一种基于静态力矩模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于静态力矩模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法。该方 法可广泛应用于静态模式下的各类陀螺全站仪构建及隧道、巷道、引水隧洞等工程的贯通 测量领域。
【背景技术】
[0002] 陀螺全站仪是一种可以独立、精确确定地球上任意点真北方向的定向仪器，其测 量原理为通过高速旋转陀螺敏感地球自转角动量。可应用于贯通导线测量误差积累改正、 初始方位标校等，主要应用于公路铁路隧道、煤矿巷道、引水隧洞的贯通测量，导航设备标 校，火箭、导弹等武器发射系统定向。
[0003] 目前，广泛应用在工程的陀螺全站仪为悬挂式陀螺仪，采用悬挂带对陀螺灵敏部 进行支承。悬挂式陀螺仪寻北方法多采用人工或者电子设备观测陀螺旋转轴自由摆动曲 线，以此来确定陀螺的动平衡位置，都要等待陀螺的动平衡位置相对稳定后，才能进行观 测、数据采集，即在陀螺马达转子达到额定转速，处于平衡稳定状态后，在此单一平衡位置 下通过中天法、逆转点法、积分法等进行观测。该单一平衡位置下的寻北虽然能够相对准确 地测定真北方位，但由于部分系统性误差的影响，例如陀螺水平测角系统的偏心误差，系统 的常数漂移误差等等，会对陀螺定向成果产生影响，降低其测量精度。这些系统误差在短期 时间或单次测量中表现出系统性，而在长期使用或多次测量间则表现出偶然性。而传统悬 挂式陀螺全站仪由于陀螺的动平衡位置稳定时间较长，如果进行两个位置的数据采集比较 消耗时间。
[0004] 综上，造成了传统的陀螺寻北方法寻北时间长、数据稳定性差、效率低等问题，在 存在外界干扰情况下，定向效果更差。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种基于静态力矩模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法，该 方法解决了传统的陀螺寻北方法寻北时间长、数据稳定性差、系统性误差难以剔除的技术 问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术解决方案：
[0007] 一种基于静态模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法，具体包括如下步骤：
[0008] -、安置仪器：在测站点安置仪器，使北向标识位于真北方向（-10°，+10° )区间 内，调整并对中；
[0009] 二、陀螺定向测量：
[0010] a.启动马达启动加速模块、盘位转换模块，使陀螺马达旋转轴方向对准陀螺仪测 角装置17中的电子度盘零刻度线方向；
[0011] b.第一位置寻北测量：依次启动支承解锁模块、电流及光电信号采集模块，得到 多组电流数据以及光电信号数据；根据电流数据计算得到陀螺灵敏部力矩值，并根据光电 信号数据以及反射光线与入射光线的位置，计算陀螺灵敏部的角度位移量；启动稳定检测 模块，如果陀螺灵敏部处于非稳定状态，则启动力矩反馈控制模块使得陀螺灵敏部稳定，然 后启动支承锁定t吴块；
[0012] c.根据陀螺灵敏部力矩值，计算得到在第一位置上陀螺仪测角装置的电子度盘零 刻度线方向偏离真北方向夹角Z NOR1;
[0013] d.第二位置寻北测量：启动盘位转换模块，使陀螺马达旋转180度到达第二位置； 重复执行步骤b、c，获得在第二位置上陀螺仪测角装置的电子度盘零刻度线方向偏离真北 方向夹角ZNOR 2;
[0014] 三、照准系统方向观测：
[0015] a.使望远镜照准目标，记录此时照准测线方向与其内部电子度盘0位方向之间的 夹角记为zmoca;
[0016] b.再将望远镜在竖直方向与水平方向分别旋转180度，再次使望远镜照准测线方 向，记录此时照准测线方向与其内部电子度盘0位之间的夹角记为ZMOC B，完成一次目标照 准；
[0017] c.再次将望远镜在竖直方向与水平方向分别旋转180度，重复步骤a、b分别获得 照准测线方向与其内部电子度盘0位方向之间的夹角记为21?(^、21?)〇 )，至此照准系统完 成第二次目标照准，计算两次目标照准的平均值Z MOC :
[0018] 四、寻北成果计算：
