全站式陀螺儀GP1X測量精度實(shí)驗(yàn)及分析畢業(yè)論文

1、全站式陀螺儀gp1x測量精度實(shí)驗(yàn)及分析摘要：全站式陀螺儀是將全站儀和陀螺儀結(jié)合在一起的儀器。由于它不受時(shí)間、環(huán)境的限制，同時(shí)觀測簡單方便，效率高，所以它是一種先進(jìn)的定向儀器。陀螺全站儀測量精度常用一次定向中誤差來衡量。在全站式陀螺儀定向過程中，影響其測量精度的因素很多，一般說來，陀螺全站儀的一次定向中誤差都在其出廠時(shí)的標(biāo)稱精度內(nèi)。但是，由于儀器的制造工藝水平限制、測量時(shí)外界條件以及使用方法，都直接影響到陀螺定向時(shí)的精度。所以，對陀螺全站儀定向精度的分析與探討，具有重要的實(shí)踐意義。本文將通過介紹全站儀定向原理并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際工程，對日本索佳gp1x全站式陀螺儀定向精度做出分析與探討，提出提高

2、其定向精度的幾點(diǎn)意見和建議。關(guān)鍵詞：全站式陀螺儀；定向測量；定向精度the experiment and analyse of gyro total station in mine through surveygp1xabstract：the station gyroscope total station and gyro instruments together. because it is not the time, environmental restrictions, while observation is simple and convenient, high efficiency

3、, so it is a state-of-the-art directional instrument. gyro total station measurement accuracy is commonly used in a directional error to measure. total station gyroscope orientation process, a lot of factors that affect the measurement accuracy, in general, gyro total station pro in error in its fac

4、tory nominal accuracy. however, due to the manufacturing process of the horizontal limit of the instrument, the external measurement conditions and methods of use, directly affect the accuracy to the gyro orientation. therefore, the gyro total station directional accuracy of analysis and discussion

5、of important practical significance. by total station directional principle and the combination of experiments and practical engineering and the directional accuracy to make the analysis and discussion of japanese sokkia gp1x total station gyroscope, proposed to increase its orientation accuracy com

6、ments and suggestions.key words:the station gyroscope；directional survey；orientation accuracy 目錄1 緒論1 1.1 本文研究背景及意義1 1.2 索佳gp1x全站式陀螺儀簡介1 1.3 本文主要研究內(nèi)容32 全站式陀螺儀定向原理4 2.1 陀螺儀的定向原理4 2.1.1 陀螺原理及特征4 2.1.2 陀螺儀指北原理5 2.2 全站式陀螺儀常用定向觀測方法8 2.2.1 陀螺測量前準(zhǔn)備工作8 2.2.2 結(jié)束陀螺測量9 2.2.3 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法定向10 2.2.4 中天法定向123 全站式陀螺儀定向精度理

7、論分析15 3.1 全站儀測定方向的誤差15 3.2 陀螺儀與全站儀的連接誤差17 3.3 懸掛帶零位變動誤差17 3.4 靈敏部擺動平衡位置的變動誤差17 3.5 儀器常數(shù)不確定引起的誤差17 3.6 外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動等影響18 3.7 陀螺方位角一次測定中誤差184 儀器精度實(shí)驗(yàn)及分析19 4.1 實(shí)驗(yàn)理論分析19 4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)19 4.3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析20 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論265 工程實(shí)踐分析27 5.1 工程概況27 5.2 陀螺定向過程27 5.3 陀螺定向成果及精度分析276 結(jié)論及建議30參考文獻(xiàn)31致 謝321 緒論1.1 本文研究背景及意義 陀螺儀在目前的國

8、民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中具有不可忽視的優(yōu)勢和作用。由于人類可利用生存空間的不斷縮小，地下工程的施工建設(shè)受到越來越多國家的青睞，如大型隧道、地鐵、地下商場、地下停車場、地下管線等；當(dāng)下能源和資源枯竭，迫使人們不斷向深處開采礦產(chǎn)資源；在炮兵作戰(zhàn)過程中，需實(shí)時(shí)的獲取精確方位。 陀螺儀作為全站式陀螺儀的核心部件，能夠根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量自動尋找并跟蹤地理北方向，并精確測定地面點(diǎn)的方位角。傳統(tǒng)的幾何定向等方法已不適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。它解決了上述定向測量方法工作量大、精度低和受外界環(huán)境影響較大等問題，在精確確定方位角方面有著決對的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于測繪工作中。 全站式陀螺儀是由陀螺儀和全站儀組合

9、而成的用于測定真北方向的測量系統(tǒng)。由于它不受時(shí)間和環(huán)境的限制，同時(shí)觀測簡單方便，效率高，而且能保證較高的定向精度，被廣泛應(yīng)用于礦山、建筑、測繪、鐵道、軍事、航天等各個(gè)部門的定向測量。1.2 索佳gp1x全站式陀螺儀簡介 索佳gp1x全站式陀螺儀由日本索佳公司生產(chǎn)，它結(jié)合gp1懸掛式陀螺儀、set1x全站儀和全站儀內(nèi)置的處理軟件，陀螺儀工作時(shí)其擺會繞地球子午線擺動，通過gp1目鏡對擺動的觀察，并利用全站儀以水平角方式測定出擺幅或測定擺動的時(shí)間周期，然后依此計(jì)算出擺動中心的陀螺方位角。目前，全站式陀螺儀gp1x在礦山測量中已被廣泛應(yīng)用，相對于傳統(tǒng)的陀螺經(jīng)緯儀，索佳全站式陀螺儀gp1x是由gp1陀螺

