提高陀螺经纬仪定向效率的方法_张学庄

第15卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　测　15№.1绘　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　V ol . 2006年2月　　　　　　　　ENGIN EERING OF SURVEYING AND MAPPING 　　　　　　　　F eb . , 2006

提高陀螺经纬仪定向效率的方法

张学庄

(中南大学, 湖南长沙410083)

摘　要:采用室内经常检测仪器常数, 使用AG T -1高精度自动陀螺经纬仪, 将G AK -1等仪器改造成高精度自动陀螺经纬仪以及修订定向测量规程等方法, 可以大大提高定向效率和经济效益。关键词:自动陀螺经纬仪; 仪器常数; 定向; 效率

中图分类号:P204　　　　　　　　　文献标识码:A 　　　　　　文章编号:1006-7949(2006) 01-0001-05

The methods of improving the gyroscopic theodolite

orientation efficiency and benefit

ZHANG Xue _zhuang

(Central South U niversity , Chang sha 410083, China )

A bstract :The methods such as calibrating instrument constant indoo r usually , using high accuracy automatic gy -ro _theodolite , transforming old gy ro _theodolite to high accuracy automatic gy ro _theodolite , revising the gyro _theodolite orientation regulation and etc . , are introduced to promote the orientation efficiency and economic ben -efit consumedly .

Key words :automatic gy roscopic theodolite ; instrument constant ; orientation ; efficiency 　　用联系三角形法通过竖井进行矿山井下定向

工作是一个重大事件, 其测量组织、人员安排与其他工种的协调、停工等等, 非常繁杂, 往往需要一天时间并安排在节假日进行。用GAK 1或JT15等型号的陀螺经纬仪定向要好些。因为这类仪器靠人眼观察光标与分划线的重合来读数或计时, 测量误差大, 返工几率高, 不能在有风流和振动的条件下工作, 测量现场的其他工作要停工, 一次定向的总时间仍然要一天左右。现代城市地铁盾构掘进和隧道贯通, 日进尺最多可达数十米, 需进行频繁的定向和复检; 深部开采的井下控制测量、海底隧道的定向测量和运动武器系统的快速定向都对定向工作精度和效率提出了新的更高的要求。2004年, 我们研制出定向精度高、速度快的AGT -1高精度自动陀螺经纬仪(见图1) , 该仪器的样机之一已经在北京地铁应用1年半。但是对于新的仪器, 有关部门还没有制订相应的操作规程。如果一次定向标准偏差小于±5s 的高精度自动陀螺经纬仪仍然按照±20s 精度的非自动陀螺经纬仪的规程进行定向, 至少也要半天, 其优越性和效率就不能充分发挥出来。根据

图1　AGT -1在自动寻北测量中

AGT -1的定向工作实践, 我们提出一些提高陀螺

经纬仪定向效率的方法。

1　影响陀螺经纬仪定向效率的原因

1) 定向前与定向后测定仪器常数的时间长, 天气不好时更麻烦。按规程要求需要定向前后两次与已知边比测, 测定仪器常数。正常情况下, 两次走路

收稿日期:2005-11-30

作者简介:张学庄(1940～) , 男, 教授, 博士生导师, 详见本期“测绘人物谱”。

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时间与定向测量时间需要半天;

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算、子午线收敛角与坐标方位角计算以及其他后续测量工作数据的提供等等。在定向测量现场可以完成所有工作。AGT -1仪器具有加电就开始工作, 不需要预热时间; 在轻的风流和振动环境下能可靠工作; 正常操作下没有返工; 操作简便; 总重量轻; 性能价格比高等优点。

