陀螺全站仪定向精度分析—以索佳GP—1仪器为例

摘要：陀螺全站仪的定向精度是评价其质量的重要标准之一，从其定向方法入手，实际分析了跟踪逆转点法和时差中天法两种定向方法的原理及两种方法产生的误差，并结合某地的已知两条边实际分析陀螺全站仪的定向精度，确定其是否能达到其标称精度。

关键词：陀螺全站仪；定向精度；测定中误差；定向中误差

PRECISION ANALYSIS OFGYRO THEODOLITE ORIENTATION OF SOKKIA GP-1 INSTRUMENT

RANN Fei1

（1China Railway Guizhou Engineering Company Limited.，Guiyang 550003，Guizhou Province，PR China）

Abstract：The directional accuracy of gyro is one of the important criteria for evaluating its quality，starting from the directional method，analysis of the actual error tracking principle reversal point method and time difference method of the transit method of two directional and two kinds of methods，combined with a known two edges of the actual analysis of orientation precision of gyro，determine whether it can achieve its nominal accuracy.

Key words：Gyro total station；Orientation accuracy；Primary measurement error；Primary orientation error

1引言

GP-1是由上架式陀螺儀和全站仪结合在一起的仪器，它利用陀螺仪本身的物理特性及地球自转的影响，实现自动寻找真北方向，从而测定地面和地下工程中任意测站的大地方位角，在地里南北不大于75°的范围内，它可以不受时间和环境等条件限制，实现快速定位。目前它被广泛应用于矿山、建筑、测绘、铁道、森林、军事等各个部门的定向测量[1，2]。

目前，国内已经有很多人对不同型号的陀螺仪进行了定向精度分析。比如，高聚福学者利用了WILD GAK-1陀螺经纬仪，采取三种定向方法实验且进行了理论分析，并用三种方法进行了仪器的精度评定[3]；秦洪奎学者对GAK-1也进行了精度分析，现场实践表明GAK-1型陀螺仪一次定向的中误差远小于其标称值±20″，结论证明该GAK-1型陀螺仪完全可以满足矿山贯通测量的精度要求，都是通过相应的定向实验确定仪器的精度是否满足标准精度[4]。本研究通过设计实验对索佳GP-1进行精度评价分析，采取逆转点和中天法两种方法分别进行数据采集。在某地选取三个控制点，形成一个简单的三角网，先采取南方GPS进行静态数据采集，通过获取控制点的三维坐标，坐标正算求出需用边的方位角，其一用于求仪器常数，其二用于检验数据限差。通过多次计算一次测定中误差进行仪器精度评定，首先是与其出厂标准精度进行比对，其次是与其它高精度定向仪器进行对比，评定该类仪器定向精度的高低。

2陀螺仪全站仪测量原理及操作

2.1陀螺仪全站仪的结构

2.2陀螺仪性质

凡是绕其质量对称轴高速旋转的物体均称为陀螺。陀螺仪的主要部件是一个均匀的转子，它是质量集中在边缘上，可绕其质量对称轴高速旋转，转速达到2000r/min。它具有两个特性：①陀螺仪自转轴在无外力矩作用时，始终指向其初始恒定方向，该特性称为定轴性；②陀螺仪自转轴受到外力矩作用时，将按一定的规律产生进动，该特性称为进动性[5，6]。这种特性可以用图1 杠杆陀螺仪实验来说明。通过实验还能得出其中三者之间的相对关系，

可以看出进动的角速度与外力矩成正比，也就是说外力矩越大，变化的角速度也越大，杠杆旋转的越快；它与动量矩成反比，动量矩越大，转的越慢[7]。

2.3陀螺仪的定向原理

2.3.1逆转点法

粗定向要求≤ ±2°以内，陀螺摆光标在视线左右摆动的极限位置为仪器视线方向时的逆转点。水平微动跟踪逆转点使得陀螺摆光标和度盘零分划线始终重合在一起。到达左右任意逆转点，按键记录水平度盘读数a1，以及相应的半周期时间t1。跟踪五个逆转点即可计算此时真北方位角值的大小[8]，原理见下图3 逆转点观测原理。

3实验方案设计

3.1陀螺全站仪定向的方案

本文通过设计实验验证索佳GP-1定向精度是否达到标准精度。首先需要高精度已知边，将采用南方GPS静态数据采集，解算的三维坐标应进行检核，具体检核方法为：用其它类型的全站仪进行角度的附和，采用多测回已知边与待测边的夹角，并求取其平均值，若能满足在精度范围内，那么GPS数据解算的已知定向边可以用于本实验的基础边，若是误差超过限差，需从新采集，再次检验。

该设计是定向精度的分析，待测边必须和已知边具有同样的准确度。在陀螺定向过程中，采用“3-2-3”的定向观测程序，每次定向都需要独立观测。而且单独的每一次观测需要对边进行角度的多测回观测，观测满足该全站仪测角规范精度，至少有两个测回，最后角度取多测回的平均值。一次定向程序完成后，即可进行数据精度的计算。定向后取陀螺仪的两种定向方法比较并与其标称精度进行比较。

定向测量的时候，由于陀螺主轴与地理子午线并不在同一方向，两者之间的夹角大小称为仪器常数 （与磁偏角概念不一样），该常数规定为东正西负。假设陀螺仪稳定位置时在子午线的东边，则仪器常数为正值，如果在它的西边，则为负值。实际测量需要2～3个测回，并且每次之间的差值必须在限差要求范围内（40″）。