10、儀和set1x全站儀組合而成的用于測定真北方向的測量系統(tǒng)，并在全站儀中內(nèi)置了逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法兩種測量程序，結(jié)合gp1陀螺儀、set1x全站儀和專用處理軟件，set1x全站儀可在觀測完成后計(jì)算出真北方向，且計(jì)算出的真北方向可以很方便地設(shè)置到set1x全站儀水平度盤上。圖 1.1 顯示了索佳gp1x全站式陀螺儀和各部件的名稱。圖 1.1 全站式陀螺儀部件在不考慮磁場條件影響的情況下，在20分鐘以內(nèi)儀器真北方向測定精度為20，計(jì)算出的真北方向可以很方便地設(shè)置到set1x水平度盤上。其技術(shù)指標(biāo)如表1.1所示。表 1.1 索佳gp1x全站式陀螺儀技術(shù)指標(biāo)真北方向測定精度 20”一次定向測量時(shí)間 20分鐘

11、啟動時(shí)間 約60秒半周期（中緯度地區(qū)）約3分鐘最小分劃間隔約10工作溫度-20至50工作區(qū)域可達(dá)緯度75度尺寸（長寬高）145200416mm重量約3.8kg索佳gp1x全站式陀螺儀提供了逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量法和中天測量法兩種可用于真北方向測定的模式?？梢酝ㄟ^測量兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)來快速獲取近似真北方向。當(dāng)儀器初始照準(zhǔn)方向與真北方向偏差較大時(shí)，重復(fù)進(jìn)行這一過程來確定近似真北方向。當(dāng)儀器初始照準(zhǔn)方向位于真北方向2范圍內(nèi)時(shí)，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量法可以通過測量3個(gè)或更多逆轉(zhuǎn)點(diǎn)來以20”的精度確定出真北方向。中天測量法以20”的精度確定出真北方向時(shí)，要求儀器初始照準(zhǔn)方向位于真北方向20范圍以內(nèi)。使set照準(zhǔn)近似北方向用逆

12、轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量法測量兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位于真北方向2內(nèi)位于真北方向20內(nèi)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量法中天測量法計(jì)算顯示真方位角值，精度為20”（0.006gon/0.1mil）將set顯示的水平角設(shè)置為真方位角圖 1.2 測量模式1.3 本文主要研究內(nèi)容全站式陀螺儀測量精度常用一次定向中誤差來衡量。在全站式陀螺儀定向過程中，影響其測量精度的因素很多，一般來說，全站式陀螺儀的一次定向中誤差都在其出廠時(shí)的標(biāo)稱精度內(nèi)。但是，由于儀器的制造工藝水平限制、測量時(shí)外界條件以及使用方法，都直接影響到陀螺定向時(shí)的精度。所以，對全站式陀螺儀定向精度的分析與探討，具有重要的實(shí)踐意義。 陀螺經(jīng)緯儀的定向精度主要由定向邊一次定向中誤差和儀

13、器常數(shù)一次測定中誤差表示。本文將從儀器常數(shù)一次測定中誤差表示方法對索佳gp1x全站式陀螺儀的定向精度進(jìn)行評定。2 全站式陀螺儀定向原理2.1 陀螺儀的定向原理 gp1懸掛式陀螺儀圓柱形機(jī)體內(nèi)裝有由懸掛帶掛著的陀螺馬達(dá)，稱之為擺，將gp1架設(shè)到set1x全站儀上就組成了gp1x全站式陀螺儀。陀螺的擺會繞地球子午線來回?cái)[動，這種擺動稱為進(jìn)動。擺動可以通過置于擺上的小鏡觀察到，并在懸掛帶無扭矩的情況下通過慢慢旋轉(zhuǎn)全站儀來進(jìn)行跟蹤，進(jìn)動的兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)可以通過全站儀水平度盤讀取，再由set計(jì)算出進(jìn)動的中心即真北方向。當(dāng)全站儀視準(zhǔn)軸與進(jìn)動中心方向一致時(shí)，儀器望遠(yuǎn)鏡的照準(zhǔn)方向即為真北方向。2.1.1 陀螺原理

14、及特征陀螺是一個(gè)瞬間慣量很大的高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，當(dāng)轉(zhuǎn)子角動量大且轉(zhuǎn)子為自由懸掛時(shí)，其轉(zhuǎn)軸方向在空間將保持不變，即定軸性。從南端觀察地球，假設(shè)陀螺在赤道上任意點(diǎn)a開始擺動，如圖2.1所示，并假定陀螺具有圖2.2所示三軸自由度。由于地球的自轉(zhuǎn)，六小時(shí)后a點(diǎn)將到達(dá)b點(diǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)軸n端的指向與在a點(diǎn)時(shí)相同；同樣，當(dāng)12小時(shí)后到達(dá)c點(diǎn)和18小時(shí)后到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸n端的指向仍保持不變。盡管觀測者感覺到轉(zhuǎn)軸的方向正在變化，需要牢記的是如前面所述，陀螺儀始終保持其原旋轉(zhuǎn)方向不變。圖2.1 陀螺擺動示意圖 三軸的定義如圖2.2所示：如果陀螺轉(zhuǎn)軸可以繞xx、yy、zz軸自由改變方向，則認(rèn)為陀螺具有三軸自由度。圖2.2