采用AGT -1, 可以用以下措施提高定向效率。2. 1　经常测定仪器常数, 测前、测后不必去野外测定仪器常数2. 1. 1　仪器常数相对稳定

陀螺经纬仪的仪器常数E 定义为天文方位角与陀螺经纬仪读数设备读出的方位角之差。产生于陀螺转子轴与经纬仪望远镜的视准轴及分划板零线所表示的光轴不在同一垂直面内。

当仪器在一个测区使用时, 用来测定常数的已知边的天文方位角是不变的。陀螺经纬仪读出的方位角值则主要与仪器的结构参数是否变化以及定向测量误差有关。在一定的温度变化区间内(如一个月内) , 如果仪器没有受到较强的机械振动或伤害, 其常数应该基本不变。

用AGT -1高精度陀螺经纬仪多次测定同一边时, 测量结果的变化在测量误差允许的范围内, 这说明仪器常数没有变化或变化很小。对于常用的20s 仪器, 因为测量结果中含有较大的测量误差, 无法精确测定仪器的常数, 故每次测得的常数不同。所谓常数变化主要是测量误差较大所致, 并不一定是常数变化了。每次测得的常数不同, 需要提高仪器常数的可信度和测定精度, 这是现在的陀螺定向测量规程要求在定向前后测定仪器常数的原因。2. 1. 2　经常与固定边比测, 确知仪器常数是否变化

在室内建立一条高精度的固定边, 经常与该边比测。比测时, 使测量误差尽可能小, 这样, 就可以知道仪器常数及其变化的规律并正确地使用常数, 而不必每次定向都测定常数或每次都去野外已知边上测定常数。

2. 1. 3　使固定边的方位角误差很小

高精度已知边是由带有强制对中的室内仪器墩A 和室内或室外永久性固定的照准目标B 所构成的固定边AB , 仪器墩上安置陀螺经纬仪。照准目标可以是照准误差特小的特别绘制的小型标志或固定目标, 也可以采用平行光管。该方向应该保持长期稳定, 不受阳光照射和强烈温度变化的影响。为了方便使用, 该固定边AB 的方位角最好接近陀螺北方向。

2) 定向测量需要多个测回, 如用15～20s 仪器需要4个测回。目的是提高精度, 避免出错, 通常要2h 。

3) 在现场不能得到最终定向测量结果。因为要等到测后常数、子午线收敛角、坐标方位角等一系列内业计算完成后, 才能够得到最终定向结果, 所以, 需要两次到现场才能够完成定向的后续测量工作, 如精确给向等。

4) 有的陀螺经纬仪或自动陀螺经纬仪需要较长的等待时间。如德国的Gy romat2000高精度自动陀螺经纬仪要求仪器内部和环境温度差小于5℃时才自动开始工作, 文献[1]载。当温度差为22℃时, 等待时间为103min ; 有的仪器需要预悬挂陀螺以便取得较稳定的读数和减少返工, 这个时间为几十分钟到1h ;

5) 从寒冷的地面来到井下, 仪器结雾, 水气晾干约需0. 5h 。

6) 定向测量现场的防风处理或组织、协调现场其他工作停工。这是因为手动陀螺经纬仪不能在风吹和振动的环境下工作, 陀螺指标线的章动往往造成定向误差超限和返工, 协调解决该问题需要较多时间。

7) 陀螺经纬仪或高精度自动陀螺经纬仪都只能够解决定向问题。实际测量工作往往同时要求完成定位、定向和放样等其它测量, 通常还要用其它仪器和人员, 甚至需要再次下到现场, 这样, 总的人时消耗就更多了。

由此可见, 在无返工的正常情况下, 一次定向需要约5～8h 。需时最多的是常数测定、测前等待、多测回定向等。要提高效率, 主要应该解决这些问题。

2　提高陀螺经纬仪定向效率的方法

现在, 以AG T -1高精度自动陀螺经纬仪定向为例加以说明, 非自动寻北的陀螺经纬仪可参考使用。

AG T -1是中南大学和长沙市莱塞光电子技术研究所合作研制的新型高精度自动陀螺经纬仪, 它的一次定向标准偏差小于±5s 。自动寻北时间7～10min , 一测回约需20min 。它是现代IT 技术和精密测量仪器相结合的智能型仪器。整个系统在掌上电脑的控制下, 按中文菜单的指引, 完成所有已知数据的输入, 测前、测后自动零位测量, 初定向, 自动寻北, 自动检核、测量误差计算与数据处理, 全部测量

