2. 中铁十六局集团第二工程有限公司, 天津 300162
2. The 2nd Engineering Company Limited, China Railway 16 th Bureau Group, Tianjin 300162, China
高速铁路轨道必须保持高平顺性、高稳定性和高可靠性，这直接关系到高速列车高速、安全且平稳运行[1].由于中国高速铁路线路长、跨越地区幅度大[2]，高速铁路沿线地区地形地质条件复杂，特别是区域性地表沉降明显[3]，需要及时对高速铁路轨道的路基变形情况和轨道几何状态等进行测量.高速铁路轨道测量至少包括高速铁路各等级控制网布测、线路测量、构筑物变形测量等工作[4]。
传统的高速铁路各类控制网布测遵循"三网合一"的测量要求，包括勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网.其中，平面控制网采取"框架控制网(CP0)→基础平面控制网(CP Ⅰ)→线路平面控制网(CP Ⅱ)→轨道控制网(CP Ⅲ)"逐级控制，CP0、CP Ⅰ和CP Ⅱ采用全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)静态测量的方法建立，CPⅢ在CPⅡ基础上采用导线测量方法建立；高程控制网采取"线路水准基点控制网→CPⅢ"两级控制，采用水准测量或三角高程测量的方法建立.高速铁路轨道的施工(铺设和精调)、运营维护等均以CPⅢ为控制基准，利用全站仪自由设站配合粗调机、轨道几何状态测量仪、水准仪等进行轨道的粗调和精调测量，具体包括:线路中线位置、轨面高程、测点里程、绝对坐标、轨距、轨向、水平、高低、三角坑等[5].构筑物变形测量依靠变形监测网，采用水准测量方法，在轨道铺设后每3个月进行1次.变形测量点通常采用CPⅠ、CPⅡ控制点或线路水准基点，间距一般不大于1 km.其中，区域地表沉降监测依靠区域地表沉降监测网，采用水准测量、合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radarinterferometry，InSAR)等方法进行[6]。
高速铁路轨道检测遵循"动态检测为主、静态检测为辅"的原则[7]，主要依靠高速铁路轨道检查车(俗称轨检大车或黄医生)和轨道几何状态测量仪(俗称轨检小车)等配合进行.其中，轨道动态检测是由轨检大车(包括250 km/h等级0号高速综合检测列车[8]和350km/h等级及以上CRH380AG 001高速综合检测列车等[9]等)定期对高速铁路的基础设施、接触状态、舒适程度等指标进行等速动态荷载检测，检测沿线所有设备是否处于良好状态，在每日首辆客运列车运行之前确保列车、轨道及设施等安全可靠[10].轨道静态检测是在天窗时间(每晚约0点至4点)，铁路工务段使用轨检小车等设备对轨道静态几何状态进行检测和维护，包括轨道内部几何参数和轨道外部几何参数，其中，轨道内部几何参数包括轨距、轨向、高低、水平、三角坑等，相对误差亚毫米级；轨道外部几何参数包括轨道中线及左、右轨相对于设计线位的平面(横向)偏差和高程(垂向)偏差，绝对误差毫米级[11]。
其中，轨检小车大致可分为绝对测量型和相对测量型两类.其中，绝对测量型轨检小车目前使用较多的包括Amberg GRP1000轨检小车(瑞士Amberg技术公司研发)和Trimble GEDO轨检小车(美国Trimble公司研发)，其原理大致相同，主要搭载了全站仪等设备，依靠CPⅢ测量轨道的外部几何参数，其绝对精度较高，约1~1.4 mm，但测量速度较慢，约0.1~0.2 km/h.为提高测量速度，Amberg GRP1000 IMS同时搭载了惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)与全站仪，以减少全站仪的测量次数.根据中国现行«高速铁路工程测量规范»(TB10601-2009)[4]相关指标要求，绝对测量型轨检小车在新建高速铁路轨道施工(铺设和精调)、轨道外部几何参数测量、既有线运营维护轨道平顺性测量等方面仍具有不可替代的作用.德国斯图加特大学(Rhomberg轨检小车)、瑞士苏黎世联邦理工学院(Swiss Trolley轨检小车)、土耳其耶尔德兹理工大学，以及中国的广州南方测绘科技股份有限公司[12]、成都普罗米新科技有限责任公司[13]、江西日月明测控科技股份有限公司、长沙悦诚机电科技有限公司、武汉大学[14]、中铁工程设计咨询集团有限公司[15]、中铁七局集团有限公司[16]、中铁第一勘察设计院集团有限公司[17]、中铁二院工程集团有限责任公司[18]、中铁第四勘察设计院集团有限公司[19G20]、中铁第五勘察设计院集团有限公司[21]等均研发了多款绝对测量型轨检小车.相对测量型轨检小车主要使用弦长检测、惯性测量、激光测距、摄影测量等方法，测量轨道的内部几何参数，相对测量精度较高.为提高定位精度和检测速度，一些轨检小车[22G23]同时搭载了单天线GNSS接收机和IMU，采用载波相位差分后处理(post processed kinematic，PPK)或精密单点定位(precise point positioning，PPP)等技术，绝对定位精度达厘米级并用于对IMU进行约束，相对测量精度达毫米级，测量速度较快，约3~5 km/h.但相对测量型轨检小车主要用于检测轨道内部几何参数，不能满足轨道外部几何参数检测毫米级的精度要求.瑞士Amberg技术公司(Amberg IMS1000/3000/ 5000)、中国的长沙悦诚机电科技有限公司和西南交通大学、成都四方瑞邦测控科技有限公司、江西日月明测控科技股份有限公司、西安奥通数码科技有限公司、南昌大学、哈尔滨安通测控技术开发有限公司、武汉大学[24]和德国地学研究中心[23]等均研发了多款相对测量型轨检小车。
