基于GNSS/INS组合系统的高铁轨道几何状态不平顺精密测量方法

作     者：周武星 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张小红

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0814[工学-土木工程] 0811[工学-控制科学与工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高速铁路 轨道不平顺性检测 GNSS/INS组合系统 AVA算法 过程噪声 载体运动约束 

摘      要：高速铁路被誉为国家经济发展的大动脉,过去十多年来,我国高速铁路网高歌猛进,高铁里程遥遥占据全球第一,且与世界各国的差距正在拉大。高铁带动各行各业经济增长不可估量,不仅能带来票务等短期经济利益,更能通过加速人口流动创造长期的社会价值,拉动区域和全国的经济增长。铁道轨道在使用过程中会逐渐偏离设计值,产生轨道形状的改变,在列车高速运行下,即使是微小形变也会产生巨大的轮轨破坏力。为了保障列车的运行安全和乘客的乘坐舒适度,高铁轨道需要定期精测精调,使得30m弦长的限差维持在2mm以内,300m弦长限差维持在10mm以内。用于既有线路的轨道不平顺性检测的时间十分有限,通常为凌晨0点至5点。高铁里程的增加和速度的提升加大了轨道检测的工作量,目前用于轨道检测的主流设备是以全站仪为核心设备的静态检测仪,其精度达标但检测速度过慢,急需开发新的检测设备。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）和惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）的组合综合了各传感器的优势,弥补了各自的劣势,能实现高精度、连续可靠的移动测量,具有实现精确快速轨道检测的潜力。本文以此为背景,开展了基于GNSS/INS组合系统的高铁轨道不平顺性精密测量方法的研究,主要工作如下,1)推导整理了一套适用于GNSS/INS组合导航系统的高铁轨道不平顺性指标的计算模型,给出了不同线型轨道偏差的计算模型,对于轨道设计文件不可用的情况,确定了依据姿态信息获取最优设计曲线的方案。2)针对直接使用GNSS/INS位置的传统轨检算法噪声过大的问题,提出了一种改进的基于姿态变化的铁路轨道不平顺性检测算法（Attitude Variometric Algorithm,AVA）,通过推导侧向误差公式,从理论上对比了两种算法的区别。3)从轨迹域而非角度域的视角,论述了安装角对轨道不平顺性检测的影响性质和形式,并据此使用了旋转校正减弱安装角导致的系统偏差,旋转角由相似变换的整体最小二乘法拟合确定。4)通过使用半仿真数据探索了GNSS信号失锁期间的AVA算法的精度维持能力,对比分析了AVA算法在GNSS信号完全失锁下的性能。5)考察了GNSS/INS轨道检测精度的影响因素,研究了相应的提升策略。针对常规Allan方差方法在高精度轨道检测应用场合精度不足,结合高铁轨道的刚性结构特点,提出了基于轨道偏差重复性的惯导过程噪声最优化方法;研究了载体运动约束模型,分析了载体运动约束信息的实际精度和可用性,得出GNSS信号质量良好的情况下运动约束效果有限的结论,并通过测试不同频率的载体运动约束数据检验了GNSS失锁情况下的约束效果;探究了全站仪的引入对GNSS/INS轨检结果的影响,分析了全站仪对GNSS/INS的约束模式,确定了全站仪偏差约束的方案。6)进行了轨迹实际工程测试,在广西桂林和内蒙古分别进行实验,采集了两组轨道质量相差较大的实验数据。轨道质量良好时,轨向和高低两个方向的短波不平顺重复性均在0.2mm以内,长波不平顺性重复性均在2.5mm以内,短波不平顺性和参考值的外符合偏差的RMS值为0.3mm和0.4mm,长波不平顺性和参考值的外符合偏差的RMS值为1.8mm和2.0mm;轨道质量较差时,轨向和高低两个方向的短波不平顺和参考值的外符合偏差的RMS分别为0.18mm和0.28mm,长波不平顺性和参考值的外符合偏差的RMS值为3.4mm和5.2mm,施加200m间隔全站仪偏差约束后,轨向和高低长波不平顺的RMS值分别为1.4mm和1.8mm,改善了75%和65%。