基于北斗高精度定位的长弦测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于北斗卫星高精度定位的长弦测量方法。采用改进后的北斗高精度定位算法，解算得到轨检仪双轮梁的精确位置坐标，每隔若干秒采样一次位置信息。根据轨检仪自带编码器计算弦长，并根据坐标信息计算铁路轨向。本发明专利技术的技术效果在于，通过卫星定位技术，能够准确解算出铁轨精确坐标，然后利用制定弦长两端点坐标计算轨向，通过卫星定位的全局性，能够消除累计误差。

Long chord measurement method based on Beidou high precision positioning

The invention discloses a method for measuring long chord based on Beidou satellite high precision positioning. By using the improved high precision positioning algorithm, we can get the exact position coordinates of the double track beam, and sample the position information every second. According to the instrument with encoder according to the coordinate information and calculate the chord length, the calculation of railway track. Technical effect of the invention is, through satellite positioning technology, can accurately calculate the precise track coordinates, and then use the calculation to make rail ends by coordinate chord length, global satellite positioning, can eliminate the accumulated error.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铁路轨道测量领域，特别涉及一种基于北斗高精度定位的长弦测量方法。
技术介绍
长弦轨向测量是利用传感器对一段较长铁轨用弦测法对其轨向进行测量。现有技术手段下制作的轨道检测仪器一般采用陀螺仪等传感器，综合现有的轨检仪装置运行情况，其缺点如下：1)精度较低，由于采用的传感器不能全局测量，其累计误差较大。2)可测弦长较短，导致长弦检测只能采用拼接技术，多次拼接后结果误差较大。3)制作成本高，传感器及机械结构要求极高，成本高昂。
技术实现思路
为了解决目前轨检仪装置对较长铁轨的轨向测量存在精度低、成本高的技术问题，本专利技术提供一种利用卫星定位的全局性以消除误差的基于北斗高精度定位的长弦测量方法。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，一种基于北斗高精度定位的长弦测量方法，包括以下步骤：步骤1，按零基线法连接卫星信号接收装置，将接受装置设置于沿铁轨轨道移动的物体上并进行卫星信号接收；步骤2，接收到卫星信号后，计算表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差放大程度的GDOP值，取同一历元中GDOP值最小的四颗星作为解算用卫星；步骤3，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据；步骤4，采用LAMBDA法固定整周模糊度；步骤5，根据步骤2、3、4的结果计算各采样点坐标，最后计算长弦轨向。所述的方法，所述的步骤1中，所述的零基线法连接卫星信号接收装置，是设置两台接收机，并通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站。所述的方法，所述的步骤1中，在通过零基线法接收到卫星信号后，将卫星信号数据再进行差分处理。所述的方法，所述的步骤2中，GDOP值VGDOP通过以下公式计算：其中，H为导航系统测量矩阵，trace是指矩阵(HT*H)对角线元素之和，HT是矩阵H的转置矩阵；其中，表示第i颗卫星方向余弦。