王勇剛，周俊萍，李永江，李　亮，彭志強

(中國航天三江集團紅峰控制有限公司，孝感 432100)

0　引言

高速鐵路作為新一代的軌道交通，對軌道的安全檢測與維護要求也進一步提高。目前，工程上對線路檢查的主要手段是動靜結合，二者互相補充，綜合應用。靜態(tài)檢查方法主要有兩種，分別是利用軌檢儀檢查和使用道尺、弦繩等工具手工檢查。

軌檢儀檢查項目全面，且輕便、精確，相對于道尺、弦繩等工具來說提高了效率，但仍有較大空間來提高效率和數(shù)據(jù)的全面性?，F(xiàn)有軌檢儀主要是光學式軌檢儀、陀螺軌檢儀，如圖1所示。光學式軌檢儀依托高鐵測控網(wǎng)，借助全站儀，實現(xiàn)高鐵線路的三維測量。其優(yōu)點是它屬于絕對測量、精度高；缺點是測量數(shù)據(jù)是離散的點，一般是在每個軌枕位置上測量一組數(shù)據(jù)，且測量效率較低。在目前的高鐵時間天窗內，每5h只能測量60m左右。若在兩個軌枕之間的線路出現(xiàn)異常情況，如圖2所示，這種軌檢儀是無法檢出的，也就是說它的測量結果是在假定相鄰測量點之間線路平滑的基礎上擬合的。陀螺軌檢儀是一種相對平順性檢查儀器，原理是在軌檢小車上安裝1或2只陀螺感知姿態(tài)，配合里程計信息檢查軌道內參數(shù)，如弦長、三角坑等。其優(yōu)點是效率高、操作方便；缺點是精度低，屬于相對測量，測量的弦長等參數(shù)是對真實線路的預估，是弦測法而非軌跡法。為進一步提高效率，也有不少單位嘗試將上述兩種軌檢儀結合，達到既保證精度又提高效率的目的，但具體使用情況有待進一步觀察和驗證。

作為追求精度、效率和可靠性的方法之一，本文提出了一種基于定位定向技術的0級軌檢儀，該軌檢儀的特點如下。

1)吸收現(xiàn)有光學式軌檢儀的優(yōu)點，它的測量基準仍然依附于現(xiàn)有高鐵測控網(wǎng)；軌檢儀的小車依然沿用現(xiàn)有軌檢小車的形制，以軌檢小車上的光學棱鏡作為測量中心點，也需要利用全站儀將高鐵測控網(wǎng)上的參數(shù)引入；不同點在于它只是將待測軌道線路上的個別點引入作為測量基準點，如起點、終點、個別中間點。

2)采用高精度定位定向慣導作為核心測量組件，并融合基準點信息、多路里程計信息，以組合定位定向的方式作業(yè)；測量性質在理論上屬于對軌道的絕對測量，測量結果理論上是連續(xù)的數(shù)據(jù)線而非離散點，更不是對真實線路的預估，同時也避免了圖2中的測量缺陷。

1　高鐵軌檢儀的構成與工作原理

高鐵軌檢儀主要由軌檢小車、全站儀、筆記本電腦以及相關附屬軟件、配件等組成。軌檢小車借鑒現(xiàn)有光學式軌檢小車形制，不同點在于加裝了一臺高精度定位定向光纖慣導，3個車輪上均安裝了高精度光電編碼器作為里程計。產品的原理構成框圖如圖3所示。

考慮到里程計不能敏感自身軸向的位移變化、各車輪半徑不一致、彎道行駛車輪轉過距離存在差異等因素，高鐵軌檢儀采用3路精密里程計，并在算法處理上采用閉環(huán)修正處理里程計的測量誤差。

采用定位定向技術的高鐵軌檢儀的工作原理與目前常規(guī)的定位定向裝置也不大相同，有其自身獨特的工作原理，基本工作原理如圖4所示。

高鐵軌檢儀進行測量時，首先要在起點嚴格固定位置并進行自對準，自對準完成并轉導航后才能進行推行，推行過程中產品工作在慣性組合導航與定位定向解算狀態(tài)；若推行距離過長，為保證測量精度，會在推行路線的中間設置一些測量基準點，軌檢小車推行到這些測量基準點時，要嚴格對正或利用全站儀測量出軌檢小車的基準點參數(shù)，并靜止10s以上；到達終點后，令產品嚴格對正，軌檢小車車輪鎖死，用全站儀測量出終點的基準點參數(shù)，然后進行二次自對準；自對準完成后，本次測量結束。最后利用保存的測量數(shù)據(jù)，進行離線多層閉環(huán)修正計算，再將得到數(shù)據(jù)轉換到高鐵測控網(wǎng)下的數(shù)據(jù)形式，輸出測量結果。

