陀螺仪(陀螺经纬仪、陀螺全站仪、陀螺寻北仪)生产厂家技术比对
光纤陀螺寻北仪技术说明书
1 Kx e cos sin K
台体旋转 90°后则光纤陀螺敏感地球旋转分量为：
2 Kx e cos cos K
式中的 Kx 为陀螺的刻度因数，将以上两式左右相除，则有陀螺轴的偏角为：
K tg 1 Ix / Iy
上式是在假设陀螺本身不存在漂移，刻度因数不变的情况下成立的，但它实际上存在各种漂移量和 系数变化。为了消除常值漂移对寻北的影响，最简单的方法是将转台旋转四个位置（每个位置相关 90°）之 后，对陀螺再次采样。对于水平状态，初始位置测量值为：
2. 技术参数
a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) 供电电源：DC24V±20%； 功率：≤30W； 工作方式：静态； 工作纬度：± 60°； 水平测量范围：± 15°（寻北时允许倾角±3°）； 水平测量输出漂移：≤5′（0.5hr）； 方位测量精度：≤ 0.06°（ 1σ）； 重复精度：≤ 0.05°（1σ）； 圆周线性度：≤ 0.1°（ 1σ）； 方位测量范围： 0°～ 360°； 方位角分辨率： 0.01°； 寻北时间：≤ 3min；
（8）
由于欲求方位角 K 是在 X 1Y1 Z 1 坐标系中定义的，因此有：
K arctg
x1 y1
（9 ）
K 是定义为顺时针为正， 且在 0°至 360°之间， 因而尚须根据 x1 和 y1 的极性来判定 K 所处的象限， 最后求出真北方位角 K。
arcCOS
2 x1
0 0 1
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.
cos C2 0 sin
陀螺全站仪使用说明书
陀螺全站仪使用说明书目次1概述1.1功能和用途1.2主要性能参数2仪器组成3工作原理4使用方法4.1三脚架架设4.2陀螺全站仪主机架设4.3维度输入4.4测量程序4.5数据处理4.6仪器撤收5仪器常数标定5.1仪器常数标定方法5.2仪器常数修正方法6电源使用说明7典型故障及故障排除方法8使用注意事项9维护保养10仪器故障及解决方法1概述1.1功能和用途陀螺全站仪是全自动陀螺仪，其主要功能是提供北向方位基准，可为火炮、雷达提供初始方位基准，并可应用于大地测量、工程测量和矿山贯通测量等领域。
1.2主要性能参数仪器主要技术指标见表1。
表1 陀螺全站仪主要技术指标表≤15 (1)055-20 C +50C-40 C +50C2仪器组成产品配套情况见表2。
表2 陀螺全站仪产品配套表3工作原理陀螺全站仪的工作原理是用吊丝悬挂重心下移的陀螺灵敏部敏感地球自转角速度的水平分量，在重力作用下，产生一个北向进动的力矩，使陀螺敏感部主轴（即H向量）围绕子午面往复摆动，通过光电传感器将陀螺灵敏部往复摆动的光信号，转换为电信号，传送给控制系统，控制系统自动跟踪陀螺灵敏部的方位摆动，并对灵敏部进行加矩控制，解算出被测目标的北向方位角。
4使用方法陀螺全站仪主机的使用包括全站仪的使用，全站仪的详细使用方法参见相关全站仪的使用说明书。
4.1三脚架架设在测站架设三脚架，架设时应使三脚架的三个脚尖大致与测点标志中心基本等距，并注意脚架的张角和高度，伸缩脚架腿使圆水准器概略居中。
4.2陀螺全站仪主机架设陀螺全站仪主机架设按以下步骤进行操作。
a.取出陀螺全站仪主机。
三脚架架设完毕后，从包装箱中取出主机（切勿大角度倾斜或倒置），然后将其平稳置于三脚架上。
b.陀螺全站仪主机粗对北。
取出包装箱内的磁罗盘，按照其使用说明书规定的方法，确定当地大致北向；将陀螺寻北仪主机粗对北标记置于大致北向（北向可以借助磁罗盘确定，其使用方法见磁罗盘使用说明书）；然后顺时针方向旋转锁紧三脚架上的三个对心手轮。
陀螺仪介绍三种型号
陀螺仪介绍三种型号产品一：全自动积分式陀螺经纬仪(全站仪)该产品采用积分法测量原理，在测量中除架设和瞄准外，整个过程无需任何人工操作，测量结束后，直接显示真北方位角。
实现了测量全过程的自动限幅、自动锁放、自主寻北。
该种型号的陀螺经纬仪（全站仪）在寻北精度及操作性方面在国内处于领先地位，可应用于高精度基准方位边的建立及火炮、雷达、大地测量、工程测量和矿山贯通测量等领域。