传统的高速铁路轨道测量方法特别是轨道几何状态绝对测量存在测量周期长、维护成本高、检测效率低等问题.为此，提出了一种基于GNSS/ INS多传感器组合的高速铁路轨道测量方法并研制了相应的轨道测量系统.本文详细介绍了其主要构成和方法流程，并在实际高速铁路轨道精调工程中进行了应用示范.结果表明:该系统实现了轨道路基变形监测和高速铁路轨道不平顺绝对测量与相对测量的一体化，其轨道横向偏差和垂向偏差测量精度、变形点水平方向和垂直方向测量精度均满足现行«高速铁路工程测量规范»(TB10601- 2009)相关指标[4]要求，显著提高了测量效率。
1 主要构成GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统主要由4部分组成，包括高速铁路专用GNSS连续运行参考站系统(continuously operating reference system，CORS)(以下简称GNSS CORS)、GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道几何状态测量仪(以下简称轨检小车)、数据处理中心和通信链路网络。如图 1所示。
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| 图 1 GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统的主要构成 Fig. 1 Main components of a track measurement system based on GNSS/INS and multisensor for high-speed railway |
1.1 GNSS CORS
如图 1所示。使用GNSS CORS基准站点代替传统高速铁路各等级控制网点。沿轨道间隔1~ 2 km呈"之"字形布设。距轨道中线50~200 m。处于稳固可靠、四周开阔、便于作业的区域。并在线路起点、终点以及连接测段联测3个以上CPⅢ/ CPⅡ控制点作为公共点。用于建立GNSS CORS控制网与传统轨道控制网之间的联系.GNSS CORS的观测结果不仅能作为路基变形监测的观测点。还能作为轨道几何状态测量的基准点.
1.2 轨检小车轨检小车的主要构成如图 2所示。即T形小车上搭载了多种传感器。包括三天线GNSS一体接收机、IMU、里程计、倾角仪、轨距测量仪、轨枕识别器、温度传感器和数据存储装置等.由于高速铁路沿线环境特殊。有些路段卫星信号不佳。研制了三天线GNSS一体接收机。可以增加观测数据的冗余度、连续性和可靠性。且3个GNSS天线的几何关系经过严格标定(如图 2所示)。可用于GNSS观测数据预处理和对计算结果进行检核。其定位结果比单天线GNSS定位结果精度更高。且更加稳定可靠.该接收机具备440个通道。可同时接收来自三天线的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system。BDS)/GPS/GLONASS三系统八频率的GNSS信号。具体包括BDS B1/B2/B3、GPS L1/L2/L5和GLONASS L1/L2。并针对高速铁路特殊的观测环境对该接收机的电磁兼容性、防水、抗震等方面做了特殊设计.IMU采用中国自主研发的某光纤惯性导航系统。其航向精度0.05°。俯仰、横滚精度0.02°.通过精密的结构设计与基于ARM架构主控板开发。实现了多传感器的精密安装、统一供电、统一时空基准、合理配置重量、动态数据采集等功能.该轨检小车既可用于测量轨道外部几何参数。也可用于测量轨道内部几何参数。
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| 图 2 GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道几何状态测量仪的主要构成 Fig. 2 Main structure of track geometric status measurement instrument based on GNSS/INS and multisenso for high-speed railway |
1.3 数据处理中心
数据处理中心用于GNSS CORS基准站的远程设置和监控。每天定期从GNSS CORS和附近的国际GNSS服务(international GNSS service。IGS)参考站获取数据。采用后处理的方式计算各个GNSS CORS控制点的精确三维坐标[25].这些控制点的精确坐标不仅能反映轨道路基变形情况。还能为轨道几何状态测量提供位置基准。
1.4 通信链路网络通信链路网络主要分为有线通信(主要为光纤通信)和无线通信两部分。主要用于将GNSS CORS基准站观测数据、轨检小车上的GNSS、IMU、里程计、倾角仪、轨距测量仪、轨枕识别器、温度传感器等观测数据传输到数据处理中心进行处理分析。
2 方法流程数据处理中心对轨检小车的各传感器、GNSS CORS及其附近的IGS参考站的大量观测数据进行集中处理分析并形成最终的施工方案. GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量方法流程如图 3所示。
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| 图 3 GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量方法 Fig. 3 Track measurement method based on GNSS/INS and multisensor for high-speed railway |
