中国北斗和中国高铁的“红娘”,武大这辆小车稳了!

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从武汉大学的实验室走向铁路轨检

一辆神奇的“小车”成为了高铁建设中

首批体验组网后的北斗三号的幸运儿

为高铁保驾护航

快跟着珞珞珈珈的脚步

一起了解这辆“小车”的研究之旅!

小车也有大能量

近日,我校卫星导航定位技术研究中心牛小骥教授团队研发的高铁轨道几何状态惯性测量仪(俗称惯导小车)在京沈高铁建设项目中成功应用,引发行业关注,并被央视新闻报导。在此项目中,惯导小车成功使用了最新的北斗三号全球卫星导航系统精密定位技术,是我国北斗三号系统自7月31日正式开通后,首次工程化应用于高铁轨道精测领域,确保轨道严格达到设计标准。

前段时间,一个来自武汉大学的小伙伴在京沈高铁的建设项目中当了一回“红娘”,成功让“中国北斗”和“中国高铁”两张国家名片牵起了手,ta就是武汉大学卫星导航定位技术研究中心牛小骥教授团队研发的高铁轨道几何状态惯性测量仪(俗称惯导小车)。

▲点击认识一下这个小伙伴吧!

惯导小车成功使用了最新的北斗三号全球卫星导航系统精密定位技术,也因此成为我国北斗三号系统自7月31日正式开通后,第一批体验的幸运儿,将组网后的北斗三号系统首次工程化应用于高铁轨道精测领域。

该项目是第二代北斗重大专项“北斗铁路行业综合应用示范工程”的重点课题,由武汉大学与中铁第五勘察设计院集团有限公司合作完成,负责人为武汉大学卫星导航定位技术研究中心特聘副研究员陈起金博士。

中国北斗和中国高铁的“红娘”,武大这辆小车稳了!  第1张

惯导轨检小车的应用

图片来源于武汉大学新闻网

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京沈高铁建设现场,左二为陈起金

图片来源于武汉大学新闻网

京沈高铁是我国“八纵八横”高速铁路主通道之一“京哈-京港澳通道”的重要组成部分。为确保年底通车,在北京朝阳枢纽至顺义施工段现场,参建单位在该区段的有砟轨道数字化捣固工作中广泛采用先进的数字化作业手段代替常规人工检测。

武汉大学两个型号的惯导小车(全站仪惯导小车和北斗惯导小车)参与了轨道绝对线位和几何形态精测工作,指导后续大机捣固作业。在工期异常紧张的情况下,保质保量地如期完成了朝阳枢纽至顺义段双线合计49.6km的有砟轨道精测建设任务,为下一步京沈高铁全线联调联试列车按照设计时速平稳运行奠定了坚实基础。

Q:

惯导小车此次应用最激动人心的是什么?

A:

这是我们轨检小车众多应用里面的一个,轨检小车经过多年的打磨本身已经比较成熟了。最激动的当然是我们第一次用上了自己的北斗,用上了自己的国产芯片和板卡。(陈起金)

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小车正面

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小车侧面

Q:

北斗三号“首次工程化应用”要怎样理解呢?

A:

北斗三号系统组网之前很久就已经可以用了,而组网运行就是说已经把这个系统调得比较稳健,这就像是产品的试用版跟正式版。可以说是我们的调试优化阶段基本结束,欢迎大家使用。(牛小骥)

牛小骥介绍,惯导小车技术以前依托于INS/GPS组合技术就已经趋于成熟。“陈起金最早开始进行探索,是他刚刚进我们团队的时候,2013年9月份,他的第一篇关于这项技术的论文就获得了美国导航年会的优秀学生论文奖了。”

Q:

这次卫星导航和惯性导航的成功合作,对于北斗三号的工程化应用有什么特殊的意义呢?

