陀螺寻北仪快速定向划线装置的设计

李垚奇，古云鹤，马世虎，王党席，董平江

(陕西省地震局，西安 710068)

陀螺寻北仪快速定向划线装置的设计

李垚奇，古云鹤，马世虎，王党席，董平江

(陕西省地震局，西安 710068)

随着科学技术发展，高精度电子罗盘、陀螺寻北仪等定向设备的小型化、实用化、便携化，也使之在地震台站仪器定向画线上的使用成为可能，在一些实际应用中也取得了较好效果。但由于陀螺寻北仪定向画线方法仍然比较原始，就导致了在实际应用中出现定向效率不高等问题。通过设计辅助装置，优化陀螺寻北仪的定向画线方法，可以大大提高陀螺寻北仪的定向画线效率。

陀螺寻北仪；定向；辅助装置

0 引言

测震仪器的精确定向，对于地震观测资料的分析应用具有重要意义。目前很多测震台站仪器架设中均采用罗盘定向，由于罗盘确定的方向为磁子午线的方向，与地理子午线的方向有一定夹角，即磁偏角，且磁偏角在不同时间、不同地点是不同的。在实际仪器架设中，未考虑磁偏角的影响或虽然考虑到磁偏角影响，但磁偏角数据使用不当，会造成仪器定向结果与规范[1-2]技术要求相差较大。近几年，随着科学技术发展，高精度电子罗盘、陀螺寻北仪等定向设备的小型化、实用化、便携化，也使之在地震台站仪器定向划线上的使用成为可能，在一些实际应用中也取得了较好效果[3-4]。

1 常用陀螺寻北仪定向方法

寻北仪是专用于快速确定地理北方向的仪器，由高精度双轴动力调谐陀螺通过测量地球自转角速度分量值和加速度计测量得到的载体倾斜度，解算并确定载体的方位角，即载体的参考轴与真北方向的夹角，且不受外界磁场及其他环境的干扰和影响。

使用寻北仪定向时，倾角要调整到符合仪器测量精度要求的范围，再看NS向方位线，当定向精度满足测震仪器架设规范要求时，在仪器墩标出NS向方位线。因为寻北仪属于精密仪器，通电测量、仪器移动等需要严格按照操作说明进行[5]。

以NV-NF301型寻北仪为例，现阶段寻北仪，寻北时间是3 min，上电前后均需3 min左右等待，终止寻北断电后需静置3 min才能移动，移动后要静置3 min以上才能进行下一次寻北。

目前常用的寻北过程，都要先使用罗盘初步定出大致方位之后采用以下3种方法：

(1)逐次逼近法：进行一次寻北后，根据所得方位进行相应方向调整。操作过程中无法保证调整时转动的角度，需要进行多次测量逐次逼近，最终确定北方位线。此种方法费时费力。

(2)通过简单计算，得出陀螺寻北仪转动角度，假设寻北仪测量基线长度为l，测量基线与子午线夹角为θ，则以寻北仪测量基线一点为原点计算基线另一点转动位移近似值d(图1)，由于θ值一般很小，直角三角形长直角边也近似等于l，故得到三角函数公式:

由于d，l已知，可以推导出

图1 寻北仪简单计算公式参数示意图

然后转动寻北仪至子午线方向，由于简易计算公式存在固有误差，因此需要多次矫正才能得到真实的地理北。

(3)使用简易量角器，在第一次寻北后根据需要转动角度，在原始方位基础上使用数显量角器指示需要转动到的方位线并标示方位线，而后对所划方位线进行校正，如不正确再次重复之前步骤。这种方法虽然使用量角器，但量角器不固定，所以无法保证方位线旋转过程中的旋转精度，有时也会造成测量费时且效率不高的结果。

通过对以上3种已经在使用的陀螺寻北仪定向划线方法的比较可以发现，寻找地理真北后划线会耗费较多的时间，原因在于寻北后需矫正次数较多，无法做到测量一两次就可以准确划出真北方位线。

2 设计思路

为解决陀螺寻北仪寻北时间长、划线效率不高的问题，就需要设计出一种能够快速定向划线的陀螺寻北仪快速定向辅助装置[6]。

陀螺寻北仪辅助装置由盘型测角仪演变发展而来，装置类似于小核旋探头底座，分为定盘和转盘，在定盘与转盘上分别标示有刻度及读数，分别表示转动度数与游标。辅助装置读数方法与游标卡尺相同，通过对游标分度的不同设计可以达到0.1°、0.02°、0.01°等读数精度，鉴于陀螺寻北仪精度为0.3°，显示精度为0.01°，本装置读数精度达到0.1°即可符合测震地震计安装过程中对定向精度的要求，故提出如下设计方案：