2　高鐵軌檢儀的工作原理分析

對高鐵線路實現(xiàn)的所謂絕對測量是建立在高鐵測控網(wǎng)基礎上的測量，即測量的參數(shù)必須與高鐵測控網(wǎng)的參數(shù)意義一致。高鐵測控網(wǎng)是由CP0、CPⅠ、CPⅡ、CPIII構成。其中，CP0、CPⅠ、CPⅡ是在CGCS2000坐標體系下采用廣域差分GPS定位確定位置基準點的，海拔上結合了國家85高程標準；只有CPⅢ是在前3層基礎上通過平差擬合確定的，只有CPⅢ的基準精度達到了平差條件下的1mm水平，光學式軌檢儀就是依托CPⅢ點在網(wǎng)格平面坐標系下達到所謂的1mm測量精度。

如果把一條絕對筆直的高鐵線路放到地球模型下觀察，會發(fā)現(xiàn)高鐵線路是在地球表面上的一條弧線，因此網(wǎng)格平面坐標系的適用距離有限。如果高程上以1mm精度計算，利用全站儀測量軌檢小車棱鏡參數(shù)的距離將不超過112.88m，即在全站儀為中心的半徑50m以內才可以。假定要擬合300m弦長下的參數(shù)，就必須多段拼接與擬合。

整體觀察一條長達數(shù)千千米的高鐵線路，與此類似的有飛機的航跡和輪船航跡，二者的航跡都是使用慣性組合導航技術進行航跡測量實現(xiàn)導航的。慣性技術中，載體運動軌跡測量精度最高的是慣性定位定向技術，考慮到高鐵軌道是地面線路，高鐵測控網(wǎng)已經是高精度GPS廣域差分技術建立起來的，論證后本高鐵軌檢儀邊采用了結合里程計、高鐵測控網(wǎng)的組合導航定位定向技術。

慣性組合導航定位定向輸出的參數(shù)是在CGCS2000坐標體系和85高程條件下的絕對輸出參數(shù)，對高鐵線路的測量屬于絕對測量的軌跡法。因此，只要對本高鐵軌檢儀的輸出參數(shù)像平差CPⅢ坐標參數(shù)那樣處理，就會得到絕對測量軌跡。

3　高鐵軌檢儀的硬件構成分析

硬件中首先關注的是T型結構軌距小車，選用該結構的原因是它采用了3個車輪，這是在行走中最穩(wěn)定且不會出現(xiàn)懸空的三角型結構，有利于里程計對行走距離的準確測量。盡管T型結構軌距小車隱含著原理性假軌距、假水平問題，但只要測量數(shù)據(jù)有效,是可以進行軟件補償?shù)摹?/p>

高精度光纖慣導是高鐵軌檢儀的核心組件，它采用了空間正交得3只高精度光纖陀螺、3只高精度石英加速度計作為傳感器件，工具誤差補償后，角速度敏感精度可以達到0.02(°)/h,加速度敏感精度可以達到50μg。在自對準階段，若利用加速度計進行調平，輸出的初始俯仰角、傾斜角(滾動角)精度在10.3＂左右，已經優(yōu)于CGCS2000坐標體系下地球模型中20＂水平精度的要求。電子水平儀靜態(tài)測量精度可以達到0.001＂的精度，但在推行中動態(tài)輸出數(shù)據(jù)已無意義，故沒有使用電子水平儀作為必要的傳感器。

利用慣性技術的軌檢儀在測量中會因為角速度的真實分辨率帶來假軌距、假水平問題。傳統(tǒng)的陀螺軌檢儀雖然也使用慣性器件作為測量核心器件，但原理上是在一定條件下的簡化，是以敏感車體相對軌道的角速度為基礎的，除此之外的角速度均被視為誤差，因此其真實分辨率并不高。慣性定位定向技術在理論上認為3只正交陀螺敏感到的是角速度包括地球在宇宙慣性空間中的角速度，剔除后才是車體相對軌道的角速度，即使考慮陀螺的輸出噪聲誤差，角速度的真實分辨率仍可達優(yōu)于1＂的水平，由此帶來的假軌距、假水平值均不超過0.007mm，完全可以忽略。

精密里程計在測量距離上具有精確的優(yōu)勢，可以彌補慣性導航位移隨時間積累誤差增大的問題，但里程計不能敏感自身軸向上的位移變化。小車在彎道上推行時屬于側滑轉彎，加速度計的信號雖然能夠對車輪的軸向滑動、車體側滑進行位移修正，但基于現(xiàn)代濾波與容錯的算法對側滑的修正精度依然有限，為此配置3路里程計實現(xiàn)信號的冗余補充。