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理想。若A 点是测量控制网的一个点, 可用精密测角确定其方位角; 其次是用精密导线方法测定, 使误差在1s 左右; 最后可以用一等天文测量方法或高精度自动陀螺经纬仪测定。

以后的定向工作就可以在AB 边上测定陀螺经纬仪的常数, 观察仪器常数是否变化, 并用它改正定向测量结果。

2. 1. 4　室内测定常数的应用。

对于范围不大的地区, 长度不超过1km , 可以不考虑子午线收敛角改正, 直接采用该常数值。但在不同纬度、地区使用时, 要重新测定仪器常数。2. 1. 5　室内测定仪器常数的优点。

室内测量时可将对中、照准误差减到最小; 环境条件好, 无风, 不受大雾、雨、大风等天气的影响; 可以用稳压电源供电, 避免测量时受电池电压的影响, 节省电池和充电时间; 随时可以测量和检核; 测量的精度高于野外; 不需要交通工具上已知点, 省时省力; 最重要的优点是:通过经常的常数测定, 可以掌

握仪器常数是否变化, 变化的大小和规律。这样, 只要进行测前常数测定或不必每次都作测前常数测

定, 也不必进行测后常数测定, 在现场就能够取得最终定向结果并完成给向任务。

其实, 高精度自动陀螺经纬仪在给众多机动发射的武器定向时, 就是依靠陀螺经纬仪仪器自身常数的稳定, 一次性给向的, 时间上也不允许进行测前、测后常数测量。

2. 2　减少定向的测回数

用AGT -1高精度自动陀螺经纬仪定向时, 通常只要测两个测回即可。一个测回测定精确的初定向方向, 接着一个测回作定向。定向结果的精度可以达到优于5s , 如表1中记录编号为1和2的两个测回。从表1可见, 在2～5这4个测回中, 取用任何一个测回的结果和平均值354. 09355的差都小于±1s 。因为该仪器基本不受人工操作的影响, 而且定向时没有返工, 多测回的意义不大。减少测回数可减少40min 。

表1　5个测回定向结果(电源接通就开始定向工作)

记录编号测量时间2005-1-15温度(℃) 测前零位测后零位(格)

测前(后) 零位变化(格) 观测边陀螺方位角(°. ′″) 陀螺北方向值内符中误差(″) 自动寻北开始与结束时刻(s )

19:49:504. 6-0. 47-0. 460. 01354. 09393±1. 2130. 9495429. 7880

210:7:24. 6-0. 45-0. 350. 10354. 09347±0. 8451. 1715459. 1935

310:24:474. 8-0. 35-0. 210. 14354. 09364±0. 7666. 1680470. 311

410:42:384. 8-0. 20-0. 070. 13354. 09356±0. 8161. 4410464. 3540按后4个测回

备　　注

开机即测, 测5测回

计算的一测回测定标准偏差为s =±0. 7″

本测回作精确初定向用

本测回作为定向结果

511:18:95. 0-0. 02+0. 050. 07354. 09353±1. 0459. 0250462. 4835

高效测法测两测回

2. 3　在测量现场解决所有问题

AG T -1由掌上电脑控制, 事先在掌上电脑中

存储了完成定向、给向、放样等全部工作所需要的数据。定向完成后, 在电脑上记录并存储了所有数据, 在现场可自动完成全部内业计算工作, 取得定向边的坐标方位角值; 接着完成后续的全部测量工作。这样, 就不需要第二次下井, 节省了时间。

2. 4　减少定向前的等待时间

因为AGT -1仪器采取了各种措施, 不需要等

待, 通电就可以工作。表1所列数据就是通电一开始就进行初定向, 接着进行定向的。按2～5测回结果计算的方位角354. 09355一测回定向标准偏差为:s =±0. 7″。

