一种针对轨道不平顺检测的GNSS/INS测量数据降噪方法及应用与流程

一种针对轨道不平顺检测的gnss/ins测量数据降噪方法及应用
技术领域
1.本发明属于铁路轨道精密测量相关技术领域，更具体地，涉及一种针对轨道不平顺检测的gnss/ins测量数据降噪方法及应用。


背景技术：

2.铁路是重要的交通运输手段，其运输效率高、能源消耗少，大力发展以铁路为核心的交通运输网络关乎国计民生，对于保证国民经济的快速发展有着重要的战略意义。近年来，我国铁路线网规模的快速增长，随着铁路运营里程的迅速增加，铁路轨道交通的安全运行和运营维护压力日趋加大。铁路轨道对于轨道平顺度的要求极为严格，在高速行车状态下，微小的轨道不平顺也可能带来很大的轮轨作用力，从而存在安全隐患。因此，对于铁路轨道的维护和保养来说，需要快速高效地测量轨道的不平顺性。
3.专利检索发现，cn103343498a公开了一种基于惯性导航系统(ins)与全球导航卫星系统(gnss)组合导航系统的轨道几何状态测量方法，其中以ins/gnss组合导航系统为核心测量设备，依靠高精度的gnss/ins组合导航系统所带惯性导航系统出色的相对测量能力，可快速获取轨道不平顺和轨道调整量，将轨道调整至最佳平顺位置。该轨道几何状态测量方法具有测量速度快、精度高、操作简单等优势，可满足高铁轨道精密测量的需求。
4.然而，进一步的分析研究表明，在实际轨道精密测量应用中，由于受到观测环境、测量误差等因素影响，基于gnss/ins的原始测量数据不可避免地含有一些干扰噪声，影响轨道不平顺测量数据的处理工作。因此，往往需要对采集到的轨道测量数据进行适当的降噪处理使得轨道不平顺信息更加清晰，方便后续数据的处理和解算工作。相应地，如何开发出一种高效率且便捷可靠的gnss/ins测量数据降噪方法，正成为本领域亟待解决的技术问题之一。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种针对轨道不平顺检测的gnss/ins测量数据降噪方法及应用，其中通过对整个降噪处理工艺重新进行了设计，并对关键操作步骤及降噪机理等多个方面作出针对性改进，相应在无需增加外部观测信息的条件下，能够高效、可靠地执行gnss/ins测量数据降噪处理，并且最大程度地保证了轨道不平顺测量的精度和数据利用率，同时具备操作简便、可控性好和通用性好等特点，因而尤其适用于各类复杂环境下的铁路轨道不平顺信息测量应用场合。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种针对轨道不平顺检测的gnss/ins测量数据降噪方法，其特征在于，该方法包括：
7.(1)轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据；
8.(2)基于所述经纬度数据，获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标；
9.(3)根据所获得的平面坐标，结合所述高程坐标计算得出被测轨道各个时刻对应的累计里程值；并基于该累计里程值，按照预设为0.2米以下的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段；
10.(4)对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果；
11.(5)选取各分段数据的中点作为待求点，执行各分段数据的空间降采样处理；然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由此实现整个的测量数据降噪过程。
12.作为进一步优选地，步骤(1)包括下列子步骤：
13.(1.1)轨检小车开机并完成初始化；
14.(1.2)沿着被测轨道推动轨检小车，gnss/ins组合导航系统输出轨检小车的位置和姿态信息；
15.(1.3)根据轨检小车的位置和姿态信息，计算获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据。
16.作为进一步优选地，在步骤(2)中，所述被测轨道的平面坐标包括北方向坐标和东方向坐标。
17.作为进一步优选地，在步骤(2)中，优选采用高斯投影模型来获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标。
18.作为进一步优选地，在子步骤(3.2)中，所述预设的里程间隔为0.2米。
19.作为进一步优选地，步骤(4)包括下列子步骤：
20.(4.1)根据各分段数据内被测轨道的平面坐标和对应里程值，对被测轨道的北方向坐标和里程进行直线拟合，并获得北方向坐标拟合直线方程；
21.(4.2)根据各分段数据内被测轨道的平面坐标和对应里程值，对被测轨道的东方向坐标和里程值进行直线拟合，并获得东方向坐标拟合直线方程；