A:

北斗惯导轨检小车,只是卫星导航跟惯性导航结合的一个应用案例。卫星导航跟惯性导航结合,其实有军事的、专业的、大众的等很多方面的应用,现在导航技术的发展的趋势也是组合导航。(牛小骥)

对北斗应用来说,北斗惯导轨检小车真的就像大海里面的一滴水。北斗的大面积应用,还应该是在普适性的消费人群里的应用。对于这种特别专业的领域来说,我们只是享受到了北斗的福利。(陈起金)

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牛小骥团队参加2013北斗导航年会

惯导小车的工作原理其实并不难理解,就是运用新的测量方法——惯性导航与全站仪或北斗卫星相结合,加上铁轨本身的几何约束,实现了铁路轨道几何状态或者轨道变形情况的快速移动精密测量,达到又快又准的测量效果。

在高铁建设和运维测量中,以往是一个点一个点地用全站仪打点测量坐标,而现在可以推着小车边走边测,只要走完了,数据采集的和测量工作也都做完了。人能走多快,它就能测多快。这样的测量模式,一个小时可以测2000多米,测量效率有了近20倍的提升。

▲点击观看小车作业过程

在惯导小车的应用中,卫星导航和惯性导航具有很强的优势互补特性,就像一对模范夫妇。

对于卫星导航系统,定位物体必须要利用天线和天上的多颗卫星共视,才能正常接收信号。在高楼林立的城市峡谷、林荫道或是完全被遮蔽的隧道内部,卫星信号经过反射、遮挡,被减弱、干扰甚至中断,定位精度降低,这表现了卫星定位的脆弱性。

而惯性导航比较“自力更生”,是完全自主工作的。它通过内部的陀螺仪和加速度计的相互配合,积分得到角度变化和速度变化,从而判定物体的移动量。它不需要跟外界有通信,也不需要采集外界的任何信号,自己就可以闷头工作。但是,由于这种“与世隔绝”的积分推算,惯性导航产生的误差会随着时间、距离逐渐累积,导致其无法维持长时间的高精度推算。

在惯导小车的工作中,北斗定位帮助小车纠正惯性导航的累积误差,而惯性导航则帮助小车实现连续高效率高精度测量,风雨无阻。打个比方,惯导小车是卫星导航和惯性导航爱情的结晶,继承了父母双方的优点。

科研的路上没有捷径

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陈起金在国际学术会议上介绍轨检小车的研究进展

在一次学术交流会上,牛小骥了解到传统铁路轨检手段的不足,之前也有专家提出铁路测量应用惯性技术的设想,牛小骥与有关专家一起商量相关合作,惯导小车的计划便初具雏形。而陈起金当时作为研究生,负责将这个想法变为现实。

惯导小车的探索并不是一帆风顺,据牛小骥回忆:“当时有很多同行都质疑过、善意地劝阻过”。按照传统的组合导航方法,以GPS为代表的卫星导航和惯性导航的组合结果,最多只能做到厘米级的精度,而无法达到轨检要求的毫米级甚至亚毫米级的精度。

“他(陈起金)做事情很认真、仔细、用心,更是有一种特别强的敏感性,能够很敏锐地把一些跟研究课题相关的技术进展与自己的研究内容相结合,达到出乎意料的好效果。“牛小骥笑着夸奖道。

正是因为这种敏感性,使陈起金充分利用了轨道变形跟轨道姿态角变化紧密的相关性,以及惯导安装误差角的自动在线估计,从而在一片无人看好的领域开辟了道路。这个过程,陈起金摸索了差不多一年。直到硕士快毕业的时候,才真正找到了提高精度的方法。

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除了对于技术的敏感性与执着的探索精神,牛小骥对于陈起金的其他特质也赞不绝口。“他非常能吃苦,很有责任感,很有集体观念,为我们整个团队的发展付出了很多。”

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牛小骥和陈起金在交谈

在新疆兰新高铁建设过程中,有一段赶工期。传统的基于全站仪的光学测量小车效率相对较低,很难应付紧迫的工期,于是施工单位就分了一段给当时还处于原型阶段的惯导卫星小车做尝试,实际考核使用效果。当时,他们也想见识见识,这个新技术号称的10-20倍的效率优势。