15、 陀螺三軸自由度除定軸性外，陀螺還具有另外一個(gè)重要特性，即當(dāng)在轉(zhuǎn)軸上施加扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)軸將由于進(jìn)動性而朝轉(zhuǎn)矩矢量方向移動。如圖2.3所示，如果所施加扭矩使轉(zhuǎn)軸n端向下，那么具有三軸自由度的陀螺轉(zhuǎn)子從x看是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而從z方向看，陀螺則繞zz軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)右手定則，將原始轉(zhuǎn)動向量和在轉(zhuǎn)子n端向下施加的扭矩分別表示為向量h和向量t。轉(zhuǎn)動向量h將沿扭矩向量t的方向轉(zhuǎn)動，這個(gè)轉(zhuǎn)動運(yùn)動稱為進(jìn)動。圖2.3 陀螺進(jìn)動示意圖2.1.2 陀螺儀指北原理 當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸n端朝向東方任意點(diǎn)q，從s端上看，如果懸掛式陀螺馬達(dá)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則陀螺的位置將由a變?yōu)閎，然后再由b變?yōu)閏（如圖2.4所示），最后n端朝向

16、真北，即由于進(jìn)動性使得轉(zhuǎn)軸將軸向?qū)?zhǔn)子午線方向。這里假設(shè)旋掛帶的扭矩為零。下面分析一下使得旋轉(zhuǎn)軸n端向北方向旋轉(zhuǎn)的原因。圖2.4 陀螺儀指北原理示意圖即使陀螺旋轉(zhuǎn)軸具有定軸特性，但軸的n端卻必然會因地球的自轉(zhuǎn)而下降。換句話說，當(dāng)?shù)厍蛑亓o陀螺擺施加了扭矩，所產(chǎn)生的向量朝北。因此，旋轉(zhuǎn)軸n端（轉(zhuǎn)子的向量）開始向北方向進(jìn)動，直至進(jìn)動至北方向，此時(shí)重力引起的扭矩使進(jìn)動繼續(xù)并在北方向時(shí)進(jìn)動速度達(dá)到最大。當(dāng)n端越過北方向后，重力矩又使新的n端（即原s端）下降致使進(jìn)動速度降低。當(dāng)新s端進(jìn)動到這一端同樣的象限角時(shí)，又開始向北方的運(yùn)動。由于地球不停的旋轉(zhuǎn)，所以只要馬達(dá)不停止旋轉(zhuǎn)，在北方向左右的往復(fù)運(yùn)動就不會停

17、止，這就是懸掛陀螺儀的進(jìn)動特性。由于陀螺進(jìn)動性，陀螺的擺會繞地球子午線來回?cái)[動。擺動可以通過置于擺上的小鏡觀察到，并在懸掛帶無扭矩的情況下可以通過慢慢旋轉(zhuǎn)儀器來進(jìn)行跟蹤，進(jìn)動的兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)可以通過儀器的水平度盤讀取，計(jì)算出的進(jìn)動中心為真北方向，即完成了儀器的尋北。2.1.3 陀螺北方向、真北方向與坐標(biāo)北方向的關(guān)系利用陀螺儀敏感地球角動量，從而確定的北方向稱為陀螺北方向。地球上某點(diǎn)的真子午線的切線方向稱為該點(diǎn)的真北方向。真北方向是一個(gè)幾何量，而陀螺北方向是通過物理的方法測定的。因此，陀螺北方向與真北方向之間存在著一個(gè)夾角，稱為陀螺儀的儀器常數(shù)。如圖2.5所示，測線oa與真北方向的夾角稱為oa的真北

18、方位角；測線oa與陀螺北方向的夾角稱為oa的陀螺方位角。于是，存在如下關(guān)系： （2-1） 所謂坐標(biāo)北方向就是平面坐標(biāo)系的x軸所指的方向；如圖2.3所示，測線oa與坐標(biāo)北方向的夾角稱為oa的坐標(biāo)方位角。圖2.5 三北方向關(guān)系示意圖在任意投影帶內(nèi)子午線均向南北兩極收斂，任意兩條子午線均不平行，其間存在一個(gè)夾角，如果以其中一條子午線作為中央子午線，則投影帶內(nèi)的其它各子午線與中央子午線的夾角稱為子午線收斂角。圖2.4 子午線收斂角示意圖如圖2.4 所示，位于中央子午線以東的地區(qū)子午線收斂角為正；位于中央子午線以西的地區(qū)子午線收斂角為負(fù)?？捎茫?-2）式計(jì)算 （2-1）其中，l為該點(diǎn)與中央子午線的經(jīng)差；

19、b為該點(diǎn)的地理緯度。于是，我們可以知道，任意測線的坐標(biāo)方位角與真北方位角存在如下關(guān)系： （2-3）綜上所述，由式（2-1）、（2-3）可以得出： （2-4） 對于坐標(biāo)方位角與子午線收斂角的計(jì)算而言，當(dāng)采用地方坐標(biāo)系或施工坐標(biāo)系時(shí)，坐標(biāo)系整體發(fā)生旋轉(zhuǎn)、平移，會影響到與的計(jì)算結(jié)果，但二者的增減相互抵消，使得+的最終結(jié)果保持不變，公式（2-4）不發(fā)生改變。2.2 全站式陀螺儀常用定向觀測方法2.2.1 陀螺測量前準(zhǔn)備工作 (1)將管式羅盤安置在gp1頂部（如圖2.5 a），使羅盤與set望遠(yuǎn)鏡處于同一方向線上，松開管式羅盤緊鎖螺旋。利用set的水平制動和水平微動手輪轉(zhuǎn)動儀器至使羅盤指針處于指標(biāo)線中央