技术指标寻北精度：≤ 5″（1σ）寻北时间：≤12 min工作模式：寻北全自动工作温度：－20 ℃～＋50 ℃使用纬度：75°S～75°N主机重量（不含经纬仪）：≤15kg主机体积（不含经纬仪）：φ230mm（最大直径）×430mm （高）产品特性积分法测量原理，可实现高精度寻北采用直流永磁陀螺电机，降低陀螺敏感部温升，设备稳定性好在较大偏北角(± 10°)条件下，自动完成粗寻北及精寻北过程，操作简单陀螺敏感部上锁、解锁全自动，仪器自动化程度高陀螺敏感部采用下挂式摆式陀螺，便于操作多层磁屏机构，屏蔽外部磁场，设备抗干扰能力强产品二：全自动阻尼式陀螺经纬仪(全站仪)该产品采用阻尼跟踪法测量原理，自动跟踪、自动锁放，整个测量过程中吊带不受扭，能够在较大偏北角条件下自动完成粗寻北及精寻北过程。
测量结束后，在陀螺经仪（全站仪）上直读真北方位角。
该种型号的陀螺经纬仪（全站仪）寻北速度快、体积小、环境适应性强。
可为火炮、雷达提供初始方位基准，并可应用于大地测量、工程测量和矿山贯通测量等领域。
技术指标寻北精度：≤ 15″（1σ）（初始架设角≤± 15°)寻北精度：≤ 10″（1σ）（初始架设角≤± 7°)寻北时间: ≤ 5min工作模式: 寻北全自动工作温度: －40 ℃～＋50 ℃使用纬度: 75°S～75°N主机重量（不含经纬仪）: ≤ 13 kg主机体积（不含经纬仪）: φ200mm（最大直径）×450mm（高）产品特性阻尼跟踪法测量原理，吊带不受扭，仪器可靠性强采用直流永磁陀螺电机，降低陀螺敏感部温升，设备稳定性好在较大偏北角(± 10°)条件下,自动完成粗寻北及精寻北过程，操作简单阻尼机构设计使陀螺自转轴快速收敛于子午面，定向速度快陀螺敏感部上锁、解锁全自动，自动化程度高多层磁屏机构，屏蔽外部磁场，设备抗干扰能力强陀螺敏感部采用下挂式摆式陀螺，便于操作仪器设计紧凑，便于携带产品三：积分式陀螺经纬仪（全站仪）该产品采用积分法测量原理，在测量过程中只需将陀螺摆幅限制到一定的范围内，便可实现陀螺寻北的自动积分测量。
真北定向测量方法及其对比分析
２０１８年１０月第５期城㊀市㊀勘㊀测ＵｒｂａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆ＳｕｒｖｅｙｉｎｇＯｃｔ.２０１８Ｎｏ.５文章编号:１６７２－８２６２(２０１８)０５－１３５－０３中图分类号:Ｐ２５８文献标识码:Ｂ真北定向测量方法及其对比分析门茂林∗ꎬ王智ꎬ薛慧艳ꎬ李勇ꎬ张洪德∗㊀收稿日期:２０１８ ０１ ０９作者简介:门茂林(１９８６ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ主要从事３Ｓ技术集成研究ꎮ(青岛市勘察测绘研究院ꎬ山东青岛㊀２６６０３２)摘㊀要:测定真北方向主要有两种方法ꎬ一种是采用陀螺仪进行定向测量ꎬ并通过预先测定的陀螺仪常数进行改正ꎻ另外一种方法是采用全站仪ꎬ通过坐标北加上子午线收敛角来定出真北方向ꎮ文中对比了这两种方法的测量㊁计算以及实地操作过程ꎬ分析了影响定向精度的误差源ꎮ通过对现有仪器的测量精度和计算过程进行分析ꎬ论证了在基于当前陀螺全站仪的测量精度条件下ꎬ通过坐标北加上子午线收敛角进行真北定向比陀螺仪进行真北定向具有更高的精度ꎮ关键词:真北ꎻ子午线收敛角ꎻ陀螺仪ꎻ坐标北ꎻ定向测量１㊀引㊀言测绘过程中遇到的北方向主要有三种ꎬ即坐标北㊁磁北以及真北ꎬ坐标北是地图上纵向方格线指示的上方ꎬ即为测绘行业中Ｘ轴方向ꎬ可通过两个点的高斯平面坐标进行反算得到坐标北方向ꎬ坐标北与真北的夹角为子午线收敛角ꎬ越靠近中央子午线ꎬ坐标北与真北方向越接近[１]ꎻ磁北是指南针所指示的北方向ꎬ并随着时间的变化而变化ꎬ磁北与真北的夹角为磁偏角ꎬ根据最新的国际地磁场参考模型ꎬ我国除了新疆㊁西藏等地磁偏角为东偏ꎬ其余地方均为西偏ꎻ真北指的是地球的北极ꎬ即北纬９０ʎ或经圈交汇的地方ꎬ通过地球表面某点的真子午线的切线方向即为该点的真子午线方向ꎬ真子午线方向指向北极的方向称作真北方向[２]ꎬ三北关系示意图如图１所示ꎮ图１㊀坐标北㊁磁北与真北关系图在某些工程领域需要定出真北方向ꎬ如机场和一些军事设施的建设ꎮ在实际操作中ꎬ测定真北方向主要有两种方法:一种是使用陀螺仪在基准点进行寻北测量ꎬ再进行仪器常数改正定出真北方向ꎻ另一种先定出基准点的坐标北方向ꎬ再计算子午线收敛角ꎬ从而定出真北方向ꎮ本文对这两种方法做了对比分析ꎬ得出了一些有益的结论ꎮ２㊀数学模型及实施２ １㊀陀螺全站仪寻北定向测量机械式陀螺仪是利用刚性物体在旋转时尽量保持其旋转轴和速度这一特性进行测量或控制方位ꎬ它由两个可旋转的框架和安装在其上的转子构成ꎮ转子在高速旋转时有着很高的转动惯量ꎮ由于安装了两个可旋转的框架ꎬ这样使得旋转轴可进行二维转动ꎬ如果忽略地球的自转ꎬ陀螺仪转动时其转轴会一直保持最初的空间姿态ꎮ当重力作用于转轴并让其保持水平时ꎬ地球的旋转将对陀螺仪的转轴产生一个扭矩ꎮ该扭矩作用于转轴时ꎬ转轴将会围绕合力的垂直分力产生进动[３]ꎮ机械式陀螺仪就是利用稳定性和进动性找出真北方位ꎮ陀螺全站仪是可以独立测定真北方向的精密测量仪器ꎬ其基本的工作原理是利用最新的图像处理技术进行读数ꎬ随后高精度马达把仪器精确地转到真北方向ꎮ如图２所示是悬挂式陀螺仪结构组成图ꎮ图２㊀悬挂式陀螺仪结构组成图城㊀市㊀勘㊀测２０１８年１０月利用陀螺仪进行寻北测量时ꎬ首先要在已知边ａｂ上标定仪器常数ｃｇꎮｃｇ＝Ｔａｂ＋γａ－Ａａｂ(１)式中ꎬＴａｂ为已知边的坐标方位角ꎬγａ为已知边起点的子午线收敛角ꎬＡａｂ为陀螺仪测出已知边的真北方位角ꎮ然后在待定基准点Ｍ上进行陀螺寻北测量ꎬ具体寻北方法依据不同型号的陀螺仪进行选择ꎬ如索佳ＧＹＲＯ悬挂式陀螺仪主要采用逆转点法或中天法进行寻北测量ꎬ经两次寻北定向精度优于１５ᵡꎮ基准点寻北结束后ꎬ使用全站仪在定出的北方向上对之前测出的仪器常数进行改正:Ａ＝ＡＭ＋ｃｇ(２)通常情况下ꎬ仪器常数为几十秒ꎬ改正后锁紧仪器水平制动旋钮或进行置零等操作ꎬ此时陀螺仪指示方向即为真北方向ꎮ在基准点的真北方向上的适当距离(如１００ｍ)处ꎬ使用木桩㊁铁钉等工具进行实地标识ꎬ若对真北定向有较高精度要求ꎬ标志真北方向的距离应拉长ꎬ并采用盘左盘右取平均值ꎬ标志点应为清晰细小的十字丝或圆点等标记[４]ꎮ２ ２㊀坐标北加子午线收敛角改正定真北子午线收敛角是地球椭球体面上一点的真子午线与位于此点所在投影带中央子午线之间的夹角ꎮ即在高斯平面上的真子午线与坐标纵线的夹角ꎬ坐标纵线东偏为正ꎬ西偏为负ꎮ在投影带的中央经线以东图幅均为东偏ꎬ以西的图幅均为西偏ꎮ对于不同的测站点ꎬ子午线收敛角具有不同的值ꎮ测站点与中央子午线的经差越大ꎬ纬度越高ꎬ子午线收敛角越大ꎮ子午线收敛角可以用大地坐标计算ꎬ也可利用平面坐标计算ꎬ其计算公式分别如下[５]:γ＝ｓｉｎＢ ｌ１＋ｌ２ ｃｏｓ２Ｂ３ρ２(１＋３η２＋２η４)＋ｌ４ ｃｏｓ４Ｂ１５ρ４(２－ｔ２)éëêêùûúú(３)γ＝ρＮｆ ｙ ｔｆ－ρｙ３３Ｎ３ｆ ｔｆ(１＋ｔ２ｆ－η２ｆ)＋ρｙ５１５Ｎ５ｆｔｆ(２＋５ｔ２ｆ＋３ｔ４ｆ)(４)㊀㊀式中Ｂ为测站维度ꎬｌ为测站至中央子午线的经差ꎬｙ为高斯投影后坐标ꎬη＝ｅᶄｃｏｓ２Ｂꎻｔ＝ｔａｎＢꎬＮｆ＝ａ/１－ｅ２ｓｉｎ２ＢｆꎬＢｆ为底点纬度ꎬ下标ｆ表示由底点纬度计算ꎬｅ为第一偏心率ꎻｅᶄ为第二偏心率ꎮ实际工程应用中ꎬ常用查表法或下列简易公式进行计算:γ＝әλ ｓｉｎφ(５)式中ꎬәλ为计算点与中央子午线之间的经度差ꎬφ为计算点所在的纬度ꎮ实际计算表明ꎬ该简易公式的计算误差ꎬ随着纬度φ的减小而增大ꎬ随着经度差әλ的增大而增大[６]ꎮ实际工程应用中ꎬ使用坐标方位角加子午线收敛角改正定真北可按如下方法进行:(１)使用ＧＮＳＳ接收机通过采用当地的ＣＯＲＳ系统等手段多测回测定待定基准点Ｍ的平面坐标(ｘＭꎬｙＭ)ꎬ在Ｍ点的大致北方向且距点Ｍ足够远的点Ｎ使用同样方法测量该点的平面坐标(ｘＮꎬｙＮ)ꎮ(２)计算ＭＮ的坐标方位角ＴＭＮ:ＴＭＮ＝ａｒｃｔａｎｙＮ－ｙＭｘＮ－ｘＭ(６)(３)根据查表法或者式(５)计算点Ｍ的子午线收敛角γＭꎮ(４)在点Ｍ架设全站仪ꎬ精密对中整平后ꎬ后视点Ｎ并置零ꎬ然后水平读盘拨动角度ＴＭＮ＋γＭꎬ该方向即为真北方向ꎬ并通过前文所述方法在实地进行标识ꎮ３㊀精度分析３ １㊀陀螺仪定北精度分析通过前文所述ꎬ利用陀螺全站仪进行真北定向的误差来源主要包括:(１)陀螺全站仪自身寻北定向精度ｍ陀螺陀螺仪由于价格昂贵ꎬ作业时间长ꎬ且对作业环境要求高ꎬ目前仍未普及使用ꎬ目前陀螺仪寻北精度最高可达３ᵡꎬ常见的陀螺仪寻北精度一般为５ᵡ~２０ᵡꎮ(２)陀螺仪常数测定精度根据上文式(１)ꎬ该项误差源具体包括已知边的坐标方位角精度ｍＴ㊁已知边起算点的子午线收敛角精度ｍγ以及在已知边的陀螺仪定向精度ｍ陀螺ꎮ其中已知边坐标方位角的精度取决于已知边两个点的坐标精度及边长的长度ꎬ若在两个相距较远的高精度控制点进行仪器常数测定ꎬ则已知边的坐标方位角误差ｍＴ可忽略不计ꎻ已知边起算点的子午线收敛角可通过式(５)或者查表法求得ꎬ其精度也取决于已知边基准点坐标的精度ꎻ已知边的陀螺仪定向精度ｍ陀螺同陀螺仪自身寻北定向精度ꎮ(３)定出真北方向后的实地标定精度ｍ标定６３１第５期门茂林等 