中國高鐵跑得穩和北斗衛星有關 還有這些“黑科技”
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複雜度。
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佈會。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於高鐵建設領域，直接服務於軌道精調，確保軌道的位置和平順性嚴格達到設計標準。
那麼，距離地球幾萬公里的北斗系統，如何給鋪設於地面的交通幹線“把脈”？又能達到怎樣的測量精度呢？
據介紹，乘客可以在以350公里時速運行的高鐵車廂中“閒庭信步”，在車窗邊上豎硬幣不倒，都有賴於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。
爲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座標、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。然後根據這個偏差，計算出調整量。”鐵五院北斗鐵路行業綜合應用示範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。
後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，然後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，進而再推算鋼軌的座標數據，每根軌枕都要重複一次，一個小時只能測量200米。
隨着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，是目前最爲常見的測量方式。
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，因爲小車是在三維空間裡進行運動的，因此可以通過建立空間座標軸，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座標，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。這也意味着，將鐵路軌道數據採集模式交給慣導小車後，就可實現自動採集，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，對鐵路普遍採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，最大特點就是採用國產北斗芯片。
“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，用於替換傳統軌道精測手段。”饒雄說。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。
據瞭解，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，工作人員推着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。因爲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。“採用北斗或者其他衛星定位技術，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。”饒雄說，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複雜度。
“採用國產北斗芯片，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。”饒雄說。
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在今年中國國家鐵路集團有限公司頒佈的《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；高鐵列車將擁有基於北斗衛星導航系統、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，多項已經成功運用於鐵路建設的“黑科技”，都與北斗有關。
中歐班列的運距都在1萬公里以上，很多時候會經過無人區，那些地方沒有移動通訊信號，以前列車經過這些區域的時候，信號就丟失了，沒有辦法保存。現在安裝了北斗定位系統以後，可以實時把列車的運行數據記錄下來，等到列車運行到有移動通訊信號的地方後，再回傳給中歐班列運行服務中心，確保了信息的完整性。目前，中歐班列聯通21個國家72個城市，北斗衛星能夠跟蹤中歐班列運行軌跡，定位精準到10米以內。
北斗基礎設施監測應用可對鐵路設備設施及沿線環境全天候，進行實時自動化高精度監測，採集原始監測數據，並對數據進行預處理，實現監測數據的解算分析、預警信息的發佈等功能。例如，浩吉鐵路沿線5座重點橋樑及6個重點邊坡就採用了基於北斗的高精度位移和形變監測技術，對基礎設施進行長期監測，既能夠保證監測的實時性和連續性，有效獲得趨勢信息，又能夠保證高精度和自動化，爲線路安全增加保障。
及時掌控機車狀態
中國機車遠程監測與診斷系統(CMD系統)通過北斗衛星導航系統，可實時將機車故障、報警信息、機車位置信息等及時傳輸到地面系統，完成車對地、地對車數據的採集處理傳輸。職能部門可以及時掌握機車故障、報警信息、機車位置信息和機車工作質量狀態。機車乘務員對機車質量控制的便捷性和有效性大大提升。
本報記者 矯 陽