22.(4.3)根据各分段数据内被测轨道的高程坐标和对应里程值，对被测轨道的高程坐标和里程值进行直线拟合，并获得高程坐标拟合直线方程；
23.(4.4)根据各分段数据内被测轨道的姿态角和对应里程值，对被测轨道的姿态角和里程值进行直线拟合，并获得姿态角拟合直线方程。
24.作为进一步优选地，在子步骤(4.4)中，所述姿态角和里程值的直线拟合包括横滚角拟合、俯仰角拟合和航向角拟合。
25.作为进一步优选地，步骤(5)包括下列子步骤：
26.(5.1)选取各分段数据的中点作为待求点，由此执行各分段数据的空间降采样处理；
27.(5.2)结合所述拟合直线方程，获得各个待求点对应的平面坐标、高程坐标、横滚角、俯仰角和航向角，由此实现整个的测量数据降噪过程。
28.按照本发明的另一方面，还提供了一种针对轨道不平顺检测的gnss/ins测量数据降噪系统，其特征在于，该系统包括：
29.数据感测模块，该数据感测模块用于使轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据；
30.坐标计算模块，该坐标计算模块用于基于所述经纬度数据，获得被测轨道在当地
施工坐标系下的平面坐标；
31.分段模块，该分段模块用于根据所获得的平面坐标，结合所述高程坐标计算得出被测轨道各个时刻对应的累计里程值；并基于该累计里程值，按照预设为0.2米以下的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段；
32.拟合模块，该拟合模块用于对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果；
33.降噪模块，该降噪模块用于选取各分段数据的中点作为待求点，执行各分段数据的空间降采样处理；然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由此实现整个的测量数据降噪过程。
34.按照本发明的另一方面，还提供了一种基于gnss/ins组合导航系统的铁路轨道平顺性测量方法，其特征在于，其采用上述的方法执行数据降噪处理。
35.按照本发明的又一方面，还提供了对应的铁路轨道平顺性测量系统，其特征在于，该系统包括：
36.数据感测模块，该数据感测模块用于使轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据；
37.坐标计算模块，该坐标计算模块用于基于所述经纬度数据，获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标；
38.分段模块，该分段模块用于根据所获得的平面坐标，结合所述高程坐标计算得出被测轨道各个时刻对应的累计里程值；并基于该累计里程值，按照预设为0.2米以下的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段；
39.拟合模块，该拟合模块用于对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果；
40.降噪模块，该降噪模块用于选取各分段数据的中点作为待求点，执行各分段数据的空间降采样处理；然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由此执行整个的测量数据降噪过程；
41.测量模块，该测量模块用于基于降噪处理后的数据，执行铁路轨道平顺性测量。
42.按照本发明的又一方面，还提供了相应的轨检小车，其特征在于，其采用上述的方法来执行铁路轨道平顺性测量过程。
43.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
44.(1)本发明通过对整个数据降噪工艺重新进行了设计，并对关键操作步骤及降噪机理等多个方面作出针对性改进，不仅能够高效、可靠地实现整个的精密数据降噪过程，进而最大程度地保证了轨道不平顺测量的精度；
45.(2)本发明的工艺方法整体操作便捷、可控性好，可使得gnss/ins组合导航系统的观测结果获得更为全面的利用，数据利用率高；此外该工艺处理针对不同类型的gnss/ins组合导航系统均适用，通用性强；
46.(3)本发明针对gnss/ins在轨道不平顺测量这一特殊应用场景进行针对性设计，相应在不需要增加外部观测信息的情况下，测量数据也能实现有效降噪；
47.(4)本发明充分利用了铁路轨道设计线型曲率半径很大的特征机理，并在此基础
上结合总体最小二乘法拟合算法，可以更为有效地实现噪声压制，实现原始测量数据降噪处理使得轨道不平顺信息更加清晰，因而尤其适用于各类复杂环境下的铁路轨道不平顺信息测量应用场合。
附图说明
48.图1是用于示范性说明按照本发明设计的gnss/ins测量数据降噪方法的整体工艺流程图；
49.图2是用于示范性说明按照本发明设计的gnss/ins测量数据降噪系统的组成示意图；
