一种基于双位置特征的磁悬浮陀螺寻北数据粗差剔除方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地下工程测量领域，具体涉及一种基于双位置特征的磁悬浮陀螺寻北 数据粗差剔除方法，该方法能够获取高精度陀螺定向方位成果，可用于大型隧道贯通测量、 地铁施工测量、大型矿山高精度贯通测量。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮陀螺全站仪是我国新近自主研制的高精度陀螺定向仪器，该仪器曾先后成 功应用于国内30余项矿山、隧道、地铁等地下工程，取得了良好的定向效果。磁悬浮陀螺仪 通过磁悬浮支承技术替代了传统陀螺经炜仪的悬挂带支承体系，最大限度的降低了外界干 扰力矩对陀螺寻北过程的影响，并采用无接触式光电力矩反馈控制技术实现了捷联式静态 寻北模式，在此基础上，实现了双位置海量寻北观测数据采集，在短短的数分钟寻北时间内 通过在一个粗寻北位置和两个相差180°方位的精寻北位置的观测，共采集6万组寻北数 据，其中每个寻北位置各采集2万组寻北数据，最后将两个精寻北采样数据进行差分处理， 计算最终寻北定向成果，从而实现了快速、高效的寻北定向测量，经国家权威仪器检定部门 认证，该仪器的定向精度优于5"，完全可以应用于大型矿山、隧道等大型地下工程。然而， 通过对大量的工程实测数据分析发现：在某些极端工程环境下，由于强干扰力矩的不良影 响造成陀螺数据跃迀，产生大量的粗差数据，从而严重降低了磁悬浮陀螺的寻北精度。因 此，如何有效的剔除这些强干扰力矩影响下的粗差是提高磁悬浮陀螺定向精度、增强仪器 环境适应性的关键问题之一。
【发明内容】
[0003] 针对强干扰力矩下磁悬浮陀螺仪粗差数据的干扰问题，本发明的目的在于，提供 一种基于磁悬浮陀螺双位置寻北特征的粗差检测和剔除方法，以增强磁悬浮陀螺全站仪的 粗差处理能力和环境适应性，提高陀螺寻北定向精度。
[0004] 为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
[0005] -种基于双位置特征的磁悬浮陀螺寻北数据粗差剔除方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，计算陀螺方位角先验值；
[0007] 步骤2,分别采集不同架设方位下的第一和第二精寻平衡位置的转子电流数据，根 据采集的数据建立转子电流值和架设陀螺方位角的回归方程组；
[0008] 步骤3 :将陀螺方位角先验值作为陀螺寻北方位角代入转子电流值和架设陀螺方 位角的回归方程组，计算陀螺寻北采样数据预测值；
[0009] 步骤4,在一个架设方位下采集两个精寻位置的转子电流数据，并计算估计误差； [0010] 步骤5,分别计算当前架设方位下的双位置转子电流值回归预测区间：
[0011] 步骤6，使用步骤5得到的双位置转子电流值回归预测区间，剔除处于回归预测区 间外的转子电流数据；
[0012] 步骤7,根据步骤6剔除粗差后的转子电流数据，由下式计算修正后的陀螺定向结 果。
[0013] 进一步的，所述步骤1的具体操作如下：
[0014] 在测站点安置陀螺全站仪，并照准目标测线方向，根据全站仪读数Zt、测线的坐 标方位角测站点子午线收敛角γ和仪器常数Aft，计算陀螺寻北方位角先验值T 5fe = α坐_ Δ仪一Ζ全+ γ。
[0015] 进一步的，所述步骤2的具体操作如下：