高鐵軌檢儀一般推行距離較遠，在利用全站儀引入測量基準點信息時花費時間相對較長，為避免多次重復性測量帶來的架設困難，一般要在測量路段的起點、終點各架設一臺全站儀。此外，T型結構軌距小車還要安放電池、筆記本電腦、車輪剎車鎖死機構、軌距傳感器、照明裝置、棱鏡、軌枕位置感知傳感器等。

4　高鐵軌檢儀理論測量仿真精度分析

根據(jù)理論分析，利用某綜合精度為0.02(°)/h的高精度光纖陀螺數(shù)據(jù)進行了高鐵應用軌道檢測仿真，仿真時按照TB/T3147標準中規(guī)定的車輪跳動量加入誤差，仿真推行1000m，推行時間1000s。仿真計算的誤差曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結果可以看出，在推行1000m的情況下，最大側向測量誤差僅為-1.2535mm，最大垂直測量誤差僅為1.2125mm。若推行距離縮短，或推行速度加快，減小慣導的隨時間積累而增大的誤差，是完全可以達到1mm精度水平的，即與全站儀平差測量的精度同級。后用不同的同級精度光纖陀螺數(shù)據(jù)進行同條件仿真，發(fā)現(xiàn)其重復性誤差僅在±0.02mm之間。

若按照TB/T3147標準中的規(guī)定，該仿真的精度已經遠遠超過0級軌檢儀的精度要求?？紤]到測量基準點參數(shù)是通過全站儀將CPIII測控網(wǎng)參數(shù)引入的，基準精度在1mm水平，本高鐵軌檢儀暫時只能作為0級軌檢儀使用。理論仿真結果也證實，采用定位定向技術研制軌檢儀的思路在工程上是可行的。

5　高鐵軌檢儀初步推行試驗結果

為了驗證理論仿真計算的準確度，工程技術人員搭建了一臺半實物仿真軌檢小車。受條件限制，采用的光纖慣導精度在0.1(°)/h左右，固定光纖慣導產品時采用夾板臨時固定，借用的T型結構軌距小車上只有1只車輪上有里程計。盡管達不到預定要求，但能夠進行功能驗證。

在一條高鐵備用彎道式道岔上進行了推行試驗，試驗現(xiàn)場如圖6所示。

受試驗條件限制，軌檢小車為一臺待維護的小車，改制后沒有對小車的結構松動部分進行加固，光纖慣導產品也沒有嚴格固定。場地方面，該備用彎道道岔上的CPIII點有不少已經損毀，且路段上有一條高壓地線絕緣隔離縫隙(用絕緣聚砜材料填充)；路段上只好在試驗路段的起點、終點使用CPII的物理參數(shù)數(shù)據(jù)，線路總長為515m。本次試驗共計推行10組數(shù)據(jù)(往返各5次)，耗時2h。推行試驗獲得的數(shù)據(jù)通過離線計算和處理，得到的推行試驗測量曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，除了第5組往返推行的垂直、側向測量曲線(往返各1條，共2條)誤差過大外，其他4組數(shù)據(jù)的重復性極差為5mm，8條曲線的重復性誤差僅為1mm(1σ)。事后排查發(fā)現(xiàn)，最后一組失效的原因是軌檢小車的側向測量輪固定銷脫落。此外，在高程的變化曲線上，可以清晰反映出軌縫的位置和狀態(tài)。

不足之處在于，本次試驗并未按預定的產品設計狀態(tài)進行試驗，試驗得到的測量精度遠遠沒有達到理論仿真的精度。由于大量CPⅢ點的缺失，無法給出平面網(wǎng)格坐標系下的對比數(shù)據(jù)，而且得到的測量曲線也沒有轉換到高鐵測控網(wǎng)的坐標體系下。

初步試驗證實，采用定位定向技術的高鐵軌檢儀具備在高鐵軌道檢測應用方面的條件，實際檢測中也能達到0級軌檢儀的精度。

6　結論

通過理論分析、數(shù)學仿真和初步試驗的論證可確認，采用慣性組合導航和定位定向技術的軌檢儀應用于高鐵軌道的靜態(tài)測量是非常有前景的。半實物仿真性質的推行試驗中，已經顯示出這種新式產品極高的測量效率和精度。在工程的實現(xiàn)方面，目前高鐵上的軌道檢測小車是標準化的成熟產品，只需按設定方案改制就能滿足要求。國內貨架產品中，精度優(yōu)于0.02(°)/h的光纖陀螺種類已經很多，價格逐年下降，也為這種新產品的研制和大規(guī)模推廣應用提供了基礎。

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