20、，此時(shí)，set望遠(yuǎn)鏡大致對準(zhǔn)磁北方向（如圖2.5 b）。 a b圖2.5 安置管式陀螺儀 (2)此時(shí)尚不可打開陀螺馬達(dá)電源！首先按以下步驟檢查標(biāo)在零分劃線左右的擺動是否對稱。 a）沿c方向旋轉(zhuǎn)gp1鎖緊螺旋至使“c”標(biāo)記出現(xiàn)（如圖2.6 a），此時(shí)，陀螺擺處于安全鎖緊位置。 b）沿f方向旋轉(zhuǎn)gp1 鎖緊螺旋至使出現(xiàn)“”標(biāo)志，然后繼續(xù)沿f方向旋轉(zhuǎn)至使“hc”標(biāo)志對準(zhǔn)“”標(biāo)志(如圖2.6 b)。此時(shí)，陀螺擺處于半鎖緊位置。a b圖2.6 下方陀螺過程示意圖 c）等待約10秒鐘，使陀螺擺的運(yùn)動穩(wěn)定下來，檢查光標(biāo)的移動。 d）沿f方向?qū)㈡i緊螺旋旋到底，當(dāng)無法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)表明陀螺擺處于自由懸掛位置。 e）

21、檢查光標(biāo)是否對稱于零分劃線移動，如果不對稱,則需進(jìn)行零位調(diào)整。 f）沿c方向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺旋，直至轉(zhuǎn)不動為止重新鎖緊陀螺（在鎖緊指示上看到c標(biāo)志）。（3）打開逆變器上的gp1電源開關(guān)。（4）約60秒后馬達(dá)啟動指示燈亮，表明陀螺馬達(dá)已正常運(yùn)轉(zhuǎn)。至此，測量前的準(zhǔn)備工作已全部完成。2.2.2 結(jié)束陀螺測量 測量工作完成后必須按以下步驟結(jié)束測量，遷站時(shí)也必須執(zhí)行這些步驟。 (1)沿c方向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺旋至使陀螺擺處于完全鎖緊位置。 （2)檢查確認(rèn)陀螺擺處于完全鎖緊位置，關(guān)閉為gp1供電的逆變器電源開關(guān)。 （3)約10分鐘后陀螺馬達(dá)轉(zhuǎn)動完全停止，檢查確認(rèn)陀螺馬達(dá)已無聲響后蓋上鎖緊扣，將儀器放入儀器箱后移至下一測

22、點(diǎn)。2.2.3 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法定向用陀螺儀做精密定向，一般可用兩種方法進(jìn)行觀測：逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法是全站式陀螺儀進(jìn)行精密定向的方法之一。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)是光標(biāo)在其運(yùn)動中改變其運(yùn)動方向時(shí)刻的點(diǎn)位。在改變其運(yùn)動方向之前，光標(biāo)在趨近逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)其運(yùn)動速度會變慢，最后在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)上停止并改變運(yùn)動方向。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法一種傳統(tǒng)的定向方法，由于其可靠性，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。利用陀螺儀做精密定向多用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法，而少用中天法。 采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測時(shí)，全站式陀螺儀在一個(gè)測站的操作程序如下： （1）在基本模式界面（如圖2.7 a）下按program鍵進(jìn)入程序模式顯示界面。選取“全站式陀螺儀”啟動陀螺程序，屏幕顯示圖2.7 b所示界面。在圖2.

23、7 b所示界面下按逆轉(zhuǎn)法鍵進(jìn)入逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量界面。 a b圖2.7 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法測量界面 （2）將gp1鎖緊螺旋旋至半鎖緊位置，等待約10秒鐘讓光標(biāo)移動穩(wěn)定下來，然后將鎖緊螺旋慢慢旋轉(zhuǎn)至自由位置。（3）當(dāng)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)與零分劃重合時(shí)按下逆轉(zhuǎn)位鍵（如圖2.8 a）。（4）輸入步驟3中所測逆轉(zhuǎn)點(diǎn)和與之相對逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的值。 （5）繼續(xù)按逆轉(zhuǎn)位鍵輸入逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的測量值，直至觀測完所需的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測個(gè)數(shù)最少為2個(gè)，最多為10個(gè)。 （6）當(dāng)輸入完成后按ok鍵結(jié)束逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤測量，set計(jì)算出真方位角并返回方位角顯示界面。當(dāng)最后測量的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)達(dá)到10個(gè)時(shí)，計(jì)算和返回將自動進(jìn)行（如圖2.8 b）。 a b圖2.8 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)界面

24、 （7）當(dāng)轉(zhuǎn)換到不同的測量模式再次開始測量之前，必須將gp1鎖緊螺旋旋至的完全鎖緊位置。 在完成了全部測量工作后，務(wù)必將陀螺馬達(dá)設(shè)置到完全緊鎖位置后再關(guān)閉電源。全站式陀螺儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)受到多類誤差的影響，包括人為的、儀器的和來自環(huán)境的誤差。以下是應(yīng)用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測方法進(jìn)行陀螺定向時(shí)，進(jìn)行模型建立與數(shù)據(jù)處理。將陀螺經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡置于大致北方向，啟動陀螺馬達(dá)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后下放靈敏部，然后用照準(zhǔn)部微動螺旋跟蹤靈敏部擺動，在達(dá)到左、右逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，讀取在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)處水平度盤，可讀取,，如圖2.9所示：圖2.9 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位置 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)測量和真北方向計(jì)算：逆轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)為2 時(shí)： （2-5） 式中：、為逆轉(zhuǎn)點(diǎn)測量值、n為真北