[0016] 在陀螺架设方位位于真北方向（-10°，+10° )区间内，选取20~100个不同架 设方位，在每个架设方位下的第一和第二精寻位置分别采集η个转子电流数据IJP 12，计 算每个架设方位条件下第一精寻位置的转子电流数据的算术平均值〖和第二精寻位置的 转子电流数据的算术平均值I a; η为转子电流数据的采样个数；
[0017] 将架设陀螺方位角T作为自变量，将两个精寻位置采样电流算术平均值：^和12分 别作为因变量，分别线性拟合出两条直线，根据直线求解转子电流值和架设陀螺方位角的 回归方程组的参数a、b、c、d，建立转子电流值和架设陀螺方位角的回归方程组：
[0018]
[0019] 其中，T为架设陀螺方位角。
[0020] 进一步的，所述步骤4具体如下：
[0021] 步骤41，在陀螺架设方位位于真北方向（-10°，+10° )区间内，任意选取一个架 设方位，在当前架设方位下第一和第二精寻平衡位置分别采集η个转子电流数据IJP I 2;
[0022] 步骤42,分别计算两个精寻北平衡位置的陀螺寻北采样数据预测值的标准差估计 S· Sindl矛口 S ind2:
[0023]
[0024] 其中：
[0025]
[0026]
[0027] 其中，I11U21分别为第一、第二精寻北平衡位置采集的第i个转子电流值，i取1~ n ;TH、T21分别为对应第一、第二精寻北平衡位置采集的第i个转子电流值计算得到的陀螺 寻北方位角；OR-OT 1S北向标识方向OR与第一精寻北平衡位置OT1之间的夹角，k为常值 系数，取300~400 ;IS1、Is2分别为第一、第二精寻北平衡位置的定子电流值；H为陀螺角动 量；为地球自转角速度；^为测站点炜度；爲，土是指步骤3得到的陀螺寻北采样数据 预测值；
[0028] 步骤43,计算双位置转子电流值的估计误差Ep E2:
[0029]
[0030] 其中，&为置信水平为I- α下的t分位数； ：2
[0031] 进一步的，所述步骤5中所述的双位置转子电流值回归预测区间如下：
[0032]
[0033]
[0034] 进一步的，所述步骤6的操作如下：
[0035] 以步骤5得到的当前架设方位下的双位置转子电流值回归预测区间作为粗差的 判别标准，对当前架设方位下的第一和第二精寻平衡位置采集到的所有转子电流数据分别 进行判别，保留落入回归预测区间内的转子电流数据，剔除回归预测区间外的转子电流数 据。
[0036] 进一步的，所述步骤7中，根据步骤6剔除粗差后的转子电流数据，由下式计算修 正后的陀螺定向结果：
[0037]
[0038] 其中，M'。"，M' OT2分别为剔除位置粗差后的所计算得到的两个精寻平衡位置的 平衡力矩，〇!\、OT2方向为第一、第二陀螺马达轴精寻北平衡位置；OR-OT 1S北向标识方向 OR与第一精寻北平衡位置OT1之间的夹角；H为陀螺角动量；ω e为地球自转角速度；供为测 站点炜度。
[0039] 进一步的，通过所述步骤7得到的陀螺定向结果计算陀螺坐标方位角如下：
[0040] α 坐(修）=Z 全+T修+ Δ 仪-γ 0
[0041] 本发明提供的方法基于磁悬浮陀螺双位置寻北特征，能够剔除强干扰力矩的影 响，采用该方法能够达到如下工作效果：
[0042] (1)根据现有的磁悬浮陀螺在不同方位架设条件下的双位置采样电流均值的变化 趋势，建立架设陀螺方位角与两个精寻位置采样电流均值的一元回归模型。
[0043] (2)采用一元回归分析预测方法，以原地下导线坐标方位角推算的陀螺方位角作 为先验值，预测陀螺转子电流值的置信区间，剔除强干扰力矩影响下寻北数据的粗差。
[0044] (3)修正寻北定向成果，提高磁悬浮陀螺的定向精度，确保隧道的高精度贯通。
[0045] (4)以原地下导线坐标方位角推算出的陀螺方位角作为先验值，为陀螺采样数据 的滤