步骤1:GNSS CORS与附近的IGS参考站进行联测，其中，联测的已知站不少于两个，观测有效时段不少于8 h/d.GNSS CORS与IGS参考站由数据处理中心定期接收、存储、处理和分析，通常1次/d.以IGS参考站作为约束点，进行控制网整体三维约束平差，以此确定工程独立坐标系.这些控制点的GNSS精确坐标与已知坐标进行对比，可用于预判轨道路基变形情况，还可为轨道几何状态检测提供位置基准。
步骤2:在天窗时间，将轨检小车置于待测轨道之上，采取准动态定位模式(stopGandGgo)进行往返测量，即先将轨检小车推至起始点，静止观测约5 min，标定IMU姿态并计算起始点绝对坐标，而后将轨检小车推行约150 m抵达1号停止点，再静止观测约5 min，重新标定IMU姿态并计算停止点绝对坐标，以此类推，直到抵达终点并静止观测5 min后结束.在此过程中，GNSS CORS与附近的IGS参考站进行不间断观测。
步骤3:在停止点处(如图 4所示)，通过短时间的静态观测，利用三天线GNSS接收机与附近GNSS CORS基准站的GNSS观测数据，在已知天线距离及IMU姿态约束下，进行静态基线网整体平差计算，数据处理流程如图 5所示.再将各停止点的精确坐标和姿态作为约束，对IMU/里程计的航迹推算结果进行处理，得到轨道中线及其左右轨的坐标，并与轨道设计曲线进行对比，以此计算并分析轨道全部几何参数，数据处理流程如图 6所示。
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| 图 4 停止点处静态基线网 Fig. 4 Static baseline network at stop points |
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| 图 5 具有GNSS天线距离和IMU姿态约束的多基站三天线GNSS/INS高精度快速定位算法 Fig. 5 MultiGbase station three antenna GNSS/INS high-precision rapid positioning algorithm with GNSS antennas distance and IMU attitude constraints |
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| 图 6 具有停止状态参数约束的GNSS/INS多传感器移动观测数据融合算法 Fig. 6 GNSS/INS multisensor integrated kinematic observation data fusion algorithm withstop state parameters |
步骤4:基于上述计算结果，进一步分析形成最终调轨作业方案，供铁路工务段运营及养护维修使用。
3 性能评估 3.1 试验情况2018年4月-8月，利用GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统在新建成的济青高铁上进行了轨道平顺性精调测量应用示范.济青高铁采用板式无砟轨道，设计运营时速350 km/h.测试路段长约20 km，方向由西北至东南，主要位于高架桥上.该测段根据其轨道几何形位大致可分为两部分:前半段靠近临淄北站，全长约10 km，以曲线为主; 后半段靠近青州北站，全长约10 km，轨道先曲后直，如图 7所示。
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| 图 7 济青高铁测试路段 Fig. 7 Test section of the Jinan-Qingdao high-speed railway line |
测试路段沿线每间隔约1 km，共布设GNSS CORS观测点21个，6个CP Ⅲ控制点上安装了同型号GNSS接收机，同步观测48 h用于计算各观测点精确三维坐标.在天窗时间，轨检小车上轨对测试路段进行了两次往返测量，用于检测该系统的重复性.其中，GNSS接收机采样频率为1 Hz、IMU采样频率为100 Hz[26]。
同时采用基于Leica TCA2003全站仪的Amberg GRP1000轨道测量系统和Trimble DiNi高精度数字水准仪等(简称Amberg轨道几何状态测量系统)对相同测试路段的轨道平顺性进行了测量，用于检测两系统的一致性.其中，Leica TCA2003全站仪标称精度角度0.5″、距离1 mm+1 ×10-6，Trimble DiNi03水准仪标称精度0.3 mm/km[27]。
3.2 结果分析图 8(a)、图 8(b)分别表示GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统两次往返测量的轨道中线与设计线位的平面(横向)偏差、轨面高程与设计线位的高程(垂向)偏差，图 9(a)、图 9(b)分别表示两次往返测量中平面(横向)偏差与高程(垂向)偏差的误差统计情况.结果表明:新的高速铁路轨道测量系统在轨道平面(横向)、高程(垂向)几何状态测量的重复性偏差基本小于2 mm，可见，新的高速铁路轨道测量系统重复性测量结果较好。
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| 图 8 GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统两次测量横向/垂向偏差对比 Fig. 8 Comparison of lateral/vertical deviation between measured and designed values of track centerline using the track measurement system based on GNSS/INS and multisensor for high-speed railway |
