距離；
【文檔編號】E01B35/00GK104358194SQ201410582419
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】姚連璧, 孫海麗, 徐恒立, 汪志飛, 李亞云, 王璇 申請人:同濟大學