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    中國高鐵跑得這么穩 竟和天上的北斗衛星有關

    來源:科技日報作者:矯 陽責任編輯:安思翰
    2020-11-06 08:39

    視覺中國供圖

    工作人員正在利用北斗慣導小車進行軌道精測。受訪者供圖

    與利用軌距尺進行測量或全站儀半自動測量等傳統手段相比,北斗慣導小車在保證測量精度的同時,作業效率提升了20倍以上,大幅度降低了測量成本和外業復雜度。

    10月28日,國新辦就2020年前三季度交通運輸經濟運行情況舉行發布會。交通運輸部新聞發言人、政策研究室主任吳春耕介紹,目前,大概有698.61萬輛道路營運車輛已經安裝使用北斗系統。交通運輸部出臺了交通運輸行業應用北斗衛星的專項規劃,鐵路、公路等重點領域的政策指導正在不斷加強。

    在此前10天左右,來自中鐵第五勘察設計院集團有限公司(以下簡稱鐵五院)的工程師們,與武漢大學的工程技術人員進行合作,將自主研發的北斗慣性組合導航鐵路軌道幾何狀態測量儀(俗稱北斗慣導小車),成功用在京沈高鐵朝陽樞紐至順義段施工現場,完成了近50公里有砟軌道的多回合精測任務。

    這是北斗三號全球衛星導航系統首次工程化應用于高鐵建設領域,直接服務于軌道精調,確保軌道的位置和平順性嚴格達到設計標準。

    那么,距離地球幾萬公里的北斗系統,如何給鋪設于地面的交通干線“把脈”?又能達到怎樣的測量精度呢?

    保證軌道平順 要進行多種數據精準測量

    據介紹,乘客可以在以350公里時速運行的高鐵車廂中“閑庭信步”,在車窗邊上豎硬幣不倒,都有賴于高鐵線路的高平順性。一旦軌道不夠平順,就會導致機車車輛出現系統震動,對輪軌噪聲、輪軌相互作用力以及乘車舒適性、安全性等都會產生直接影響。

    為最大限度保證軌道的平順性,工作人員需要精準獲取軌道的三維位置坐標、軌道間距等,實現軌向、高低、軌距、水平等各項幾何參數的高精度測量。

    “簡單來說,需要先通過測量確定軌道中心線的實際位置,得出其與設計位置在平面(軌向)和高程(高低)方向的偏差。然后根據這個偏差,計算出調整量?!辫F五院北斗鐵路行業綜合應用示范工程項目技術負責人饒雄說。

    早期建設和維修鐵路時,技術人員需要使用軌距尺手動測量軌道,作業效率非常低。

    后期使用專門的高精度全站儀進行軌道測量。測量人員會在軌道中線上臨時架設一個三腳架,然后將高精度全站儀架在三腳架上,以光電掃描的方式測得選取樣點的信息,進而再推算鋼軌的坐標數據,每根軌枕都要重復一次,一個小時只能測量200米。

    隨著高鐵建設的飛速發展,軌道精測技術也在不斷演進。慣性組合導航鐵路軌道幾何狀態測量儀,也叫慣導小車,是目前最為常見的測量方式。

    饒雄介紹說,慣導小車上主要包括陀螺儀、加速度計、慣性導航系統以及衛星定位系統等。測量時,工作人員需要在軌道上推動慣導小車,因為小車是在三維空間里進行運動的,因此可以通過建立空間坐標軸,加上測量過程中收集到的3個方位的各項數據,通過計算機計算出軌道各部分的空間坐標,再進一步計算連續點位數值是否存在非正常偏差。

    饒雄說,有了慣性導航技術,用一臺設備就能對任意位置的軌道幾何形位進行精準定位,測量數據實現了一站式集成處理,在保證精度的同時顯著提高了作業效率。這也意味著,將鐵路軌道數據采集模式交給慣導小車后,就可實現自動采集,數據自動處理,基本不需要現場做過多的操作。

    有了北斗助力 測量精度更高作業效率提升20倍

    在前期積累的技術和產品基礎上,鐵五院聯合武漢大學共同組成研發團隊,對鐵路普遍采用的慣導小車開展了國產化改造升級。新研發的北斗慣導小車集成了多項國產技術,最大特點就是采用國產北斗芯片。

    “項目集成了支持北斗三號的國產衛星導航接收機和慣性導航系統,用于替換傳統軌道精測手段?!别埿壅f。北斗導航與慣性導航功能可以形成互補,提高系統的整體導航精度、導航性能以及空間校準能力。

    據了解,北斗的精密定位功能結合慣性導航強大角度和位置推算能力,可以實現連續移動測量,工作人員推著小車一路走一路就能同時進行測量計算,測量效率可以達到步行的每小時5公里左右甚至更快。因為北斗系統獨特的星座設計,在中國上空的北斗衛星數量更多,所以測量精度更高,抗干擾性和可靠性也更強。

    另外,北斗的高精測量能力還能有效幫助減少測量誤差。常規情況下,慣導系統的數據計算是一個積分過程,整個過程耦合了定位陀螺儀和加速度計的誤差,誤差快速累積會對計算結果產生一定影響?!安捎帽倍坊蛘咂渌l星定位技術,可有效抑制誤差的累積,使整套系統在長時間內都維持在一個高精度的水準?!别埿壅f,與利用軌距尺進行測量或全站儀半自動測量等傳統手段相比,北斗慣導小車在保證測量精度的同時,作業效率提升了20倍以上,大幅度降低了測量成本和外業復雜度。

    “采用國產北斗芯片,我們這臺慣導小車核心傳感器完全國產化,變得自主可控,擺脫了對其他導航設施的依賴?!别埿壅f。

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    這些鐵路“黑科技”都與北斗有關

    在今年中國國家鐵路集團有限公司頒布的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》中,明確提出到2035年,率先完成智能化鐵路網;高鐵列車將擁有基于北斗衛星導航系統、5G通信技術的空天地一體化的“超級大腦”。事實上,看起來遠在九霄之上的北斗,已經來到了我們身邊,多項已經成功運用于鐵路建設的“黑科技”,都與北斗有關。

    精準定位中歐班列

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