25、方向值、r為改正常數(shù)。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)大于3 時(shí)： （2-6）當(dāng) n=3 時(shí)，陀螺北方向值的精度估算為： （2-7） （2-8）式2-6可看作是舒勒平均值法。在陀螺定向中，對稱平均值的真北方向計(jì)算（n=3）可表示為： （2-9）2.2.4 中天法定向中天法是通過測定陀螺靈敏部經(jīng)過中天時(shí)的時(shí)刻和擺幅，確定近似北方向偏離擺動平穩(wěn)位置的改正值，進(jìn)而求得陀螺北方向的一種觀測方法。這種定向方法與逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法相比有兩個(gè)特點(diǎn)：一是全站式陀螺儀的照準(zhǔn)部處于固定狀態(tài)；二是有扭觀測。中天法要求粗略定向的精度較高。采用中天法觀測時(shí)，全站式陀螺儀在一個(gè)測站的操作程序如下： （1）利用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤法測量2個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)確定真北方向并使其偏

26、差在20之內(nèi)，在方位角顯示模式下，將望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)方位角為00000”的方向。（2）在方位角顯示模式下按中天法鍵進(jìn)入中天測量法模式（如圖2.7 b）。（3）將gp1鎖緊螺旋旋至半鎖緊位置，等待約10秒鐘使光標(biāo)的移動平穩(wěn)后慢慢松開鎖緊螺旋至自由位置。（4）觀察光標(biāo)的移動情況。分別讀取逆轉(zhuǎn)點(diǎn)在r、l側(cè)擺幅的分劃值dr和dl（估讀到0.1）并輸入相應(yīng)框內(nèi)后按ok鍵（如圖2.10 a）。 (5)當(dāng)光標(biāo)通過零分劃時(shí)按下零時(shí)刻鍵(如圖2.10 b)。 a b圖2.10 中天法測量界面（6）在光標(biāo)通過零分劃后，需要告知其方向是位于零分劃的r側(cè)或l側(cè)。若光標(biāo)位于零分劃r側(cè)按鍵，若光標(biāo)位于零分劃l側(cè)按鍵。輸入方向后

27、其相應(yīng)的箭頭符號顯示在屏幕上。（7）當(dāng)光標(biāo)通過零分劃時(shí)按下零時(shí)刻鍵。所測得的半周期時(shí)間顯示在“半周期(秒)”欄內(nèi)（如圖2.11 a）。（8）當(dāng)光標(biāo)經(jīng)過零分劃時(shí)刻按下零時(shí)刻鍵，所測得的另一半周期時(shí)間顯示在“半周期(秒)”欄內(nèi)，az欄內(nèi)顯示值即為計(jì)算所得真方位角值（如圖2.11 b）。完成一個(gè)整周期觀測后，在光標(biāo)再次經(jīng)過零分劃前約20秒鐘，儀器會發(fā)出蜂鳴提示聲。 a b圖2.11 中天法測量子界面（9）繼續(xù)在光標(biāo)經(jīng)過零分劃時(shí)按下零時(shí)刻鍵完成所需觀測次數(shù)，允許的最大觀測次數(shù)為255。（10）按ok鍵結(jié)束中天法測量，set計(jì)算出真北方向并返回方位角顯示。當(dāng)觀測次數(shù)達(dá)到最大的255時(shí)，儀器會自動計(jì)算真北

28、方向后返回方位角顯示模式（如圖2.12）。圖2.12 中天法測量結(jié)束界面 在切換到其它測量模式開始測量之前，務(wù)必將陀螺馬達(dá)設(shè)置到完全緊鎖位置。在完成了全部測量工作后，務(wù)必將陀螺馬達(dá)設(shè)置到完全緊鎖位置后再關(guān)閉電源。中天測量法是在不轉(zhuǎn)動set的情況下，通過輸入dr或dl值，即逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的r擺幅和l擺幅（逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的分劃讀數(shù)），并在光標(biāo)每次通過零分劃時(shí)的按鍵操作便可計(jì)算出真北方向值。圖2.13 陀螺儀運(yùn)動軌跡 在開始中天法測量之前，首先通過逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤法測量（2個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)）將望遠(yuǎn)鏡定向至真北方向20之內(nèi)。為保證測量結(jié)果的正確性，測量時(shí)光標(biāo)的移動必須平穩(wěn)，光標(biāo)在零分劃兩側(cè)的r和l擺幅的分劃讀數(shù)以810為好。光標(biāo)的

29、擺幅可以通過先將鎖緊螺旋旋至完全鎖緊位置，然后再慢慢旋至自由位置來改變。3 全站式陀螺儀定向精度理論分析全站式陀螺儀定向時(shí)產(chǎn)生的誤差來源與觀測方法有關(guān)。一般采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法來進(jìn)行陀螺定向時(shí)，其操作步驟為：在精度較高的地面已知邊上測定儀器常數(shù)，在井下定向邊上測定陀螺方位角，儀器上井后重新測定儀器常數(shù)。引起逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法誤差的因素很多，要將整個(gè)陀螺定向時(shí)各種影響因素都考慮進(jìn)去，陀螺全站儀定向時(shí)的誤差來源主要有以下幾個(gè)方面。（1）全站儀測定方向值的誤差；（2）上架式陀螺儀與全站儀的連接誤差；（3）懸掛帶零位變動誤差；（4）靈敏部擺動平衡位置的變動誤差；（5）儀器常數(shù)不確定引起的誤差；（6）外界條件，如風(fēng)流、氣