真北定向测量方法及其对比分析该项精度主要与全站仪测角精度以及实地标定与基准点的距离有关ꎬ目前１ᵡ及０ ５ᵡ级的全站仪已普遍使用ꎬ因此其对真北定向精度的影响远小于陀螺仪本身寻北精度的影响ꎬ实地标定与基准点距离越远ꎬ标定标志越精细ꎬ标定精度越高ꎮ根据上文分析及误差传播定律ꎬ采用陀螺仪进行真北定向的精度为:Ｍ１＝２ｍ２陀螺＋ｍ２Ｔ＋ｍ２γ＋ｍ２标定(７)假若采用的陀螺仪的寻北精度为１０ᵡꎬ在相距较远的两个高精度控制点上ｍＴ和ｍγ均可忽略不计ꎬ若标定时采用１ᵡ级全站仪ꎬ并顾及标定距离及标记标志精度的影响ꎬｍ标定以２ᵡ计ꎬ则根据式(７)ꎬ采用陀螺仪进行真北定向的精度为１４ ３ᵡꎮ３ ２㊀坐标北改正子午线收敛角定北精度分析利用坐标北加子午线收敛角改正进行真北定向的误差源主要包括利用边ＭＮ的坐标方位角精度ｍＴ－ＭＮ以及基准点ｍＴ－ＭＮ处子午线收敛角精度ꎬ与陀螺仪在已知边测定仪器常数不同ꎬ该方法中的Ｍ和Ｎ需要用仪器测定ꎬ而不是已知高等级控制点ꎮ在周边无控制点可利用的情况下ꎬ宜采用ＧＮＳＳ接收机利用ＣＯＲＳ进行坐标测定ꎬ以青岛ＣＯＲＳ平面精度１ｃｍ为例计算ꎬ距离３００ｍ处的两点坐标方位角误差为:ｍＴ－ＭＮ＝１０３００ˑ１０００ˑ２０６２６５＝６.９ᵡ(８)考虑到地球平均曲率半径上ꎬ１ᵡ对应的实地距离约为４０ｍꎬ坐标１ｃｍ的误差对应的经纬度误差不到０ ０００３ᵡꎬ根据式(５)基准点子午线的误差可忽略不计ꎮ估计实地标定精度ꎬ该方法最终误差不到１０ᵡꎮ因此ꎬ坐标北改正子午线收敛角定北的精度主要取决于现场实地基准点Ｍ和大致北方向点Ｎ的坐标方位角精度ꎬ点Ｍ与点Ｎ间距离越长ꎬ该精度越高ꎮ综上所述ꎬ两种真北定向方法中ꎬ坐标北改正子午线收敛角进行定北的误差来源更少ꎬ且实地操作更简单ꎬ实际情况下采用该方法精度也更高ꎬ采用陀螺仪进行定北需要在实地花更长的时间ꎬ通常需要至少半天的时间ꎬ且高精度陀螺仪价格昂贵ꎬ在国内并未普及使用ꎮ４㊀结㊀论(１)进行真北定向常用的方法主要有两种ꎬ一种是采用陀螺仪进行真北定向ꎬ另一种是对坐标北改正子午线收敛角进行真北定向ꎬ根据目前陀螺仪及全站仪的精度及实际操作情况ꎬ采用坐标北改正子午线收敛角的方法误差源更少㊁实地真北标定操作更简单ꎬ精度也更高ꎮ(２)采用陀螺仪进行真北定向的精度主要与陀螺仪自身寻北精度和仪器常数测定精度有关ꎬ目前机械式陀螺仪寻北精度大多在５ᵡ~２０ᵡꎬ既要在已知边上测定仪器常数ꎬ又要在待测边上寻北定向ꎬ外业作业时间长ꎬ且稳定的高精度陀螺仪价格昂贵ꎬ鲜有单位使用ꎻ仪器常数测定精度取决于已知控制边的精度ꎬ控制点绝对坐标精度越高ꎬ点位之间距离越长ꎬ仪器常数测定精度越高ꎮ(３)采用坐标北改正子午线收敛角进行真北定向的误差来源主要有利用边的坐标方位角精度以及待测基准点处子午线收敛角精度ꎬ两项误差均与坐标测定的精度有关ꎬ坐标可利用周围已有高精度控制点或者采用ＣＯＲＳ等方法测定ꎬ利用边的距离越长ꎬ真北标定精度越高ꎮ参考文献[１]㊀薛志宏ꎬ李广云ꎬ王留朋等.陀螺定向中子午线收敛角的计算方法与精度分析[Ｊ].测绘通报ꎬ２００９ꎬ１２:４８~５０. [２]㊀朱紫阳ꎬ施一民.测地坐标系中子午线收敛角的直接解式[Ｊ].同济大学学报 自然科学版ꎬ２００３ꎬ３１(８):９６８~９７１. [３]㊀王智ꎬ张洪德ꎬ薛慧艳.逆转点法陀螺仪定向测量在地铁工程中的应用研究[Ｊ].城市勘测ꎬ２０１７(４):１２４~１２６. [４]㊀邵成立ꎬ于宗伟ꎬ王智.视准线小角法在基坑水平位移监测中的优化应用[Ｊ].测绘与空间地理信息ꎬ２０１２ꎬ３５(８):２０５~２０７.[５]㊀邬熙娟ꎬ江国焰ꎬ高俊强.子午线收敛角计算公式及计算精度分析[Ｊ].现代测绘ꎬ２００５ꎬ２８(６):２２~２５.[６]㊀韩志勇.关于子午线收敛角校正问题[Ｊ].石油钻探技术ꎬ２００６ꎬ３４(４):１~４.ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＴｒｕｅＮｏｒｔｈＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＭｅｎＭａｏｌｉｎꎬＷａｎｇＺｈｉꎬＸｕｅＨｕｉｙａｎꎬＬｉＹｏｎｇꎬＺｈａｎｇＨｏｎｇｄｅ(ＱｉｎｇｄａｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄＳｕｒｖｅｙｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６０３２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｗｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｎｏｒｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｎａｍｅｌｙｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｎｏｒｔｈａｎｄｍｅｒｉｄｉａｎｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅｔｏｔｈｅｎｏｒｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｉｓｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓꎬａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｒｒｏｒｓｏｕｒｃｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎꎬｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙ￣ｓｉｓｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔꎬｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｎｏｒｔｈａｎｄｍｅｒｉｄｉａｎｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅｎｏｒｔｈｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｔｈａｎｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｒｕｅｎｏｒｔｈꎻｍｅｒｉｄｉａｎｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅꎻｇｙｒｏｓｃｏｐｅꎻｇｒｉｄｎｏｒｔｈꎻｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ７３１。
陀螺定向测量中坐标方位角计算方法分析
陀螺定向测量中坐标方位角计算方法分析朱晓江【摘要】定向测量中定向边的坐标方位角大多使用已知边的坐标方位角和陀螺方位角来计算,根据真北与坐标北的几何关系,还可以使用已知边的真方位角和陀螺方位角来计算.文章通过对两种计算方法的结果进行对比分析,论证了基于已知边真方位角利用陀螺方位角求取定向边的坐标方位角这一计算方法的可行性.【期刊名称】《地矿测绘》【年(卷),期】2018(034)001【总页数】4页(P17-19,36)【关键词】定向测量;真方位角;陀螺方位角;坐标方位角【作者】朱晓江【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院,新疆昌吉831100【正文语种】中文【中图分类】P258;U4560 引言随着测绘技术和仪器设备制造能力的不断发展和提升，陀螺定向的精度也越来越高，高精度自动化的陀螺全站仪正在逐步取代传统的陀螺全站仪。
除少数如机场工程使用真北方向作为方向基准外，大多数工程的建设都使用坐标北方向作为方向基准，陀螺全站仪由于陀螺高速旋转受地球自转影响的寻北原理，能够获取测站点的子午线方向。
因此陀螺全站仪也越来越广泛的被应用于各类大型海底工程、江底隧道工程以及长大隧道工程中。
陀螺定向测量遵循先地面，后地下，再地面的方法，即在地面上架设仪器观测已知边测定常数，再在洞内定向边上架设仪器观测定向边观测陀螺方位角，最后回到地面架设仪器再次观测已知边检核仪器常数。