50.图3是用于示范性说明按照本发明设计的铁路轨道平顺性测量系统的组成示意图；
51.图4是用于示范性说明用于本发明的数据降噪及测量过程的轨检小车的整体示意图。
具体实施方式
52.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.图1是用于示范性说明按照本发明设计的gnss/ins测量数据降噪方法的整体工艺流程图。下面将结合图1来更为具体地解释说明本发明。
54.步骤一，轨检小车的测量步骤。
55.在此步骤中，可选取一段被测轨道，推动搭载有gnss/ins组合导航系统的轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据。
56.更具体而言，轨检小车各传感器开机，各传感器正常输出数据。测量人员沿被测轨道推动轨检小车，gnss/ins组合导航系统输出轨检小车的位置和姿态信息。在此基础上，如同本领域技术人员所公知地，譬如可以根据轨检小车事先标定的尺寸，得到轨检小车和被测轨道之间的杆臂和相对位置信息，然后进行坐标投影计算，由此获取被测轨道的经纬度、高程坐标和姿态角等数据。
57.例如，被测轨道经纬度和高程坐标prailway的推算公式可表示如下：
[0058][0059][0060]
式中，为轨检小车和被测轨道之间的杆臂向量，即gnss/ins组合导航系统测量中心指向被测轨道的向量在b系下的投影，杆臂值可以通过轨检小车尺寸信息获取。
[0061]
此外，在此步骤中，所述导航系统输出的观测结果进一步可包括：gnss观测信息、
ins角速度信息、ins加速度信息，以及gnss基站的原始观测信息。有关轨检小车经纬度、高程坐标和姿态角的数据进一步可包括：轨检小车大地经度、大地纬度、大地高、横滚角、俯仰角和航向角。
[0062]
步骤二，获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标值。
[0063]
在此步骤中，譬如可采用高斯投影模型，根据轨检小车经纬度信息获取当地施工坐标系下被测轨道的平面坐标，并用于下一部分里程计算和空间降采样过程。平面坐标具体可包括北方向坐标和东方向坐标。
[0064]
更具体而言，上述通过轨检小车搭载gnss/ins系统的原始输出，譬如可利用gnss绝对定位解算、惯性导航系统推算以及组合导航解算这些本领域熟知的已有方式，获取轨检小车的大地经纬度、高程坐标和姿态角等信息。此外，采用高斯投影模获取当地施工坐标系下被测轨道的平面坐标的过程同样为本领域技术人员所公知，因此在此不再赘述。
[0065]
步骤三，按照预设的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段。
[0066]
在此步骤中，首先是根据所获得的平面坐标值，结合所述高程坐标计算得出轨检小车各个时刻对应的累计里程值；
[0067]
接着，根据轨检小车各个时刻对应的累计里程值，按照预设的里程间隔对被测轨道的整体感测数据进行分段处理。预设的里程间隔优选譬如为0.2米。
[0068]
更具体进行解释的话，首先是计算出轨检小车各个时刻对应的累积里程值。
[0069]
轨检小车各个时刻对应的累积里程值的推算公式譬如可表示如下：
[0070][0071]
式中，e
railway
,n
railway
,h
railway
分别为被测轨检小车东方向坐标、北方向坐标和高程坐标。
[0072]
接着，根据轨检小车各个时刻的累积里程值，譬如可按照0.2m长度的里程间隔，对被测轨道数据沿里程方向进行分段处理，由此获得多个分段数据。
[0073]
步骤四，对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果。
[0074]
在此步骤中，优选采用总体最小二乘法来执行拟合处理，并获取对应的拟合直线方程。例如，拟合直线方程可包括北方向坐标拟合直线方程、东方向坐标拟合直线方程、高程坐标拟合直线方程、横滚角拟合直线方程、俯仰角拟合直线方程、航向角拟合直线方程。
[0075]
更具体地，以北方向坐标拟合直线方程为例介绍整体最小二乘拟合过程。由于铁路轨道设计曲率半径很大，在0.2m范围内轨道北方向坐标和里程的相互关系可以认为是线性变化的，那么其方程可以表示为：
[0076]
yi＝kxi b(i＝1,2,3,...,n)
[0077]
上述公式中，(xi,yi)分别表示为轨道的里程值和北方向坐标值，这样任意点(xi,yi)到拟合直线的距离的平方值可以表示为：
[0078][0079]
其中，k、b分别作为待估的参数，根据整体最小二乘基本原则可以得到拟合直线方程的斜率k和截距b，从而得到北方向坐标拟合直线方程。
[0080]
步骤五，对各分段数据执行空间降采样处理，然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由此实现整个的测量数据降噪过程。
[0081]