30、溫及震動等因素的影響。對于索佳gp1x陀螺全站儀，分別對上述因素作如下分析。3.1 全站儀測定方向的誤差一條測線一次觀測的步驟為：儀器在測站對中整平；以5個(gè)連續(xù)跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)測定陀螺北方向值；以一測回測定測線方向值。全站儀測定方向的誤差包括：（1）對中整平誤差假定測線邊長d=50m，測站偏心和目標(biāo)偏心e都是1.0mm，則覘標(biāo)對中誤差和儀器對中誤差為： （3-1）（2）全站儀測定方向值引起的定向誤差以一測回測定待定邊或已知測線的方向值，取測前測后兩測回的平均值作為測線方向值，對于gp1x，配置1的全站儀，則有定向誤差為： （3-2） （3）逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測確定陀螺北方向的誤差對于陀螺經(jīng)緯儀，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測誤差

31、包括跟蹤瞄準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差，但索佳全站式陀螺儀gp1x使用全站儀set1x電子全站儀觀測角度值，沒有讀數(shù)誤差。故只需考慮跟蹤瞄準(zhǔn)誤差的影響。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)跟蹤瞄準(zhǔn)誤差的計(jì)算： （3-3）式中：v望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)。則逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測誤差為：由5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)計(jì)算子午線方向值的公式： （3-4）式中 5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的舒勒平均值； 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的讀數(shù)（i=1,2,3,4,5）。根據(jù)誤差傳播定律3，則相應(yīng)的誤差為： （3-5） 考慮到5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)為等精度觀測，根據(jù)誤差傳播定律3，則其平均值的中誤差為： （3-6） 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測確定陀螺北方向的誤差：綜合以上分析，全站儀測定方向的誤差為: 3.2 陀螺儀與全站儀的連接誤差索佳全站式陀

32、螺儀的陀螺儀與全站儀是通過固定在全站儀照準(zhǔn)部上的過渡支架來連接的，每次定向時(shí)都要把陀螺儀安置在全站儀的支架上，所以，每次拆裝再連接必然要造成其連接誤差，參考參考文獻(xiàn)1，gp1主機(jī)安置精度為5，故取陀螺儀與全站儀的連接中誤差。3.3 懸掛帶零位變動誤差 懸掛帶對陀螺擺動系統(tǒng)的指向起阻礙作用，在觀測時(shí)采用跟蹤的方法可以消除懸掛帶扭力的大部分影響。懸掛帶材料的力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣、陀螺運(yùn)轉(zhuǎn)造成的升溫、外界氣候的變化以及擺動系統(tǒng)的機(jī)械鎖緊和釋放等因素的影響，均會引起零位變動。參考參考文獻(xiàn)1和參考文獻(xiàn)2，取懸掛帶零位變動中誤差。3.4 靈敏部擺動平衡位置的變動誤差影響擺動平衡位置變動的主要因素有：電源電壓頻率

33、的變化引起角動量的變化，靈敏部內(nèi)部溫度的變化引起重心位移以及由于溫度升高造成懸掛帶和導(dǎo)流絲的形變等因素，都會造成平衡位置的變動，且該平衡位置的變動是隨機(jī)的。依據(jù)理論分析，陀螺儀靈敏部擺動平衡位置變化最大為20，中誤差為12，因此觀測時(shí)由5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)計(jì)數(shù)計(jì)算出三個(gè)擺動中值取平均，得到平衡位置不穩(wěn)定性引起的方向誤差為： 3.5 儀器常數(shù)不確定引起的誤差儀器常數(shù)不確定引起的誤差可以通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析，根據(jù)參考文獻(xiàn)2，儀器常數(shù)的計(jì)算公式： （3-7）式中為已知邊坐標(biāo)方位角，可根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來，故只需測量已知邊陀螺方位角即可計(jì)算出儀器常數(shù)，根據(jù)誤差傳播定律，儀器常數(shù)的精度等于測線陀螺方位角的精度，即

34、。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知儀器常數(shù)不確定引起的中誤差。3.6 外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動等影響陀螺定向時(shí)，外界條件的影響因素很多，如定向地點(diǎn)風(fēng)流較大、陀螺定向時(shí)外界氣溫的變化，定向地點(diǎn)的振動，這些條件的影響程度較為復(fù)雜，無法精確測定，依據(jù)實(shí)測資料，根據(jù)參考文獻(xiàn)2，取。3.7 陀螺方位角一次測定中誤差依據(jù)以上理論分析，根據(jù)誤差傳播定律，測線陀螺方位角一次測定中誤差為： 誤差分析的結(jié)果說明，索佳gp1x全站式陀螺儀（20）的標(biāo)稱精度是合理可行的。4 儀器精度實(shí)驗(yàn)及分析4.1 實(shí)驗(yàn)理論分析全站式陀螺儀定向精度受多方面因素的影響，根據(jù)第三章的理論分析，在儀器本身精度較高的情況下，儀器本身的誤差決定了測量誤差的大

35、小，人為因素以及外界條件影響測量誤差，對于人為誤差以及外界條件引起的誤差可通過一定的測量方法、認(rèn)真的工作來減小其對測量結(jié)果的影響。陀螺儀自身的誤差包括懸掛帶零位變動誤差、靈敏部擺動平衡位置的變動誤差、儀器常數(shù)不確定引起的誤差，這三種誤差可以用儀器常數(shù)一次測定中誤差來綜合評定，儀器常數(shù)一次測定中誤差可以通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析，根據(jù)參考文獻(xiàn)2，儀器常數(shù)的計(jì)算公式： （3-7）式中為已知邊坐標(biāo)方位角，可根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來，且在某一點(diǎn)為定值，故只需測量已知邊陀螺方位角即可計(jì)算出儀器常數(shù)，根據(jù)誤差傳播定律，儀器常數(shù)一次測定精度等于測線陀螺方位角的精度，即，因此，在沒有已知邊的情況下也能測定儀器常數(shù)的精度