[0019] 计算测线的真北方位角A :
[0021] 其中，Z RiOM、^ R2OM为第一位置和第二位置时陀螺寻北方向与电子度盘的零刻 度线的夹角。
[0022] 进一步的，所述马达启动加速模块、盘位转换模块、电流及光电信号采集模块、支 承锁定模块、支承解锁模块、稳定检测模块和力矩反馈控制模块分别用于实现如下功能：
[0023] 马达启动加速模块：控制陀螺马达的启动及加速；
[0024] 盘位转换模块：控制驱动电机驱动轮盘转动，根据陀螺仪测角装置发送的轮盘的 转动角度控制轮盘转动；
[0025] 电流及光电信号采集模块：按设定采集次数采集第一力矩器转子、第一力矩器定 子、第二力矩器转子和第二力矩器定子内部电流数据；第二微型计算机按设定采集次数采 集支承稳定检测装置、水平力矩稳定检测装置、竖直力矩稳定检测装置的光电传感器的光 电信号数据；
[0026] 支承锁定模块：控制电感线圈断电，磁性消失，压缩状态的弹簧通过压片向上顶住 下部连接盘，下部连接盘上的触头与上部连接盘接触；并向上拉动连接部、第一力矩器转 子、陀螺灵敏部和第二力矩器转子的整体，使得悬挂带不受力松弛；
[0027] 支承解锁模块：控制电感线圈通电，压片收到磁力向下进一步压缩弹簧，压片与下 部连接盘脱离连接；由于下部连接盘、连接部、第一力矩器转子、陀螺灵敏部和第二力矩器 转子整体的重力作用，使悬挂带受力拉紧；
[0028] 稳定检测模块：将力矩角度位移数据采集模块得到的角度位移量与设定阈值相比 较，如果不超过设定阈值，则陀螺灵敏部处于稳定状态，否则不稳定；
[0029] 力矩反馈控制模块：根据电流及光电信号采集模块得到的力矩值控制第一力矩器 转子、第一力矩器定子、第二力矩器转子和第二力矩器定子的内部电流，使得力矩器定子和 其对应转子间形成与陀螺灵敏部摆动力矩大小相等、方向相反的合力矩，直至陀螺灵敏部 稳定。
[0030] 进一步的，所述安置仪器步骤中的所述调整并对中是指启动激光发射模块，移动 仪器直至激光发射模块的激光束射向测站点标识；反复调节调节螺旋，直至上对中标识对 准悬挂在测站点上的对中垂球尖部。
[0031] 进一步的，所述陀螺定向测量中的步骤b中，根据采集的多组电流数据计算陀螺 灵敏部力矩值的公式如下：
[0033] 其中，M表示陀螺灵敏部力矩值；i表示采集的数据的序号；IKA为第一力矩器转子 电流值；I KB为第二力矩器转子电流值；ISA为第一力矩器定子电流值；ISB为第二力矩器定子 电流值；k为力矩器系数；n为采集的电流数据的组数。
[0034] 进一步的，所述陀螺定向测量中的步骤c中，所述Z勵&通过公式（2)计算：
[0036] 其中，M表示陀螺灵敏部力矩值；陀螺的角动量H ;地球的自转角速度测站点 的地理炜度妒。
[0037] 进一步的，所述照准系统方向观测过程中，所述步骤c中计算两次目标照准的平 均值Z MOC的公式如下：
[0039] 相对于现有的单位置寻北方法，本发明的方法有效解决了寻北方法寻北时间长、 数据稳定性差、系统性误差难以剔除等技术问题，能够有效消除或减弱部分仪器及观测系 统误差，改善定向精度。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明的基于静态模式的陀螺全站仪的结构示意图。
[0041 ] 图2为本发明俯视图。
[0042] 图中各标号含义：1、上对中标识；3、固定螺钉；4、照准部测角装置；5、望远镜；6、 竖直制动微动螺旋；8、照准系统显示屏；9、键盘；10、水平制动微动螺旋；13、通讯接口；14、 陀螺仪水准管；15、陀螺仪显示屏；16、操作按钮组；17、陀螺仪测角装置；18、驱动电机；19、 轮盘；20、滚珠盘；21、支承稳定检测装置；22、上部连接盘；23、下部连接盘；25、弹簧；27、 电感线圈；28、压片；29、悬挂带；30、第一力矩器定子；31、第一力矩器转子；32、连接部； 34、水平力矩稳定检测装置；35、陀螺马达；39、第二力矩器定子；40、第二力矩器转子；42 竖直力矩稳定检测装置；45、调节螺旋；46、基座；47、第二微型计算机；48、接口组；49、通 光孔；50、激光发射模块；51、外壳；53、扶手；54、上对中支架；55、照准部支架；56、旋转轴； 57、照准部水准管；58、第一微型计算机；59、水平