基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測(cè)量與分析方法
【專(zhuān)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(cè)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(cè)量CPIII控制點(diǎn)，利用十三參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系和CPIII控制點(diǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；2)在軌道上往返推行軌檢小車(chē)，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車(chē)上的靶球，獲取棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)；3)利用棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算左右軌道點(diǎn)三維坐標(biāo)，從而計(jì)算軌道中線(xiàn)點(diǎn)三維坐標(biāo)、軌道點(diǎn)距離和超高，再利用軌道設(shè)計(jì)線(xiàn)形數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的計(jì)算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明既能提高測(cè)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(cè)量和基于準(zhǔn)確位置的軌道狀態(tài)分析。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量普遍采用三維測(cè)量法。這種方法采用的設(shè)備 主要是全站儀和軌檢小車(chē)的集成系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品或系統(tǒng)。全站儀測(cè)量 線(xiàn)路兩側(cè)的CPIII控制點(diǎn)（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(huì)法，獲取測(cè)站坐標(biāo)。然后借助于全站儀實(shí)現(xiàn)光學(xué)跟蹤測(cè)量，鎖定軌 檢小車(chē)上的棱鏡，軌檢小車(chē)在軌道上移動(dòng)，并停止于待測(cè)軌枕處，全站儀獲取棱鏡的三維坐 標(biāo)，從而用于軌道絕對(duì)位置坐標(biāo)計(jì)算，結(jié)合軌檢小車(chē)上傾角和軌距傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算 軌道幾何狀態(tài)參數(shù)，并與軌道設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算軌道平順性參數(shù)。
[0003] 這種定點(diǎn)測(cè)量方式，絕對(duì)測(cè)量精度受全站儀影響較大。這種三維測(cè)量方法獲取的 是軌枕處的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量過(guò)程中采用"走停式"測(cè)量，測(cè)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(cè)量與分析方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性測(cè)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(cè)量CPIII控制點(diǎn)，利用十三參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系和CPIII控制點(diǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；
[0008] 2)在軌道上往返推行軌檢小車(chē)，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車(chē)上的靶球，獲取棱鏡點(diǎn) 坐標(biāo)；
[0009] 3)利用棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算左右軌道點(diǎn)三維坐標(biāo)，從而計(jì)算軌道中線(xiàn) 點(diǎn)三維坐標(biāo)、軌道點(diǎn)距離和超高，再利用軌道設(shè)計(jì)線(xiàn)形數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的 計(jì)算。
[0010] 所述的利用十三參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系和CPIII控制點(diǎn)坐標(biāo)系的 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，具體為：
[0011] 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型采用3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成的9個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)，1個(gè)尺度 參數(shù)，而旋轉(zhuǎn)矩陣9個(gè)參數(shù)中，僅有3個(gè)是獨(dú)立的，其余6個(gè)是非獨(dú)立的；坐標(biāo)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(cè)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(cè)量CPIII控制點(diǎn)，利用十三參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取 激光跟蹤儀坐標(biāo)系和CPIII控制點(diǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)； 2) 在軌道上往返推行軌檢小車(chē)，激光跟蹤儀跟蹤軌檢小車(chē)上的靶球，獲取棱鏡點(diǎn)坐 標(biāo)； 3) 利用棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算左右軌道點(diǎn)三維坐標(biāo)，從而計(jì)算軌道中線(xiàn)點(diǎn) 三維坐標(biāo)、軌道點(diǎn)距離和超高，再利用軌道設(shè)計(jì)線(xiàn)形數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道幾何內(nèi)部幾何參數(shù)的計(jì) 