陀螺经纬仪计算软件设计与实现

蒙恬

摘要：近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。陀螺经纬仪通常应用于长、大地下工程测量，对隧道内导线测量积累误差进行纠正，以保证隧道贯通精度。但是，陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。

关键词：陀螺经纬仪 数据处理 程序

中图分类号：TH761.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0160-02

1 引言

近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。传统的地面工程测量技术，如导线测量，以及近年来发展的新技术如GPS-RTK等等技术，在地下工程测量中不能很好的发挥作用。通常情况下，巷道、隧道等地下工程空间狭小，洞内观测环境差，受温度、气压、折光等因素影响较大，导致洞内导线测量精度比地面测量精度要低。随着导线不断向前延伸，导线测量误差不断积累，最终可能造成贯通误差超标，造成经济损失，严重情况下造成工程事故。例如在大型的隧道工程中，往往在地下部分采用导线方式进行控制测量，随着隧道的掘进，导线的累积误差不断加大，最终会影响工程的顺利贯通。因此，在地下工程建设中，常常采用加测陀螺方位角的方法，对地下导线进行改成，从而保证隧道的顺利贯通。又如，在采矿行业中，需要准确的知道开采的方向，如果不能朝向正确的方向进行掘进，会影响工作效率，严重情况下甚至会引起安全事故。这种情况下也可以采用加测陀螺方位角的方法对地下导线进行改正，从而获得可靠成果。可见，陀螺经纬仪在地下工程测量中已经成为一种不可或缺的重要工具。陀螺经纬仪的研究和发展对地下工程测量的发展至关重要。陀螺经纬仪测量计算过程主要包括如下几个部分：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算等几个过程。

2 陀螺经纬仪测量过程

陀螺经纬仪测量包括以下过程：（1）在地面已知坐标方位角的测线端点上架设陀螺经纬仪，进行2至3个测回的测量，同时配合全站仪测得角度得到已知测线的陀螺方位角。通过与实际计算得到的测线真北方位角比较，可以求得仪器常数。（2）在地下导线边上进行陀螺经纬仪测量。在洞内导线边端点上架设陀螺经纬仪，进行2个测回的陀螺经纬仪测量，同时配合全站仪测得角度得到未知测线的陀螺方位角。如果洞内有多条导线边，按照同样方法测量其陀螺方位角。（3）地下测量工作完成后，按步骤（1）重新回到地面原测线测定，得到另一个仪器常数，如果前后两个仪器常数变化较小，则取平均值作为本次陀螺经纬仪测量的最终仪器常数值。（4）通过计算获得最终地下坐标方位角测量结果。

由此可见，陀螺经纬仪计算过程主要包括：地面已知边坐标方位角的计算，测站点子午线收敛角计算，仪器常数计算。

3 陀螺经纬仪测量算法设计

（1）坐标方位角计算（坐标反算）算法。

如图1所示，已知A、B两点坐标，求A、B两点间的距离及坐标方位角。公式如下：

上式中，arcran函数取值-90°到90°，坐标方位角为0°到360°，坐标方位角可根据和正负号所在象限，将arctan值换算为坐标方位角。

（2）测站点子午线收敛角计算算法。通常，将大地方位角改化为平面坐标方位角，需要计算子午线收敛角。某点的子午线收敛角就是通过该点的子午线投影切线方向与该点纵坐标之间的夹角。

平面子午线收敛角可以由大地坐标（B，L）计算，公式如下：

其中，，（为第二偏心率），B为纬度，l为经差。

也可以通过查表法求得测站点子午线收敛角。

（3）仪器常数计算算法。仪器常数的计算主要通过地面边陀螺方位角与地面边真方位角的对比得出，主要用于对井下陀螺经纬仪定向结果进行改正，求得井下准确坐标方位角。式中，为地面边陀螺经纬仪测量结果，为需要解算的仪器常数，为地面边坐标方位角，为地面边测站点处子午线收敛角，为地面边的真北方位角。计算求得仪器常数后，便可根据仪器常数对地下陀螺经纬仪测量结果进行改正，求得地下边的坐标方位角。公式如下：

通过以上几部计算，便可得到最终所求地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

4 计算软件实现

Microsoft公司开发的Visual Basic是一种由面向对象的、？结构化的、模块化的可视化程序设计语言。其最初源自于BASIC语言。VB拥有图形用户界面和快速应用程序开发系统。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。基于以上原因，陀螺经纬仪计算软件的程序化采用VB语言实现。此程序，主要由以下几个模块组成：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算、最终成果计算。程序设计采用最简单方式，一次输入结果后，整体计算获得最终结果。