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| 图 9 GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统两次测量横向/垂向偏差统计 Fig. 9 Histogram of lateral/vertical deviation between measured and designed values of track centerline using the track measurement system based on GNSS/INS and multisensor for high-speed railway |
图 10(a)、图 10(b)分别表示GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统与Amberg轨道几何状态测量系统在相同路段往返测量中轨道中线与设计线位的平面(横向)偏差、轨面高程与设计线位的高程(垂向)偏差，图 11(a)、图 11(b)分别表示两种方法平面(横向)偏差与高程(垂向)偏差的误差统计情况.结果表明:新的高速铁路轨道测量系统相比于Amberg轨道几何状态测量系统，在轨道平面(横向)、高程(垂向)几何状态测量的一致性偏差基本小于2 mm。
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| 图 10 两种高速铁路轨道测量系统测量横向/垂向偏差对比 Fig. 10 Comparison of lateral/vertical deviation between measured and designed values of track centerline using two track measurement systems for high-speed railway |
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| 图 11 两种高速铁路轨道测量系统测量横向/垂向偏差统计 Fig. 11 Histogram oflateral/vertical deviation between measured and designed values of track centerline using two track measurement systems for high-speed railway |
由图 8-图 11和上述分析可知，在轨道平面(横向)、高程(垂向)几何状态测量方面，新的高速铁路轨道测量系统自身的重复性较好，且与Amberg轨道几何状态测量系统的一致性较好，不仅能反映出逐个轨枕的轨道几何状态变化情况，还能反映轨枕之间的轨道几何状态变化情况。
图 12表示2018年6月1日-2018月20日测试路段沿线布设的21个GNSS CORS变形观测点的精度统计情况，按每3天对GNSS CORS观测数据解算1次，其测量精度水平方向0.77 mm、垂直方向1.48 mm，能够满足对轨道路基变形监测的精度要求。
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| 图 12 变形观测点精度统计 Fig. 12 Accuracy statistics of deformation observation points |
GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统已先后用于济青高铁、京沪高铁、沪昆高铁等多个实际高速铁路轨道精调测量工程.通过多次重复性分析和一致性分析可知，该系统性能稳定，测量精度达到毫米级绝对精度和亚毫米级相对精度，测量速度约1 km/h，较Amberg轨道几何状态测量系统测量速度约0.1 km/h有显著提高，还具有一次布设、长期使用的特点，能够显著降低高速铁路各等级控制网复测的成本。
4 结论GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统在实际高速铁路轨道精调工程中进行了应用示范，其轨道横向偏差精度2 mm、垂向偏差测量精度2 mm，变形点水平方向精度1 mm、垂直方向精度1.5 mm，完全满足现行«高速铁路工程测量规范»(TB10601-2009)相关指标要求，可用于高速铁路轨道路基变形监测和轨道平顺性测量.与全站仪方案相比，其测量速度快、受环境影响小，显著提高了测量效率.
下一步，还将从以下方面对GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统进一步改进完善[27]:
(1) 目前GNSS CORS间距为1~2 km，在确保测量精度不变的情况下，尝试适当扩大各基准点之间的间距，以降低GNSS CORS布设成本。
(2) 目前轨检小车采取准动态定位模式测量轨道几何状态，若减少停止点观测时间或加大停止点间距离，甚至采取全程动态定位模式[28]，或将进一步提高检测速度。
致谢: 本研究得到了山东北斗华宸导航技术股份有限公司、中国铁路济南局集团有限公司济南西工务段、山东交通学院的指导与帮助, 谨致谢意。
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