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(cè)量與分析方法，其 特征在于，所述的利用十三參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系和CPIII控制點(diǎn)坐標(biāo)系 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，具體為： 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型采用3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成的9個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)，1個(gè)尺度參數(shù)， 而旋轉(zhuǎn)矩陣9個(gè)參數(shù)中，僅有3個(gè)是獨(dú)立的，其余6個(gè)是非獨(dú)立的；
因此,M矩陣中,僅有3個(gè)獨(dú)立參數(shù),如選取a2、a3、b3為獨(dú)立參數(shù),則其余6個(gè)參數(shù)為：
C1 = a2b3_a3b2 (8) C2 = (9) 有7個(gè)獨(dú)立參數(shù)，若有3個(gè)以上的公共點(diǎn)，應(yīng)用最小二乘法解即可，但是旋轉(zhuǎn)矩陣中只 有三個(gè)獨(dú)立參數(shù)，其余六個(gè)參數(shù)是其非線(xiàn)性函數(shù)，因此直接解算非常復(fù)雜；所以采用下列方 法予以解決； 設(shè)未知數(shù)為3個(gè)平移參數(shù)、1個(gè)尺度參數(shù)、9個(gè)方向預(yù)先參數(shù)，將（1)式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi) 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(diǎn)相對(duì)于O-XYZ的原點(diǎn)的平移，上標(biāo)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(jìn)行解算；解算時(shí)，根據(jù)改正數(shù)的大小判別是否滿(mǎn)足收斂 要求，如不滿(mǎn)足，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿(mǎn)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(cè)量與分析方法，其 特征在于，所述的利用棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算左右軌道點(diǎn)三維坐標(biāo)，具體為：通過(guò) 公式（1)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型來(lái)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(cè)量與分析方法，其 特征在于，所述的計(jì)算軌道中線(xiàn)點(diǎn)三維坐標(biāo)都是基于激光跟蹤儀獲取的軌道測(cè)量點(diǎn)和軌檢 小車(chē)幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行軌道點(diǎn)和軌距計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，具體為： 利用軌檢小車(chē)與軌道接觸輪為特征點(diǎn)建立軌檢小車(chē)坐標(biāo)系，軌檢小車(chē)固定端兩車(chē)輪1 和2的中心0定義為軌道點(diǎn)，以0為圓心，以車(chē)輪1、2所在直線(xiàn)為X軸，以過(guò)0點(diǎn)垂直于X 軸的方向?yàn)閅軸，建立左手坐標(biāo)系X0Y，設(shè)棱鏡點(diǎn)坐標(biāo)（xL，yL，zL)，軌道橫傾角為a，在工 程坐標(biāo)系中，軌道點(diǎn)與棱鏡點(diǎn)在工程坐標(biāo)系下的高程差dH和平面距離dS : 左軌道點(diǎn)有： dH = yL sin a+zL cos a (15) dS = yL cos a -zL sin a 右軌道點(diǎn)有： dH = -yL sin a +zL cos a dS = yL cos a +zL sin a (16) 同理，在小車(chē)坐標(biāo)系中，軌距計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)U，y，z)， 軌距計(jì)算點(diǎn)與棱鏡點(diǎn)在工程坐標(biāo)系下的高程差dh和平面距離ds， 左軌距計(jì)算點(diǎn)： dh = (zL~z)cos a -(y-yL)sin a (17) ds = (y-yL) cos a+(zL_z) sin a 右軌距計(jì)算點(diǎn)： 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(cè)量與分析方法，其 特征在于，所述的利用軌道設(shè)計(jì)線(xiàn)形數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道內(nèi)部幾何參數(shù)的計(jì)算： 得到的軌道中線(xiàn)點(diǎn)即為左右軌道點(diǎn)的中點(diǎn)，則中線(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)里程的左右軌道點(diǎn)對(duì) 應(yīng)坐標(biāo)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(guò)獲得的左右棱鏡點(diǎn)換算左右軌距計(jì)算點(diǎn)，從而通過(guò)計(jì)算同意里程左右軌距計(jì)算點(diǎn) 的空間距離進(jìn)行軌距的計(jì)算； 水平/超高利用左右軌的高程計(jì)算高差即為水平/超高，沿里程增大方向，右軌高出左 軌時(shí)，超高為正，反之為負(fù)； 基于各測(cè)點(diǎn)高低和方向矢高偏差計(jì)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(cè)點(diǎn)高程的絕對(duì)偏差，其中i，j表示測(cè)點(diǎn)號(hào)，j < i < j+48,其中高程絕對(duì)偏差 為實(shí)測(cè)點(diǎn)在堅(jiān)向到設(shè)計(jì)線(xiàn)形的距離；
【文檔編號(hào)】E01B35/00GK104358194SQ201410582419
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)