3.2静态坐标设计采集

实验目的：获取实验两条边的方位角、夹角以及相应的距离。

选点以及踏勘：在某地选取三点，如下图6，ABC分别为三个控制点。

3.3陀螺定向观测

实验目的：用陀螺仪分别测出AC和AB边的陀螺方位角，计算一次定向中误差，以此来分析该仪器是否能进行测绘生产。

实验设备：索佳GP-1陀螺仪，SET1全站仪（脚架），两个棱镜。

实验步骤：在A点架设高精度SET1全站仪，对中整平，精平等准备操作结束后，从仪器箱中取出陀螺仪安装在SET1全站仪上部，用管罗盘大致确定北方向后。启动定向程序，在陀螺精确北方向后。用全站仪全站仪望远镜瞄准B点，读出已知边AB方向的值，则为AB边的陀螺方位角，此时便可计算该仪器的常数，这样陀螺仪的一次测定作业过程已经完成，但是为了实验的准确性，往往这样的操作步骤需要重复2～3次，并且各次之间不能超过限差。同样，将陀螺全站仪再次回到大致北方向，按原来的操作步骤继续寻找北方向，确定以后。用全站仪目标瞄准C点，观测两次，未知边的陀螺方位角即可测定，在实际工程当中，待测边往往在井下或者为隧道等，届时还需要将仪器来回搬动，应严格按照规定操作。采取同样定向方法再到已知边AB边测仪器常数2～3次。由于本实验的数据采集时间比较长，一次测定作业过程就需要花大概2400S到3600S。且仪器与棱镜之间都比较远，选择时间合适，温度适中。人员的安排要合理，每次实验需要3～4人。由于电源只能支持7200S工作，为保证合理利用，关机时间在陀螺不转的情况下可进行角度测量。

数据采集时，每一个数据都要与前面的数据进行比对，任何超限的数据都将被舍弃，并重新开始这一步一次测定作业过程。并在完成一次测定过程后检查整组数据，合理之后将可进行下一步的内业计算。

4实验结果分析

4.1静态观测数据统计

表3为南方GPS静态数据采集之后，采用南方GNSS处理软件处理后的结果成表。

4.3数据处理以及计算

陀螺全站仪GP-1实测定向精度评定：我将用实验得出 和 来表示该实验仪器的精度。

①陀螺方位角一次测定中误差

根据规程规范可按白塞尔公式求测定中误差以及定向中误差。

5结论

通过两种定向方法的实验数据采集与精度计算，该陀螺全站仪（20″）的设计精度合理可行，远远小于其标称精度，可以用于实际生产。

通过实验设计，不管是已知边还是待测边，一次测定中误差以及最终计算的一次定向中误差都在限差范围以内，完全符合精度要求。实验数据显示，跟踪逆转点法的定向精度要比时差中天法的精度要差，通过查询资料却与之相反，都是同一台仪器，第一跟操作者的技术水平有很大的关系，其次实验数据次数太少。

由于目前各项测绘的精度的提高，建议实验观测者选取合适的观测环境以及合理的工作区域。并在专业测量技术人员下学习以及熟练操作之后再独立进行定向实验。

目前，陀螺全站仪属于高精度定向测绘的仪器，为了实验数据具有较高的说服力，必须保证仪器自身有高精度的理论值，故仪器在使用中应定期进行仪器校正。

参考文献

[1]刘小平. 陀螺定向测量在矿井生产中的应用及精度分析[J]. 矿山测量，2015，1：22-70.

[2]陈俊杰，刘计寒，王庆林等. 陀螺经纬仪定向精度分析[J]. 测绘与空间地理2008，31（5）：194-196.

[3]高聚福. 陀螺经纬仪定向精度分析[J]. 测绘工程，1995，4（3）：18-19。

[4]秦洪奎. 陀螺经纬仪定向精度分析研究[D]. 长沙.中南大学，2009.

[5]煤炭科学研究所唐山分院陀螺经纬仪组.陀螺经纬仪基本原理、结构与定向[M]. 北京：煤炭工业出版社，1982.

[6]苟建会. 全站式陀螺仪GP1型定向精度理论分析[J]. 新疆有色金属，2016，（06）：26-28.

[7]张国良，朱家钰，顾和和. 矿山测量学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2008，75-103.

[8]许江宁，卞鸿巍，刘强等. 陀螺原理及应用[M]. 国防科技出版社，2009，27-28.

[9]张学庄.提高陀螺经纬仪定向精度的方法[J]. 测绘工程，2006，15（1）：1-5.

[10]靳奉祥. 陀螺定向数据处理模型研究. [J]. 矿山测量，1992（4）：14-15.

[11]刘绍堂，蒋瑞波，苏轩. 陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用[J]. 测绘科学，2011，（02）：94-96.

[12]武汉大学测绘学院测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M]. 武汉：武汉大学出版社2009，25-57.

[13]姜丙功. 全站式陀螺仪的定向数据处理及精度评定[D]. 辽宁.辽宁工程科技大学，2011.

[14]张则宇，沈志明，罗巍. 高精度陀螺经纬仪在阵地定向测量中的应用[J]. 中国惯性技术学报，2008（5）：548-552.

作者简介：代志广（1979 -），男，本科，主要从事建筑施工管理工作。

（作者单位：中国建筑第四工程局有限公司贵州投資有限公司）