程序界面如图2所示。

程序主要由以下几部分组成：（1）地面坐标方位角输入。输入地面已知点坐标，程序自动计算距离、坐标方位角、测站点子午线收敛角数值。（2）地下测量点子午线收敛角计算。输入地下测站点坐标，程序自动计算地下测站点子午线收敛角数值。（3）陀螺经纬仪测量数据输入。输入地面及地下陀螺边陀螺测量方位角值。（4）计算成果。输入已知数据后，点击计算按钮，程序自动计算仪器常数及地下边坐标方位角。

至此，完成整个测量计算过程，可以求得地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

5 结语

陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合成一体的、全天候，并且不依赖其它条件能够测定真北方位的物理定向仪器、广泛应用于测绘工作中，特别是矿山、 隧道、海洋、森林和军事等隐蔽地区的定向测量和快速测量，解决了传统定向测量方法精度低、工作量大及定向时间长等缺点。陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。通过实际验证，软件能满足工程需求。

参考文献

[1]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]石震.GAT陀螺全站仪精度评定方法研究[D].西安：长安大学，2008.

[3]赵吉先，吕开云，聂运菊.地下工程测量发展回顾与展望[J].测绘通报，2006（10）：51-52.endprint

摘要：近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。陀螺经纬仪通常应用于长、大地下工程测量，对隧道内导线测量积累误差进行纠正，以保证隧道贯通精度。但是，陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。

关键词：陀螺经纬仪 数据处理 程序

中图分类号：TH761.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0160-02

1 引言

近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。传统的地面工程测量技术，如导线测量，以及近年来发展的新技术如GPS-RTK等等技术，在地下工程测量中不能很好的发挥作用。通常情况下，巷道、隧道等地下工程空间狭小，洞内观测环境差，受温度、气压、折光等因素影响较大，导致洞内导线测量精度比地面测量精度要低。随着导线不断向前延伸，导线测量误差不断积累，最终可能造成贯通误差超标，造成经济损失，严重情况下造成工程事故。例如在大型的隧道工程中，往往在地下部分采用导线方式进行控制测量，随着隧道的掘进，导线的累积误差不断加大，最终会影响工程的顺利贯通。因此，在地下工程建设中，常常采用加测陀螺方位角的方法，对地下导线进行改成，从而保证隧道的顺利贯通。又如，在采矿行业中，需要准确的知道开采的方向，如果不能朝向正确的方向进行掘进，会影响工作效率，严重情况下甚至会引起安全事故。这种情况下也可以采用加测陀螺方位角的方法对地下导线进行改正，从而获得可靠成果。可见，陀螺经纬仪在地下工程测量中已经成为一种不可或缺的重要工具。陀螺经纬仪的研究和发展对地下工程测量的发展至关重要。陀螺经纬仪测量计算过程主要包括如下几个部分：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算等几个过程。

2 陀螺经纬仪测量过程

陀螺经纬仪测量包括以下过程：（1）在地面已知坐标方位角的测线端点上架设陀螺经纬仪，进行2至3个测回的测量，同时配合全站仪测得角度得到已知测线的陀螺方位角。通过与实际计算得到的测线真北方位角比较，可以求得仪器常数。（2）在地下导线边上进行陀螺经纬仪测量。在洞内导线边端点上架设陀螺经纬仪，进行2个测回的陀螺经纬仪测量，同时配合全站仪测得角度得到未知测线的陀螺方位角。如果洞内有多条导线边，按照同样方法测量其陀螺方位角。（3）地下测量工作完成后，按步骤（1）重新回到地面原测线测定，得到另一个仪器常数，如果前后两个仪器常数变化较小，则取平均值作为本次陀螺经纬仪测量的最终仪器常数值。（4）通过计算获得最终地下坐标方位角测量结果。

由此可见，陀螺经纬仪计算过程主要包括：地面已知边坐标方位角的计算，测站点子午线收敛角计算，仪器常数计算。

3 陀螺经纬仪测量算法设计

（1）坐标方位角计算（坐标反算）算法。

如图1所示，已知A、B两点坐标，求A、B两点间的距离及坐标方位角。公式如下：

上式中，arcran函数取值-90°到90°，坐标方位角为0°到360°，坐标方位角可根据和正负号所在象限，将arctan值换算为坐标方位角。

（2）测站点子午线收敛角计算算法。通常，将大地方位角改化为平面坐标方位角，需要计算子午线收敛角。某点的子午线收敛角就是通过该点的子午线投影切线方向与该点纵坐标之间的夹角。