陈起金带着一个师弟,与合作单位的人一起,在施工现场一驻扎就驻扎了半年。兰新高铁的建设条件比较艰苦、工期漫长,对于一般人来说,可能是一个痛苦的体验,但对于科研人员来说,却是宝贵的机会。几个月的时间里,惯导小车也暴露出来一些问题。陈起金白天进行测量,晚上写代码调整算法,不断完善小车的算法和机械设计,进一步提高了惯导小车的测量精度和方案成熟度。

经过一又一轮轮实战磨练,惯导小车的整体方案被优化了许多,从一个科研上的想法,经过了可行性验证,成为了一个真正落地的实用技术。也是那时候,惯性导航与卫星导航相结合的轨检小车基本成熟。

▲点击直击兰新线建设现场

▲点击直击鲁南高铁长轨精测作业现场

“国家对于铁路行车安全的管控比较严格,能够提实验的天窗时间少之又少。除了兰新线建设的绝佳机会,大多数可以供惯导小车实践的机会都在后半夜的两三个小时和偏僻的铁路线上”牛小骥介绍道。这对于人的意志力是很严苛的考验。

对于自己的“吃苦”精神,陈起金坦言:“一开始确实有很大的不确定性,不清楚可不可行,不知道最终能做到什么精度,不知道最后要实现一个什么样的产品的形态。这些也都是摸着石头过河”。

相对于外部环境的艰苦,陈起金认为,最大的困难主要还是在精度和技术的更新上。只要技术方案能够解决实际问题,让合作方放下怀疑,受到同行用户的认可,那些所谓的辛苦,其实都不值一提。

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谈到惯导小车成功的要素,陈起金和我们另外又说了四点——以问题为导向的科研;牛小骥教授、刘经南院士两位导师的充分支持和细致指导;卫星导航定位技术研究中心良好的研究氛围和为新技术探索所提供的充足条件与合作伙伴(武汉迈普时空导航科技有限公司和广州大铁锐威科技有限公司)的长期支持。

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牛小骥在进行实验

只有第一,没有第二

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牛小骥在调试多元组合导航车

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陈起金在介绍惯性精密测量应用

在科技高速发展的时代,导航定位技术恰好是站在了产业的风口。谈到对未来的研究方向,牛小骥说,希望能在物联网这样一个具有广阔前景的领域进行深入探索,努力实现低成本大众化的室内外无缝精准定位。另一方面,团队也会继续研究惯性测量的新应用,使得这个看似高深莫测的技术进一步走近生产和生活,造福各行各业和千家万户。

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牛小骥在指导学生,左一为牛小骥

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陈起金在讲课

作为特聘副研究员的陈起金,目前的规划仍然是探索和拓宽惯性测量的研究领域,使之成为一个新的蓬勃发展的研究方向,同时继续在团队建设中贡献力量,协助自己曾经的导师牛小骥老师指导学生。

“科研工作有时充满了不确定性,但这也正是它充满魅力的地方。”陈起金说。

Q:

可以对目前还在探索前进的后辈说几句鼓励的话吗?

A:

导航技术跟其他的任何科研一样,原则上只有第一、没有第二。同学们如果选择了走科研这条道路,一定要横下一条心来,在自己的研究方向上做到第一,至少要做到国内第一。不用说处处都第一,但你具体做的方向,只要长期钻研,总能做到第一、做到极致。(牛小骥)

我真心希望学弟学妹们可以找到自己真正感兴趣的方向。有勇气长时间地坚持,有耐力长时间地钻研,认真刻苦,脚踏实地,成果终会水到渠成。(陈起金)

科技的光芒在宇宙熠熠生辉

不懈探索的精神薪火相传

自强弘毅,求是拓新

武大人在广阔的未知领域

已定位自己的方向

未来的下一棒,接好!

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武汉大学

-luojia1893-

感谢武汉大学卫星导航定位技术研究中心

感谢牛小骥教授和陈起金特聘副研究员

图片和视频由受访者提供

部分内容来源于武汉大学新闻网

文案:张译丹 孙博文

采访:刘之源 俞忻元

原标题:《中国北斗和中国高铁的“红娘”,武大这辆小车稳了!》

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