36、。4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)場地選擇兩個(gè)能通視的穩(wěn)固點(diǎn)a、b，構(gòu)成一條穩(wěn)固邊ab，在a點(diǎn)架設(shè)全站式陀螺儀，b點(diǎn)為照準(zhǔn)點(diǎn)，觀測ab方向的陀螺方位角，單獨(dú)觀測5個(gè)測回（如圖4-1所示）。通過多余觀測測線陀螺方位角來計(jì)算陀螺方位角的測定精度，而儀器常數(shù)的精度等于測線陀螺方位角的精度，從而得到儀器常數(shù)的精度。圖4-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)選擇在2013年5月15號進(jìn)行，這一天天氣晴朗、微風(fēng)，外界條件對實(shí)驗(yàn)精度的影響很小。由于我以前沒有使用過gp1x全站式陀螺儀，只看過說明書，因此，實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)老師劉小陽先演示了一遍使用gp1x全站式陀螺儀測定陀螺方位角的過程，并且傳授了一些下放陀螺的經(jīng)驗(yàn)，

37、在這次實(shí)驗(yàn)過程中，劉小陽老師測量了前兩個(gè)測回，我在觀摩和學(xué)習(xí)劉小陽老師的測量過程后測量了后面的三個(gè)測回。實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表4-1所示。表4-1 防災(zāi)科技學(xué)院全站式陀螺儀gp1x儀器常數(shù)測定記錄表格表4-1-1 全站式陀螺儀gp1x定向記錄 測線名稱：ab 記錄者：李強(qiáng) 儀器號：60735 觀測者：劉小陽 日期：2013.5.15逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)左 方中 值右 方3582200.5（3582400.2）3595956.113552.03582600.000001.5（13403.0）（3582750.0）00002.013214.03582940.0平均值3595958.7周 期8 m 40 s測 前

38、零 位測 后 零 位左 方中 值右 方左 方中 值右 方+7.4-7.9（+7.45）-0.175-7.8+7.6-0.175（-7.95）+7.7-8.0周 期35 s周 期36 s測線方向正 鏡1095828.01095827.5附 注倒 鏡2895829.02895827.5天 氣：晴氣 溫：風(fēng) 力：12級振 動：開始時(shí)間：8 h 32 min啟動時(shí)間：1 min 10 s制動時(shí)間：50 s停止時(shí)間：8 h 51 min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：19 min平 均1095828.51095827.5計(jì) 算測線方向值1095828.0陀螺北方向值00000.0零位改正數(shù)陀螺方位角1095828.0儀器常數(shù)

39、地理方位角未知定值收 斂 角未知定值坐標(biāo)方位角未知定值注：由于在定向過程中零位互差未超過0.2格，因此未加入零位改正。表4-1-2 全站式陀螺儀gp1x定向記錄 測線名稱：ab 記錄者：李強(qiáng) 儀器號：60735 觀測者：劉小陽 日期：2013.5.15逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)左 方中 值右 方3584053.0（3584218.2）00000.411742.53584343.53595955.2（11607.0）（3584545.2）00008.411431.53584747.0平均值00001.3周 期8 m 37 s測 前 零 位測 后 零 位左 方中 值右 方左 方中 值右 方+8.2-9.2（+8.

40、25）-0.175-8.6+8.8-0.175（-9.15）+8.3-9.1周 期35 s周 期35 s測線方向正 鏡1095828.01095826.5附 注倒 鏡2895828.02895827.5天 氣：晴氣 溫：風(fēng) 力：12級振 動：開始時(shí)間：9 h 01 min啟動時(shí)間：1 min 8 s制動時(shí)間：50 s停止時(shí)間：9 h 21 min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：20 min平 均1095828.01095827.0計(jì) 算測線方向值1095827.5陀螺北方向值00000.0零位改正數(shù)陀螺方位角1095827.5儀器常數(shù)地理方位角未知定值收 斂 角未知定值坐標(biāo)方位角未知定值注：由于在定向過程中零位互差

41、未超過0.2格，因此未加入零位改正。表4-1-3 全站式陀螺儀gp1x定向記錄 測線名稱：ab 記錄者：任保鑒 儀器號：60735 觀測者：李強(qiáng) 日期：2013.5.15逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)左 方中 值右 方3583542.0（3583700.2）3595930.112200.03583818.53595931.7（12045.0）（3583921.0）3595925.511930.03584023.5平均值3595929.1周 期8 m 38 s測 前 零 位測 后 零 位左 方中 值右 方左 方中 值右 方+7.8-8.6（+7.85）-0.175-8.2+8.3-0.175（-8.65）+7.9-

42、8.7周 期35 s周 期35 s測線方向正 鏡1095827.51095826.0附 注倒 鏡2895829.02895827.5天 氣：晴氣 溫：風(fēng) 力：12級振 動：開始時(shí)間：9 h 35 min啟動時(shí)間：1 min 12 s制動時(shí)間：48 s停止時(shí)間：9 h 57 min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：22 min平 均1095829.21095826.8計(jì) 算測線方向值1095828.0陀螺北方向值00000.0零位改正數(shù)陀螺方位角1095828.0儀器常數(shù)地理方位角未知定值收 斂 角未知定值坐標(biāo)方位角未知定值注：由于在定向過程中零位互差未超過0.2格，因此未加入零位改正。表4-1-4 全站式陀螺儀gp1