根据观测得到的数据，通过严密计算得到定向边的坐标方位角。
常用的计算方法是使用已知边的坐标方位角，结合定向边的陀螺方位角观测值，以及其他改正值求得定向边的坐标方位角。
随着GNSS静态定位测量技术的广泛应用，建立地面工程控制网测量能获取高精度的大地坐标(B，L，H)，利用控制点的大地坐标结合站心地平直角坐标系方法可方便快捷的求取控制点间的真方位角，这就为使用陀螺方位角求取定向边的坐标方位角提供了另一种计算方法。
1 陀螺定向测量中定向边坐标方位角的计算利用陀螺仪敏感地球角动量，从而确定的北方向称为陀螺北方向。
寻北仪技术指标
寻北仪技术指标：
1、仪器分辨率0.001度；陀螺指北重复测量（10次）精度优于0.1度；
2、主机为一体化设备，野外携带便捷；
3、一次测量指北有效时间＜6min；无故障率(MTFB) > 8000小时；
4、直流供电：适应范围＋10～＋24Vdc，额定电压＋12V, 最大工作电流＜2A，
5、方位角测定范围：0～360度；
6、数字输出：方位角5位半以上；RS-232接口数据输出；
7、工作温度环境：-40 ℃ ~ +80 ℃；
8、净重：(W)≤12kg；
9、主机尺寸：长×宽×高≤230×190×240mm；外结构为矩形
10、材质：优质合金铝材料；
11、初始(8分钟后)静态启动；参考面与仪器测定方向≤0.1度且为一平直面；
12、产品标识与标牌应固定相应面板，固结牢固。
配置清单：。
陀螺经纬(全站)仪最新技术介绍
陀螺经纬（全站）仪最新技术介绍杨锟庞尚益吴学文黄立刚（陕西测绘仪器计量监督检定中心 710054）摘要：我中心自2010年建成陕西陀螺仪真北基准检校场至今，已经使用该场地检测了国内外各个厂家生产的不同准确度等级的陀螺经纬仪和陀螺全站仪数十台。
通过检测和相互对比，获得了一些数据，积累了一些经验，特别汇集整理这些资料，可作为国内生产厂家的参考，同时便于用户及时了解行业发展动态。
关键词：陀螺经纬（全站）仪技术特点1 引言陕西测绘仪器计量监督检定中心作为西北地区规模最大，技术实力雄厚的测绘仪器计量检定机构，不断与时俱进，提高技术水平，不断发展新业务。
我中心于2010年在陕西省泾阳县永乐镇国家大地原点院内建成了功能较强，性能稳定的陕西陀螺仪真北基准检校场，并随后开展了陀螺仪检测工作。
通过我们实际检测并对照其相应的出厂指标，对测量型陀螺仪目前最新的发展状况和水平进行了分析和总结。
2几种典型的国内外陀螺仪性能和特点介绍2.1德国DMT公司生产的GYROMAT 3000仪器：2.1.1主要功能特点：（1）温度警告在测量过程中，一旦仪器温度变化超过“环境模式”，通过设定容忍极限值，处理器将显示“温度警告”信息。
（2）偏移警告在测量过程中，一旦仪器振动中心点偏移超过“环境模式”，通过设定容忍极限值，处理器将显示“偏移警告”信息。
（3）温度适应为实现具体测量精度，仪器内部温度需适应周围温度变化在≤±5°C。
如果测量中温度高于此限制，仪器将显示温度警告。
（4）带零位老化效应带零位受重力、温度、水平度、扭转和机械压力影响，由重力造成的带零位改变将由内部校准测量自动校正.（5）重量：11 kg（不包括经纬仪）。
（6）具有三种测量程序测量精度：测量程序1： 1 mgon ( 1 ) *测量程序 2：10 mgon ( 1 ) *测量程序 3： 5 mgon ( 1 ) *测量时间：测量程序1： 10分钟 **测量程序2 ： 2分钟**测量程序3 ： 5分钟**（7）工作纬度：80°以内2.2 中国船舶重工集团公司第七〇七研究所生产的系列仪器包括TJ9000、GT3、AGT三大产品系列产品，全面覆盖手动、半自动、全自动，以及高、中、低寻北精度。
科技成果——陀螺经纬仪、陀螺罗盘
科技成果——陀螺经纬仪、陀螺罗盘技术开发单位中国船舶重工集团公司第七〇七研究所技术简介陀螺经纬仪是一种以经纬仪或全站仪作为方位引出装置的惯性定向装置，可自主测定真北方位及当地子午线。
在军事领域，广泛应用于炮兵阵地连测、导弹初始对准、惯性设备标定以及大地测量；在民用领域，可应用于矿山测量、隧道贯通工程、造船、大地测量等方向。