平面子午线收敛角可以由大地坐标（B，L）计算，公式如下：

其中，，（为第二偏心率），B为纬度，l为经差。

也可以通过查表法求得测站点子午线收敛角。

（3）仪器常数计算算法。仪器常数的计算主要通过地面边陀螺方位角与地面边真方位角的对比得出，主要用于对井下陀螺经纬仪定向结果进行改正，求得井下准确坐标方位角。式中，为地面边陀螺经纬仪测量结果，为需要解算的仪器常数，为地面边坐标方位角，为地面边测站点处子午线收敛角，为地面边的真北方位角。计算求得仪器常数后，便可根据仪器常数对地下陀螺经纬仪测量结果进行改正，求得地下边的坐标方位角。公式如下：

通过以上几部计算，便可得到最终所求地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

4 计算软件实现

Microsoft公司开发的Visual Basic是一种由面向对象的、？结构化的、模块化的可视化程序设计语言。其最初源自于BASIC语言。VB拥有图形用户界面和快速应用程序开发系统。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。基于以上原因，陀螺经纬仪计算软件的程序化采用VB语言实现。此程序，主要由以下几个模块组成：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算、最终成果计算。程序设计采用最简单方式，一次输入结果后，整体计算获得最终结果。

程序界面如图2所示。

程序主要由以下几部分组成：（1）地面坐标方位角输入。输入地面已知点坐标，程序自动计算距离、坐标方位角、测站点子午线收敛角数值。（2）地下测量点子午线收敛角计算。输入地下测站点坐标，程序自动计算地下测站点子午线收敛角数值。（3）陀螺经纬仪测量数据输入。输入地面及地下陀螺边陀螺测量方位角值。（4）计算成果。输入已知数据后，点击计算按钮，程序自动计算仪器常数及地下边坐标方位角。

至此，完成整个测量计算过程，可以求得地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

5 结语

陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合成一体的、全天候，并且不依赖其它条件能够测定真北方位的物理定向仪器、广泛应用于测绘工作中，特别是矿山、 隧道、海洋、森林和军事等隐蔽地区的定向测量和快速测量，解决了传统定向测量方法精度低、工作量大及定向时间长等缺点。陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。通过实际验证，软件能满足工程需求。

参考文献

[1]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]石震.GAT陀螺全站仪精度评定方法研究[D].西安：长安大学，2008.

[3]赵吉先，吕开云，聂运菊.地下工程测量发展回顾与展望[J].测绘通报，2006（10）：51-52.endprint

摘要：近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。陀螺经纬仪通常应用于长、大地下工程测量，对隧道内导线测量积累误差进行纠正，以保证隧道贯通精度。但是，陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。

关键词：陀螺经纬仪 数据处理 程序

中图分类号：TH761.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0160-02

1 引言

近年来，随着地下工程技术的不断发展，地下工程数量及规模上均有较大提高。传统的地面工程测量技术，如导线测量，以及近年来发展的新技术如GPS-RTK等等技术，在地下工程测量中不能很好的发挥作用。通常情况下，巷道、隧道等地下工程空间狭小，洞内观测环境差，受温度、气压、折光等因素影响较大，导致洞内导线测量精度比地面测量精度要低。随着导线不断向前延伸，导线测量误差不断积累，最终可能造成贯通误差超标，造成经济损失，严重情况下造成工程事故。例如在大型的隧道工程中，往往在地下部分采用导线方式进行控制测量，随着隧道的掘进，导线的累积误差不断加大，最终会影响工程的顺利贯通。因此，在地下工程建设中，常常采用加测陀螺方位角的方法，对地下导线进行改成，从而保证隧道的顺利贯通。又如，在采矿行业中，需要准确的知道开采的方向，如果不能朝向正确的方向进行掘进，会影响工作效率，严重情况下甚至会引起安全事故。这种情况下也可以采用加测陀螺方位角的方法对地下导线进行改正，从而获得可靠成果。可见，陀螺经纬仪在地下工程测量中已经成为一种不可或缺的重要工具。陀螺经纬仪的研究和发展对地下工程测量的发展至关重要。陀螺经纬仪测量计算过程主要包括如下几个部分：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算等几个过程。