43、x定向記錄 測線名稱：ab 記錄者：任保鑒 儀器號：60735 觀測者：李強(qiáng) 日期：2013.5.15逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)左 方中 值右 方11500.0（11406.0）00021.03584636.011312.000022.5（3584733.0）（11215.0）00022.53584830.011118.0平均值00022.2周 期8 m 38 s測 前 零 位測 后 零 位左 方中 值右 方左 方中 值右 方+8.4-9.2（+8.35）-0.175-8.7+8.8-0.175（-9.15）+8.3-9.1周 期36 s周 期36 s測線方向正 鏡1095828.01095828.5附 注倒

44、 鏡2895829.02895828.5天 氣：晴氣 溫：風(fēng) 力：12級振 動：開始時(shí)間：10 h 14 min啟動時(shí)間：1 min 13 s制動時(shí)間：52 s停止時(shí)間：10 h 35 min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：21 min平 均1095828.51095828.5計(jì) 算測線方向值1095828.5陀螺北方向值00000.0零位改正數(shù)陀螺方位角1095828.5儀器常數(shù)地理方位角未知定值收 斂 角未知定值坐標(biāo)方位角未知定值注：由于在定向過程中零位互差未超過0.2格，因此未加入零位改正。表4-1-5 全站式陀螺儀gp1x定向記錄 測線名稱：ab 記錄者：任保鑒 儀器號：60735 觀測者：李強(qiáng) 日期：20

45、13.5.15逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)左 方中 值右 方3582425.0（3582434.2）00025.413616.53582443.500010.2（13537.0）（3582608.8）00033.213457.53582734.0平均值00022.9周 期8 m 40 s測 前 零 位測 后 零 位左 方中 值右 方左 方中 值右 方+9.1-10.1（+9.15）-0.175-9.5+9.7-0.175（-10.05）+9.2-10.0周 期36 s周 期35 s測線方向正 鏡1095829.51095830.0附 注倒 鏡2895829.02895829.5天 氣：晴氣 溫：風(fēng) 力：12級振

46、 動：開始時(shí)間：10 h 47 min啟動時(shí)間：1 min 11 s制動時(shí)間：50 s停止時(shí)間：11 h 8 min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：21 min平 均1095829.21095829.8計(jì) 算測線方向值1095829.5陀螺北方向值00000.0零位改正數(shù)陀螺方位角1095829.5儀器常數(shù)地理方位角未知定值收 斂 角未知定值坐標(biāo)方位角未知定值注：由于在定向過程中零位互差未超過0.2格，因此未加入零位改正。 對實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查沒有發(fā)現(xiàn)記錄錯誤等問題，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)真實(shí)可用，將實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)整理并利用測量平差的知識對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平差及精度分析，最終得到的結(jié)果如表4-2所示。表4-2 防災(zāi)科技學(xué)院全站式

47、陀螺儀gp1x儀器常數(shù)測定邊 名坐標(biāo)方位角（）子午線收斂角（）陀螺方位角（）（ ）儀器常數(shù)（）序號觀測值均 值ab未知定值未知定值1109 58 28.0109 58 28.3未知2109 58 27.53109 58 28.04109 58 28.55109 58 29.5備 注儀器常數(shù)儀器常數(shù)一次測定中誤差：4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 雖然實(shí)驗(yàn)沒有準(zhǔn)確測定出儀器常數(shù)，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出儀器常數(shù)一次測定中誤差，這種方法不僅能測定出儀器常數(shù)一次測定中誤差，還能避免已知邊本身的誤差。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知索佳gp1x全站式陀螺儀自身的精度非常高，儀器穩(wěn)定性很高，所以在測量過程中人為因素和外界條件的影響對測量結(jié)

48、果影響很大。5 工程實(shí)踐分析5.1 工程概況花山礦某新入風(fēng)斜井是為擴(kuò)大花山煤礦生產(chǎn)能力，滿足生產(chǎn)需要，提高礦井通風(fēng)能力。由于花山礦某新入風(fēng)斜井貫通距離長，隨著測站增加，支導(dǎo)線誤差累積越來越大，極易發(fā)生偏差。如果偏差造成對接貫通巷道穿幫或誤透，則耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，直接影響工期及下一步設(shè)計(jì)施工，影響礦井設(shè)計(jì)施工及生產(chǎn)。為確保在規(guī)定限差范圍內(nèi)準(zhǔn)確貫通，必須采用陀螺定向的方法來校核已經(jīng)施測的7導(dǎo)線。5.2 陀螺定向過程2011年3月，對花山礦某新入風(fēng)斜井貫通測量的7導(dǎo)線邊1#-15#、h3-h6進(jìn)行陀螺定向校核工作，使用儀器為日本索佳gp1x全站儀式陀螺儀。陀螺定向時(shí)測定儀器常數(shù)的基線為已知四等邊四06川交041，邊長為1137.640m, 校核的7導(dǎo)線邊1#-15#，邊長為354.519m，7導(dǎo)線邊h3-h6，邊長為108.505m。定向時(shí)嚴(yán)格按照煤礦測量規(guī)程作業(yè)，先在已知邊上測定儀器常數(shù)，然后到井下校核兩條7導(dǎo)線邊，再回到已知邊上測定儀器常數(shù)，測量時(shí)各項(xiàng)限差均符合規(guī)程要求。5.3 陀螺定向成果及精度分析 花山礦某新入風(fēng)斜井陀螺定向的儀器常數(shù)測定與精度分析見表5-1，井下校核導(dǎo)線邊陀螺定