所述的方法，所述的步骤3中，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳的步骤包括：(1)由计算预报值：其中X(i|i)为ti时刻状态向量，为由X(i|i)预测的ti+1时刻状态向量；(2)由P(i|i)计算预报误差方差阵：P(i+1|i)＝φP(i|i)φT+ΓQΓT式中，Q＝Eq(i)2，q(i)为误差模型，E为单位矩阵，P(i|i)为误差方阵，P(i+1|i)为由P(i|i)计算预报误差方差阵，T为采样间隔；(3)计算增益矩阵和预报残差：K(i+1)＝P(i+1|i)BT(BP(i+1|i)BT+σ2)-1|v(i+1)|＜μ式中μ为检验周跳的阀门值，K(i+1)为增益矩阵，v(i+1)为预报残差，B为系统参数矩阵；(4)计算滤波值和滤波误差方差阵：P(i+1|i+1)＝(I-K(i+1)B)P(i+1|i)当|v(i+1)|＜μ、|v(i+2)|＜μ，则把i改为i+1，滤波再返回步骤(1)继续进行递推，当|v(i)|＜μ、|v(i+1)|＞μ时，对|v(i+2)|的周跳阀门值应改为μ(＞μ)，若：|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ此时L(i+1)，L(i+2)，……，L(i+N)如果大致符合一条三次曲线，即90％以上的点符合一条三次曲线，则判断有周跳发生，当|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ成立，卡尔曼滤波递推到i+2为止，即完成对一个历元的周跳验证，再从i+3开始重新计算与P(0|0)，返回步骤(1)开始验证下一个历元，直到遍历所有历元。所述的方法，所述的步骤4中，采用LAMBDA法固定整周模糊度的步骤包括：根据公式：其中，P、L分别表示伪距和相位观测值，单位为m，上标k表示卫星，下表i表示接收机，小标F表示频点；ρ＝|ri-rk|表示信号从卫星传播到接收机通过的空间距离，单位为m，ri＝[xi,yi,zi]T，rk＝[xk,yk,zk]T分别为测站和卫星的位置矢量；dt，δt分别表示接收机和卫星钟差(sec)；G：对流层延迟(m)；电离层延迟(m)，α为常量，TEC为信号传播路径的电子密度总量，fF为信号频率；dm，δm：分别为伪距和相位观测量的多径误差(m)；N：相位模糊度(cycle)；λ：载波波长(m/cycle)；c：光在真空中传播的速度(m/sec)；e，ε：分别为伪距和相位观测噪声(m)；先计算模糊度实数解，再利用搜索算法将模糊度实数解约束为整数解，采用模糊度最小二乘降相关判定搜索算法。所述的方法，所述的步骤5中，计算各采样点坐标的步骤为：根据步骤2确定选择的卫星之后，得到4颗卫星坐标(x,y,z)，根据公式：其中：为载波相位观测量，λ为载波波长，r为卫星与接收机几何距离，(X,Y,Z)为待求采样点坐标，δtu为接收机钟差，δt(s)为卫星钟差，I为电离层延迟，G为对流层延迟，N为步骤4求得的整周模糊度，为测量噪声，利用4颗卫星列观测方程组并求解，得到采样点坐标(X,Y,Z)。所述的方法，所述的步骤5中，根据采样点坐标，最后计算长弦轨向的步骤包括：通过拟合法进行计算：取任意两个采样点AB，D点是线段AB的中点，C点是过D点作与AB垂直的直线与AB弧的交点，令A、B两点坐标分别为(XA,YA)、(XB,YB)，得到AB中点D坐标(XD,YD)，则直线AB方程为：y＝kx其中：直线CD方程为：将C点周围采样点坐标代入CD方程，选取C点两侧绝对偏差最小的两点C1，C2，最后取C1C2中点作为C的拟合点，计算轨向。轨向：本专利技术的技术效果在于，通过卫星定位技术，能够准确解算出铁轨精确坐标，然后利用制定弦长两端点坐标计算轨向，通过卫星定位的全局性，能够消除累计误差。下面结合附图对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为采样点的示意图；图2为零基线接线的示意图；图3为LAMBDA算法流程图。具体实施方式本实施例采用的轨向测量方案，是将北斗卫星信号接收装置，安装在沿铁轨轨道移动的轨检小车上进行信号接收的，其中卫星信号接收装置按零基线法进行连接，即设置两台接收机，并通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站。在通过零基线法接收到卫星信号后，将卫星信号数据再进行差分处理。为了实现信号误差修正，本实施例主要分为两大步骤：步骤一：北斗定位坐标解算北斗卫星定位精度的提高，主要从数据源质量和关键参数解算两个方面进行改进。1).星座构型同一历元会有多颗可见星，利用最小GDOP法选择4颗卫星。适当提高卫星仰角门限并且根据卫星轨道特性排除明显不符合要求的卫星，降低解算空间。GDOP值表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差的放大程度。其中，H为导航系统测量矩阵，其中，表示第i颗卫星方向余弦，降低GDOP值则可提高定位精度。2).