2 陀螺经纬仪测量过程

陀螺经纬仪测量包括以下过程：（1）在地面已知坐标方位角的测线端点上架设陀螺经纬仪，进行2至3个测回的测量，同时配合全站仪测得角度得到已知测线的陀螺方位角。通过与实际计算得到的测线真北方位角比较，可以求得仪器常数。（2）在地下导线边上进行陀螺经纬仪测量。在洞内导线边端点上架设陀螺经纬仪，进行2个测回的陀螺经纬仪测量，同时配合全站仪测得角度得到未知测线的陀螺方位角。如果洞内有多条导线边，按照同样方法测量其陀螺方位角。（3）地下测量工作完成后，按步骤（1）重新回到地面原测线测定，得到另一个仪器常数，如果前后两个仪器常数变化较小，则取平均值作为本次陀螺经纬仪测量的最终仪器常数值。（4）通过计算获得最终地下坐标方位角测量结果。

由此可见，陀螺经纬仪计算过程主要包括：地面已知边坐标方位角的计算，测站点子午线收敛角计算，仪器常数计算。

3 陀螺经纬仪测量算法设计

（1）坐标方位角计算（坐标反算）算法。

如图1所示，已知A、B两点坐标，求A、B两点间的距离及坐标方位角。公式如下：

上式中，arcran函数取值-90°到90°，坐标方位角为0°到360°，坐标方位角可根据和正负号所在象限，将arctan值换算为坐标方位角。

（2）测站点子午线收敛角计算算法。通常，将大地方位角改化为平面坐标方位角，需要计算子午线收敛角。某点的子午线收敛角就是通过该点的子午线投影切线方向与该点纵坐标之间的夹角。

平面子午线收敛角可以由大地坐标（B，L）计算，公式如下：

其中，，（为第二偏心率），B为纬度，l为经差。

也可以通过查表法求得测站点子午线收敛角。

（3）仪器常数计算算法。仪器常数的计算主要通过地面边陀螺方位角与地面边真方位角的对比得出，主要用于对井下陀螺经纬仪定向结果进行改正，求得井下准确坐标方位角。式中，为地面边陀螺经纬仪测量结果，为需要解算的仪器常数，为地面边坐标方位角，为地面边测站点处子午线收敛角，为地面边的真北方位角。计算求得仪器常数后，便可根据仪器常数对地下陀螺经纬仪测量结果进行改正，求得地下边的坐标方位角。公式如下：

通过以上几部计算，便可得到最终所求地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

4 计算软件实现

Microsoft公司开发的Visual Basic是一种由面向对象的、？结构化的、模块化的可视化程序设计语言。其最初源自于BASIC语言。VB拥有图形用户界面和快速应用程序开发系统。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。基于以上原因，陀螺经纬仪计算软件的程序化采用VB语言实现。此程序，主要由以下几个模块组成：坐标方位角计算、子午线收敛角计算、仪器常数计算、最终成果计算。程序设计采用最简单方式，一次输入结果后，整体计算获得最终结果。

程序界面如图2所示。

程序主要由以下几部分组成：（1）地面坐标方位角输入。输入地面已知点坐标，程序自动计算距离、坐标方位角、测站点子午线收敛角数值。（2）地下测量点子午线收敛角计算。输入地下测站点坐标，程序自动计算地下测站点子午线收敛角数值。（3）陀螺经纬仪测量数据输入。输入地面及地下陀螺边陀螺测量方位角值。（4）计算成果。输入已知数据后，点击计算按钮，程序自动计算仪器常数及地下边坐标方位角。

至此，完成整个测量计算过程，可以求得地下边坐标方位角。通过测量所得到的陀螺经纬仪成果对洞内导线进行改正，可以有效改善误差积累问题，保证地下贯通工程顺利完成。

5 结语

陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合成一体的、全天候，并且不依赖其它条件能够测定真北方位的物理定向仪器、广泛应用于测绘工作中，特别是矿山、 隧道、海洋、森林和军事等隐蔽地区的定向测量和快速测量，解决了传统定向测量方法精度低、工作量大及定向时间长等缺点。陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理。本文设计了陀螺经纬仪计算软件，实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，为陀螺经纬仪的广泛应用提供了基础。通过实际验证，软件能满足工程需求。

参考文献

[1]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]石震.GAT陀螺全站仪精度评定方法研究[D].西安：长安大学，2008.

[3]赵吉先，吕开云，聂运菊.地下工程测量发展回顾与展望[J].测绘通报，2006（10）：51-52.endprint