装置主体由外盘与内盘构成，内盘为定盘，外盘为转盘，使用过程中陀螺寻北仪放置在内盘上。内盘上安装三枚互成120°角的地脚螺丝，外盘上安装水泡及激光划线器。如图2所示。

装置在使用过程中，陀螺寻北仪静置不动，一次放置可连续进行多次测量，测量得出方位结果后，旋转转盘进行方位线的确定并使用激光划线，整个测量过程中不需要移动陀螺寻北仪，只需要转动外盘即可准确划出方位线。如此，可在保证划线精度的前提下大大提高陀螺寻北仪在仪器安装过程中的使用效率。

辅助装置内外盘设计刻线示意图如图3所示，通过合理设计可使读数精度达到0.1°。

1.寻北仪安置盘(内盘)；2.游标定向划线盘(外盘、转盘)；3.水泡安装模块(2个)；4.激光划线模块(2个)；5.地脚调平螺丝(3个)

图3 陀螺寻北仪读数刻度示意图

3 陀螺寻北仪寻北划线效率的理论分析

由陀螺寻北仪寻北时间及准备工作时间来分析，首先可知陀螺寻北仪寻北时间为3 min，加电前需静置3 min，加电后仍需等待3 min后才可进行3 min的寻北测量，测量完成断电后需静置3min方可移动。由此可推算陀螺寻北仪由准备测量到测量完成一次测量循环至少需要12 min。对使用寻北仪的2种原始方法与使用辅助装置寻北的时间进行对比分析(表1)：

表1 各种定向划线方法耗时

由表上时间可见，使用辅助装置进行陀螺寻北仪定向划线，时间可以节省50%左右，在日常使用中能够快速提高定向划线效率，并保证方位线划线精度。

4 结语

寻北仪作为一种专门用于快速确定地理北方向的仪器，它由高精度双轴动力调谐陀螺通过测量地球自转角速度分量值和加速度计测得的载体倾斜度，通过解算确定载体的方位角，即载体的参考轴与真北方向的夹角，且不受外界磁场及其他环境的干扰和影响，配合陀螺寻北仪快速定向辅助装置的使用，以后将在测震台站的定向中发挥重要作用。

同时由于刻度采用360°环形设计，所以可以由寻北仪定向后使用激光画出所需任意方位角的方位线，将使陀螺寻北仪的应用范围更加广泛。

[1]中国地震局. 地震及前兆数字观测技术规范[M]. 北京：地震出版社，2001.

[2]国家地震局监测预报司.地震电磁观测技术[M].北京：地震出版社，1995.

[3]李少睿，董平江，罗志国.测震仪器定向方法探讨[J].地震地磁观测与研究，2012，33(5/6):250-254.

[4]刘新，毛国良，李小军，等. 河北遥测台网FBS-3B地震计工作周期和阻尼变化的特点及原因分析[J].华北地震科学，2012，30(4):57-60.

[5]北京耐威时代科技有限公司.寻北仪产品说明书[M].北京：北京耐威时代科技有限公司，2010.

[6]徐峰，吴易明，王卫峰，等. 基于光电传感的位标器方位角测量方法[J].红外与激光工程，2012，41(5):1357-1362.

Design of Auxiliary Device for Gyro North Finder

LI Yao-qi, GU Yun-he，MA Shi-hu, WANG Dang-xi, DONG Ping-jiang

(Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi'an 710068, China)

With the development of since and technology, the directional device, like high precision electronic compass and gyro north finder, is miniaturized, practical and portable. The using of North finder used in setting up the seismic instrument became possible, and obtains good results. But now, the method of directional line drawing of north finder is still relatively primitive, so the efficiency of directional line drawing is not high. The efficiency of orientation line drawing will be improved greatly by using the auxiliary device of north finder design and optimized directional line drawing method.

gyro north finder; direction determination; auxiliary device

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.010

2014-03-13

中国地震局监测、预报、科研三结合项目“陀螺寻北仪快速定向辅助装置”(项目编号：201355)

李垚奇(1988—)，男，助理工程师，主要从事地震监测工作.E-mail:285157129@qq.com

P315.61

A

1003-1375(2014)04-0050-03