观测量主要误差修正接收机i观测到卫星k的伪距和相位观测值分别表示如下：其中各符号意义如下：P，L：分别表示伪距和相位观测值(m)，上标k表示卫星，下表i表示接收机，小标F表示频点；ρ＝|ri-rk|：表示信号从卫星传播到接收机通过的空间距离(m)，ri＝[xi,yi,zi]T，rk＝[xk,yk,zk]T分别为测站和卫星的位置矢量；dt，δt：分别表示接收机和卫星钟差(sec)；G：对流层延迟(m)；电离层延迟(m)，α为常量，TEC为信号传播路径的电子密度总量，fF为信号频率；dm，δm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于北斗高精度定位的长弦测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，按零基线法连接卫星信号接收装置，将接受装置设置于沿铁轨轨道移动的物体上并进行卫星信号接收；步骤2，接收到卫星信号后，计算表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差放大程度的GDOP值，取同一历元中GDOP值最小的四颗星作为解算用卫星；步骤3，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据；步骤4，采用LAMBDA法固定整周模糊度；步骤5，根据步骤2、3、4的结果计算各采样点坐标，最后计算长弦轨向。

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗高精度定位的长弦测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，按零基线法连接卫星信号接收装置，将接受装置设置于沿铁轨轨道移动的物体上并进行卫星信号接收；步骤2，接收到卫星信号后，计算表示定位卫星星座的拓扑结构对用户等效距离误差放大程度的GDOP值，取同一历元中GDOP值最小的四颗星作为解算用卫星；步骤3，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳，将出现周跳的历元剔除后的数据作为可用数据；步骤4，采用LAMBDA法固定整周模糊度；步骤5，根据步骤2、3、4的结果计算各采样点坐标，最后计算长弦轨向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的零基线法连接卫星信号接收装置，是设置两台接收机，并通过功率分配器连接同一根天线，选择同样的星座及基站。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，在通过零基线法接收到卫星信号后，将卫星信号数据再进行差分处理。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，GDOP值VGDOP通过以下公式计算：VGDOP=trace(HT*H)-1]]>其中，H为导航系统测量矩阵，trace是指矩阵(HT*H)对角线元素之和，HT是矩阵H的转置矩阵；H=αX1αY1αZ110...............αXnαYnαZn10]]>其中，表示第i颗卫星方向余弦。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，采用卡尔曼滤波方法检测各历元是否发生周跳的步骤包括：(1)由计算预报值：X^(i+1|i)=φX(i|i),i≥0;]]>其中X(i|i)为ti时刻状态向量，为由X(i|i)预测的ti+1时刻状态向量；(2)由P(i|i)计算预报误差方差阵：P(i+1|i)＝φP(i|i)φT+ΓQΓT式中，Q＝Eq(i)2，q(i)为误差模型，E为单位矩阵，P(i|i)为误差方阵，P(i+1|i)为由P(i|i)计算预报误差方差阵，T为采样间隔；(3)计算增益矩阵和预报残差：K(i+1)＝P(i+1|i)BT(BP(i+1|i)BT+σ2)-1v(i+1)=L(i+1)-BX^(i+1|i)]]>|v(i+1)|＜μ式中μ为检验周跳的阀门值，K(i+1)为增益矩阵，v(i+1)为预报残差，B为系统参数矩阵；(4)计算滤波值和滤波误差方差阵：X^(i+1|i+1)=X^(i+1|i)+K(i+1)v(i+1)]]>P(i+1|i+1)＝(I-K(i+1)B)P(i+1|i)当|v(i+1)|＜μ、|v(i+2)|＜μ，则把i改为i+1，滤波再返回步骤(1)继续进行递推，当|v(i)|＜μ、|v(i+1)|＞μ时，对|v(i+2)|的周跳阀门值应改为μ(＞μ)，若：|v(i)|＜μ，|v(i+1)|＞μ，|v(i+2)|＞μ此时L(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一军，杨杰，方博伦，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43