在此步骤中，优选可选取各分段数据的中间点作为分段数据的待求点，从而实现对被测轨道譬如按照0.2m里程间隔进行空间降采样。然后利用各分段数据的平面坐标拟合直线方程、高程拟合直线方程和姿态拟合直线方程，获得各个待求点的平面坐标、高程坐标、横滚角、俯仰角和航向角信息。该方法通过整体最小二乘拟合和空间降采样处理，实现了测量数据噪声压制的效果。至此，完成了轨道不平顺检测中gnss/ins精密测量数据降噪过程。
[0082]
按照本发明的一个实施例，还提供了相应的gnss/ins测量数据降噪系统。
[0083]
如图2中示范性所示意地，该降噪系统主要包括如下：
[0084]
数据感测模块，该数据感测模块用于使轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据；
[0085]
坐标计算模块，该坐标计算模块用于基于所述经纬度数据，获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标；
[0086]
分段模块，该分段模块用于根据所获得的平面坐标，结合所述高程坐标计算得出被测轨道各个时刻对应的累计里程值；并基于该累计里程值，按照预设为0.2米以下的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段；
[0087]
拟合模块，该拟合模块用于对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果；
[0088]
降噪模块，该降噪模块用于选取各分段数据的中点作为待求点，执行各分段数据的空间降采样处理；然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由此实现整个的测量数据降噪过程。
[0089]
按照本发明的另一实施例，还提供了对应的铁路轨道平顺性测量方法。
[0090]
在该测量过程中，首先采用本发明上述设计的方法执行数据降噪处理，然后采用各类适当的常规方式执行后续测量步骤。
[0091]
按照本发明的又一实施例，还提供了一种基于gnss/ins组合导航系统的铁路轨道平顺性测量系统。
[0092]
如图3中示范性所示意地，该测量系统主要包括如下：
[0093]
数据感测模块，该数据感测模块用于使轨检小车沿着被测轨道前进，并获取被测轨道包括经纬度、高程坐标和姿态角在内的整体感测数据；
[0094]
坐标计算模块，该坐标计算模块用于基于所述经纬度数据，获得被测轨道在当地施工坐标系下的平面坐标；
[0095]
分段模块，该分段模块用于根据所获得的平面坐标，结合所述高程坐标计算得出被测轨道各个时刻对应的累计里程值；并基于该累计里程值，按照预设为0.2米以下的里程间隔对被测轨道的整体感测数据沿里程方向进行分段；
[0096]
拟合模块，该拟合模块用于对各分段数据执行总体最小二乘法拟合处理，并获取对应的拟合结果；
[0097]
降噪模块，该降噪模块用于选取各分段数据的中点作为待求点，执行各分段数据的空间降采样处理；然后结合所述拟合结果来获得对应的平面坐标、高程坐标及姿态角，由
此执行整个的测量数据降噪过程；
[0098]
测量模块，该测量模块用于基于降噪处理后的数据，执行铁路轨道平顺性测量。
[0099]
此外，按照本发明的又一实施例，还提供了对应的轨检小车。该轨检小车被运用于以上所设计的数据降噪方法及对应系统，以及以上所设计的测量方法及对应系统中。如图4中所示，该轨检小车主要包括小车车体框架4、三个车轮a、b、c、imu 2、gnss天线1、轨距传感器3及里程计c。其中，小车三个轮子抽象为a、b、c三个点，里程计位于c点，小车对应中线位置为o点，图中虚线表示轨道中线，两侧实线表示轨道。
[0100]
更具体而言，该轨检小车进行轨道精密测量时，小车车架集成了一个里程计和轨距传感器，轨距传感器安装在小车车体的横梁上，通过测量伸缩杆端弹簧长度变化来测量轨距变化值，里程计安装在横梁上的行走轮侧面，通过记录行走轮转动的圈数来计算行走距离，里程计和轨距测量结果保存在车架内部采集板卡。同时，轨检小车搭载gnss/ins组合导航系统，包含惯性导航部件(imu)和卫星导航部件两大部分，组合导航系统中imu经过和gnss模块一体化设计，已经被打上了精确的gnss时间，imu采用频率例如为200hz。
[0101]
综上，按照本发明提出了一种gnss/ins精密测量数据降噪方法，其充分利用铁路轨道设计线性曲率半径很大的特征，并结合gnss/ins原始测量数据高采样率的特点，相应能够高效和可靠地执行gnss/ins测量数据降噪处理，同时最大限度地保证了轨道不平顺测量精度和数据利用率。此方法针对不同类型gnss/ins组合导航系统均适用，不需要额外的高精度测量设备，并且操作简便。
[0102]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。