为解决从冷处到热处测量时, 水蒸气在陀螺经

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纬仪表面结露问题, 可以将仪器保管在一个带超温保护的恒温箱中, 设定的温度比定向现场的温度略高, 在现场就不必等待。

2. 5　减少现场风流环境处理和协调工作的等待

由于一般的陀螺经纬仪在风吹和震动的影响下产生章动, 无法读取时间或准确取得逆转点, 导致返工。所以定向时往往要在定向测量现场挡风和协调其他某些工种停工。消耗的时间难于准确估计。而AG T -1仪器中有特殊的抗风和抗震动设计, 一般情况下, 其定向精度基本不受风吹和振动的影响。2. 6　测量几乎没有返工

AG T -1采用对称测时法原理工作, 采用9点法测量, 一次定向的内部符合标准偏差为±0. 8s , 自动零位测量的标准偏差为±0. 3s , 并有中天法和时差法检核, 超差报警。在正常操作和环境条件下, 没有返工。

采取以上措施后, 在指导地铁盾构快速掘进时, AG T -1取得优于5s 定向精度所需要的时间, 最快不到1h , 耗时仅为原来的几分之一。高效率带来了大的经济效益:

1) 可以在需要定向的时候, 随时去完成定向工作, 不需要再费时去测定仪器常数等, 特别能够适应快速掘进的要求;

2) 两个人使用一台仪器, 可以承担多处的定向测量任务, 大大提高仪器的利用率和延长仪器的使用寿命, 节省人工费、仪器折旧费和时间;

3) 不需要占用井筒, 定向现场不需要其他工种停工, 大大减少停工损失, 以地铁定向为例, 一次定向减少的停工损失就超过数十万元(可迅速收回成本) ;

4) 由于定向测量减少的停工损失, 将使整个工期缩短多天, 加快了建设进度, 效益很可观;

5) 对于远程炮和导弹等利用高精度自动陀螺经纬仪进行定向的武器而言, 快速和高精度是提高首发命中率, 打击敌人保存自己的关键。

以上可见, 采用AGT -1定向, 无论是定向精度、效率还是效益, 都是用非自动陀螺经纬仪等无法比拟的。价格高昂的高精度自动陀螺经纬仪通常只用于海底隧道、打数十千米的长隧道和精度要求特别高的贯通以及用于远程导弹运载车的定向等。矿山和地铁可不用高精度自动陀螺经纬仪, 贯通也可以达到要求, 但是, 采用自动陀螺经纬仪特别是高精度自动陀螺经纬仪, 关键在高效率、高效益。高精度仪器可以采用本文的方法达到最高效率, 这也许是3　将现有仪器改造成为高精度自动陀螺经

纬仪

　　目前, 我国民用自动陀螺经纬仪和高精度自动陀螺经纬仪没有批量生产。市场上原有一种精度为6s 、报价为180万元的国外仪器, 现在也没有了。拥有AGT -1这种高精度自动陀螺经纬仪的单位寥寥无几。以上措施对于非自动陀螺经纬仪虽然也可参考使用, 但是, 最好的办法是将用户已经拥有的非自动陀螺经纬仪改造成为高精度自动陀螺经纬仪。不管是国产的还是进口的, 新的或旧的, 只要仪器是好的或能够修好的, 能够达到一定精度的都可以改制。

研究中曾用现代电子与信息技术对2台GAK -1和4台JT15陀螺经纬仪进行修复并对其光、机、电路等方面进行改造, 用掌上电脑进行控制, 分别做出了优于±5s 和优于±10s 的高精度自动陀螺经纬仪。改造好的仪器中, 最长的已经使用12年(出厂已达24年) , 有两台出厂已达17年, 其余的也都完好, 说明陀螺经纬仪的寿命还是很长的。仪器改造后, 就等于购置了一台新的自动陀螺经纬仪。显然, 仪器的价值立即增值5～10倍, 身价百万。北京城建勘测设计研究院于2004年购买一台AGT -1, 使用一年后, 深受其益, 又联系将一台老GAK -1送来改造。