其基本原理是用悬挂且重心下移的陀螺灵敏部，敏感地球自转角速度的水平分量，在重力作用下，产生一个向北进动的力矩，使陀螺灵敏部主轴（即H向量）围绕子午面往复进动或在外力矩作用下处于平衡状态，通过传感器或光学系统进行自动测量或观测，得到真北方位。
综上所述，与平台类和捷联式寻北仪有很大不同，陀螺经纬仪一般采用相对简单和特殊的结构形式得到较高的定向精度；方位引出采用经纬仪或全站仪等相对较为复杂的光学或光电仪器，具有完备的测角或测距能力，可以胜任大多数大地测量和较为特殊的工程测量工作。
主要技术指标定向精度：在53°S-53°N纬度范围内，陀螺罗盘的定向精度（1σ）为5″-30″；定向时间：定向时间不大于为5min-12min不等；重量：8kg-12kg；工作温度范围：-40℃到60℃；适用纬度范围：70°S-70°N。
技术特点陀螺经纬仪产品型谱完备，指标上全面覆盖了低精度、中精度和高精度，工作方式上覆盖了半自动、自动和全自动，使用方式上覆盖了地面和车载等。
该类产品技术状态稳定，已完成型谱化、系列化工作，针对民品行业特点和用户需求进行适当改进后，可很好地满足民用应用需求。
国外代表产品为德国DMT公司的GYROMAT3000陀螺经纬仪，该产品在环境适应能力、可靠度、寻北稳定性以及定向时间等指标上均优于上述产品。
技术水平国内领先适用范围适用于矿山测量、隧道工程、造船、大地测量等领域。
专利状态授权专利2项，受理专利3项技术状态批量生产阶段、成熟应用阶段合作方式产品销售、技术服务、工程承包预期效益陀螺经纬仪作为一种可全天候工作的自主式测量仪器，其性能参数处于国内先进水平，已达到国际同类产品的水平，目前已实现了批量生产。
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注：各家所有产品技术指标均按原厂发布为准，部分参考业内使用者实际反映情况（●=不详▼=缺点★=比对占优）
陀螺仪型号
GTA1800
GyroStation2
HGG05
HGK15
YBL24（HGK15N）
HGT07
HGS30
AGT-3
GT3-3
TJ9000
⑤市场占有率和实际客户名录（涉及个别厂家的虚假宣传，考察市场应用和认可度才是硬道理）
⑥生产厂家的服务能力（后期服务不到位会很麻烦）
2、所谓陀螺仪原理：
当下，陀螺仪技术越来越多的应用于民用，很多原来严格保密的军工单位也纷纷走上军民两用的道路来支持国内建设发展，国外也有进口产品看中中国市场。目前国外最好的陀螺仪当属德国，其应用主流陀螺仪原理：积分法，也是当下国际上最成熟、最稳定的原理，毕竟陀螺仪各厂家竞赛的是精度，尤其是在高精度的竞赛中，要求仪器自身必须稳定，笔者认为“稳定压倒一切”，很多人在选择陀螺仪时容易忽视原理，今后当将此项技术指标纳入视线审核；
5、陀螺转速说明：
陀螺敏感部指北力矩取决于陀螺敏感部的结构（重量及重心距陀螺旋转轴的距离等）、陀螺旋转的转动惯量，其中陀螺的转动惯量于陀螺转速有关外，还与陀螺转子的质量大小、旋转半径、悬丝长度有关，因此，指北力矩的大小与并非完全取决于陀螺转速。电机为15000转/分钟或以上，其转子为合金钢材质，转速为6000转/分钟，转子一般为陀螺专用高比重材料，6000转/分钟后，转动力矩没有减小，但旋转精度有一定提高。电机转速低轴承摩擦小，有利于保护轴承延长轴承寿命，同时散热少，也有助于提高定向精度。上置式陀螺仪（例如苏一光和索佳）质量很轻，陀螺仪电机小，还必须要保证陀螺转动惯量，所以转速就较高，使得转速高恰恰成为了一个缺点。
储存温度
●不详
-40°~+50°
-40°~+50°
工作纬度
75°
75°S~75°N
精密对中方式
▼无
★激光对中
▼垂球对中
▼无
激光对中+垂球对中
陀螺架置模式
▼陀螺上置式
★陀螺下置式
▼陀螺上置式
★陀螺下置式
电池使用时间
＜5h
★15h
12h
●不详
●不详
方位引出装置
▼仅可配苏一光自产全站仪
★可配置市场上所有绝对编码的全站仪或经纬仪，新旧均可
GPX
GYROX
BTJ-15
BTJ-8
BTJ-5
备注
成产厂家
苏州一光
中国人民解放军第1001工厂
中船707所
日本索佳
航天科技公司一院15所
厂家所属部门
/机关/公司
苏州一光
中国人民解放军总参谋部作战部
中国船舶工业
日本株式会社
航天科技公司
定向精度
15〞
★3.6〞
★≤5〞
≤15〞
≤15〞
★≤7〞
≤20〞/cosΦ
4、所谓对称测时法：