我国各类矿山和隧道施工单位拥有GAK -1与JT15等非自动陀螺经纬仪不下数百台, 如果有半数以上的仪器能够改造成为高精度自动陀螺经纬仪, 则不但充分利用了资源, 还将使我国高精度自动陀螺经纬仪的拥有量和应用水平迅速提高到国际先进水平, 更会给使用单位带来很大的经济效益。正如AGT -1的使用报告和经济效益证明中指出的:“AGT -1用于北京地铁定向(与用GAK -1比较) , 一条地铁线路要作40～50次定向, 节省的停工损失费超过1000万元; 如果全国的地铁都用该仪器定向, 经济效益不可估量。”

当然也可以购买AGT -1。由于该仪器具有自主知识产权, 技术成熟, 生产性能好, 可靠性高, 价格

仅为进口仪器的几分之一, 大型铁(公) 路工程局、矿山都有能力购置, 并且能够很快收回成本。

4　进一步提高测量工作效率, 定位定向一起做

作者研制了一种AFS -1自动陀螺快速定位定向系统, 如图2所示, 它是由掌上电脑控制的自动陀,

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±8s ) 、2s 、电子全站仪(GPS 选件) 和专用快速定位定向软件等构成的系统。也具有只需要摆一次仪器, 后视一个已知坐标点上的反射棱镜就能够迅速确定电子全站仪的三维坐标并立即开始电子全站仪所能够进行的所有工作的优异性能。在地铁盾构掘进、矿井和隧道测量、矿山紧急救援、大型船舰舱内设备安装的精确定位定向, 城市街区的地籍测量等测量工作中能高效率地工作。仪器样机已经在深圳、广州、北京等地的地铁和过黄河顶管工程中应用4年多。如果将优于5s 的高精度自动陀螺与1s 的电子全站仪结合起来, 构成高精度自动陀螺快速定位定向系统。这就是AFS -2, 是一种比较理想的仪器, 样机正在制造中

。

人工记录, 也已经被电子自动记录取代。人们的观念也已经逐渐接受了这些进步。新仪器的出现, 势必要有适应新仪器的工作规程和规范。

建议更多试用AGT -1高精度自动陀螺经纬仪, 取得更多的数据和经验。在适当的时候修订陀螺定向规程, 增加自动陀螺经纬仪定向部分, 增加建室内标准方向和提高自动陀螺经纬仪定向效率的相关条款。

6　结束语

基于14年来自动陀螺经纬仪的研制、使用经验和我国的实际情况, 建议通过购买新型国产AGT -1高精度自动陀螺经纬仪和将用户拥有的非自动陀螺经纬仪改造成为比原来精度和效率更高的自动陀螺经纬仪, 并在使用规程中写入高效率的定向测量方法, 使我国自动陀螺经纬仪的生产、装备和使用水平迅速提高到国际先进水平, 为矿山、地铁、公路、铁路网的建设提供强有力的测量保障并加快建设步伐。

参考文献

[1]D TM .. Operato r ' s Guide G YROM A T 2000.

图2　AFS -1在深圳地铁盾构掘进中应用

[2]于来法. 关于陀螺经纬仪定向中漂移问题的研究[J ]. 测

绘学报, 1987, 16(1) .

[3]H . Heister . 自动陀螺经纬仪的比较. FIG 19th Con -gress , Helsinki F inland , 1990.

5　修订规程

正如电子全站仪取代光电测距仪一样, 目前已

经很少用光电测距仪了。过去测量规程严格要求的

[责任编辑:陈　克]

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经主办单位同意、主管部门批准, 2006年《测绘工程》增加第二主办单位中国测绘学会, 刊

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