目前，市场上有陀螺仪属于“一个系列，却有多种精度”，这种陀螺仪测量原理叫做“对称测时法”，
一种陀螺定向的对称测时方法，其特征是，它按扣下方式完成陀螺定向的测量：（１）选择陀螺分划板上以零刻划为对称轴的三条分划线＋Ｋ，０，－Ｋ进行测时，其计算公式为： ａｔ↑［１］＝ａｒｃｔｇ（ｓｉｎａｔ↓［１］－２ｓｉｎａｔ↓［２］＋ｓｉｎａｔ↓［３］／ｃｏｓａｔ↓［１］－２ｃｏｓａｔ↓［１］＋ｃｏｓａｔ↓［１］） Ａ＝－Ｋ／（ｓｉｎ（ａｔ↓［０］－ａｔ↓［２］）＋ｓｉｎ（ａｔ↓［１］－ａｔ↓［０］） 令Ｇ＝ｓｉｎ（ａｔ↓［０］－ａｔ↓［２］）＋ｓｉｎ（ａｔ↓［１］－ａｔ↓［０］）则 Ａ＝－（Ｋ／Ｇ） Ｂ＝Ｋ·［１＋ｓｉｎ（ａｔ↓［１］－ａｔ↓［０］／Ｇ］ 其中，ａ＝２π／Ｔ Ｂ——陀螺轴摆动平衡位置的分划板读数； ｔ↓［０］——陀螺轴通过摆动平衡位置的时间； Ａ——陀螺摆幅； Ｔ——陀螺自摆周期； ｔ↓［１］，ｔ↓［２］，ｔ↓［３］为陀螺轴摆动到某一位置的时间； （２）将测到的时间点，由６点快测法模式或９点快测法模式，求出６组成或１６组陀螺北方向值。
只可配备苏光、西光、南方
经纬仪、全站仪
▼仅可配
索佳自产全站仪
可配备部分品牌经纬仪、全站仪
市场份额
约8%
★约45%
约17%
约30%
约10%
评分
各家评分
63分
91分
82分
69分
77分
性价比分
71分
92分
79分
66分
71分
系列齐全程度分
50分
99分
80分
75分
80分
陀螺仪
鉴别常识
1、所谓自动：
现在，很多厂家或经销商在全自动陀螺仪纷纷问世后，担心自己的产品跟不上技术的发展，于是给自己的半自动仪器取一个非常贴近自动化的名字，可是又不敢标为“全自动”，只好叫“自动”，也好向全自动陀螺仪的队伍靠拢，不致很快被淘汰出局。笔者对这一现象不置可否，只是教给大家一个简单的识别方法，就是看该陀螺仪的结构组成中有没有目镜部分或手轮部分，如果有目镜或手轮，就表示还需要人工限幅（人力限制陀螺摆幅）及其它观测，那自然就不能叫全自动了，因为现在的全自动陀螺仪整个测量过程中是不需要任何人为干预和操作的；
否
否
否
否
★是（取得防爆证书
和煤安证书）
否
否
否
否
否
否
否
否
否
否
启动时间
▼120s
★40s
60s
60s
60s
60s
60s
●不详
●不详
●不详
工作原理
▼对称测时法
★积分法
逆转点法
▼阻尼
跟踪法
拟合法+
改化时差法
拟合法+
改化时差法
逆转点法
▼阻尼
跟踪法
▼阻尼
跟踪法
▼阻尼
跟踪法
工作温度
-20°~+50°
●不详
-20°（-40°）~+50°
6、所谓进பைடு நூலகம்：
在常规测量仪器领域，进口的仪器确实比国内的要好，但是陀螺仪属于各国敏感产品，因为该仪器属于军民两用型产品，军事上可直接应用于导弹定向，所以，国外不会出口高端设备给中国，日本长期用中低端陀螺仪出口中国，价钱相对较高，只是戴了一顶“进口”的帽子，性价比其实比较差。在国内技术实力上升、军品解禁进入民品市场的大条件下，我国尤其是军方自主的仪器设备拥有更尖端的技术。
12〞
10〞
20〞
20〞
15〞
15〞
8〞
★5〞
定向时间
＞40min
≤10min
≤12min
★≤9min
★≤9min
≤20min
≤20min
≤10min
≤15min
≤15min
＞30min
＞19min
10min
12min
12min
工作模式
▼半自动
★全自动（一键式操作）
▼半自动
全自动
▼半自动
全自动
安全防爆
3、所谓筛选法：
陀螺仪的行业标准中，5〞、15〞、20〞为精度标校基准，5〞以上精度可依据自身仪器情况具体、单独标校。但是我们在现在的市场上很容易看到非标准的精度指标，例如：8〞、10〞、12〞、14〞，这其实表示了厂家的生产方式为“筛选法”，即，从生产线上下来的产品，工人对其逐台测量，即测精度是多少，就标校多少，没有审慎的对待精度标准，也对后期的精度长期保证和稳定性造成了不良影响。
7、建议在选择陀螺仪是考虑的要素（按必要性排列）：
①设计和寻北原理。（涉及稳定性和寿命）
②精度和工作时间。（涉及工程难度和方便快捷）
③自动化程度。尤其注意避开厂家引导性宣传，判断其是否真是“全”自动（涉及测量结果准确度、方便、快捷）
④价格。建议不直接比较价格，最好是看看性价比（涉及一次性投资的后期获益能力）