陀螺全站儀在礦山測(cè)量方面的運(yùn)用及精度分析

謝 平　劉元志

摘 要：陀螺全站儀是將陀螺儀和全站儀結(jié)合在一起用作定向的儀器，它是利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有指北的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)定向的。其使用不受時(shí)間和環(huán)境的限制，同時(shí)觀測(cè)簡(jiǎn)單，效率高，又能保證較高的定向精度，是一種比較先進(jìn)的定向儀器。陀螺全站儀的操作技術(shù)和環(huán)境是影響其測(cè)量精度的重要因素，因此探討保證陀螺全站儀定向精度的測(cè)量措施具有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：陀螺全站儀；礦山測(cè)量；逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法；定向精度

超深越界檢查的主要技術(shù)手段是對(duì)開(kāi)采巷道的測(cè)量，目前巷道測(cè)量主要是利用全站儀進(jìn)行井下導(dǎo)線測(cè)量將地面坐標(biāo)系統(tǒng)引入井下。在對(duì)立井聯(lián)系測(cè)量及高精度的定向方面，需要利用陀螺儀定向的方式引入坐標(biāo)系統(tǒng)。陀螺全站儀是將陀螺儀和全站儀結(jié)合在一起的先進(jìn)定向儀器，其不受時(shí)間和環(huán)境的限制，同時(shí)觀測(cè)簡(jiǎn)單，效率高，又能保證較高的定向精度的特性使陀螺全站儀在地下礦井測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

1 概述

陀螺全站儀是利用陀螺儀本身的特性及地球自轉(zhuǎn)影響，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找真北方向和測(cè)定任意方位的精密定向儀器。湖南省大部分礦井規(guī)模較小，在建立小型礦井聯(lián)系測(cè)量時(shí)，由于其井田面積小，一翼較短且井筒直徑小，巷道低矮，故進(jìn)行立井幾何定向困難，井下導(dǎo)線測(cè)量誤差因素增加。陀螺全站儀在立井聯(lián)系測(cè)量和井下導(dǎo)線測(cè)量中，能較大提高方位測(cè)量精度。

2 陀螺儀的定向方法

高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀，在地球自轉(zhuǎn)作用下，能在真北方向附近產(chǎn)生往、返擺動(dòng)。這種擺動(dòng)是阻尼運(yùn)動(dòng)，而且以真北方向?yàn)閿[動(dòng)的平衡位置。根據(jù)此特性，陀螺全站儀在精確的定向觀測(cè)中，通常采用“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法”和“中天法”進(jìn)行。

2.1 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法定向

所謂逆轉(zhuǎn)點(diǎn)是指陀螺轉(zhuǎn)子擺動(dòng)曲線上那些擺動(dòng)方向發(fā)生反轉(zhuǎn)位置的點(diǎn)。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法的定向原理是利用全站儀照準(zhǔn)部連續(xù)地跟蹤擺動(dòng)著的陀螺轉(zhuǎn)子，并在光標(biāo)線的多個(gè)左、右逆轉(zhuǎn)點(diǎn)處記錄下全站儀水平度盤的讀數(shù)。將這些水平度盤讀數(shù)取蘇勒平均值，從而可以求得真北方向在度盤上對(duì)應(yīng)讀數(shù)的位置，定出真北方向。

2.2 中天法定向

中天法定向，是通過(guò)對(duì)陀螺儀軸運(yùn)轉(zhuǎn)的觀測(cè)，先確定近似北方向，再連續(xù)讀記擺動(dòng)的指標(biāo)線（陀螺軸）反復(fù)經(jīng)過(guò)分劃線板零線時(shí)的時(shí)間，和到達(dá)東、西逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)的水平度盤讀數(shù)，經(jīng)計(jì)算獲得近似北方向的改正數(shù)，進(jìn)而確定測(cè)站真北方向。

3 陀螺全站儀精度分析

陀螺全站儀定向時(shí)產(chǎn)生的誤差來(lái)源與觀測(cè)方法有關(guān)。在實(shí)際測(cè)量中，我們一般采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法來(lái)進(jìn)行陀螺定向時(shí)，其操作步驟為：在精度較高的已知點(diǎn)上測(cè)定儀器常數(shù)，在定向邊上測(cè)出陀螺方位角。引起跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法誤差的因素很多，要將整個(gè)陀螺定向時(shí)各種影響因素都考慮進(jìn)去。陀螺全站儀定向時(shí)的誤差來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：

（1）全站儀測(cè)定方向值的誤差；（2）上架式陀螺儀與全站儀的連接誤差；（3）懸掛帶零位變動(dòng)誤差；（4）靈敏部擺動(dòng)平衡位置的變動(dòng)誤差；（5）外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動(dòng)等因素的影響。

3.1 全站儀測(cè)定方向的誤差

全站儀測(cè)定方向的誤差包括：（1）對(duì)中整平誤差 ；（2）全站儀測(cè)定方向值引起的定向誤差 ；（3）逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)確定陀螺北方向的誤差，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)誤差包括跟蹤瞄準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差。

3.2 陀螺儀與全站儀的連接誤差

每次定向時(shí)都要把陀螺儀與全站儀進(jìn)行連接，拆裝再連接必然要造成方向誤差。

3.3 懸掛帶零位變動(dòng)誤差

懸掛帶對(duì)陀螺擺動(dòng)系統(tǒng)的指向起阻礙作用，在觀測(cè)時(shí)采用跟蹤的方法可以消除懸掛帶扭力的大部分影響。懸掛帶材料的力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣、陀螺運(yùn)轉(zhuǎn)造成的升溫、外界氣候的變化以及擺動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械鎖緊和釋放等因素的影響，均會(huì)引起零位變動(dòng)。

3.4 靈敏部擺動(dòng)平衡位置的變動(dòng)誤差

影響擺動(dòng)平衡位置變動(dòng)的主要因素是：電源電壓頻率的變化引起角動(dòng)量的變化，靈敏部?jī)?nèi)部溫度的變化引起重心位移以及由于溫度升降造成懸掛帶和導(dǎo)流絲的形變等因素，都會(huì)造成平衡位置的變動(dòng)。

3.5 外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動(dòng)等影響

這些條件的影響程度較為復(fù)雜，無(wú)法精確測(cè)定，在實(shí)際測(cè)量中必須盡量選擇好的外界條件，降低此類因素對(duì)測(cè)量精度的影響。

4 通過(guò)分析得出測(cè)量措施

為了解陀螺全站儀定向測(cè)量的方法以及精度影響情況，筆者通過(guò)選擇一個(gè)固定測(cè)站，選擇一固定方向?yàn)橐阎轿唬ㄟ^(guò)利用“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法”反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定真北方向，并探求真北方向的定向精度，以及怎樣來(lái)提高定向精度等。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法定向中，跟蹤操作和外界條件是影響定向精度的主要因素。為了盡可能減少這些非儀器因素對(duì)定向精度的影響，在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)注意以下的措施：（1）測(cè)量時(shí)外界條件應(yīng)是天氣晴好無(wú)風(fēng)，儀器安置穩(wěn)定，精確對(duì)中整平，測(cè)站無(wú)振動(dòng)。（2）經(jīng)粗略定向后，將全站儀安置在大致陀螺北方向上，最大偏差應(yīng)小于60′，慢慢放下陀螺房，把擺幅控制在10′～60′之間，即相鄰轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的讀數(shù)差，以利于跟蹤測(cè)量。（3）跟蹤測(cè)量逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意由于水平微動(dòng)速率引起的懸?guī)ぞ氐淖兓剩嗜緝x水平微動(dòng)應(yīng)均勻、穩(wěn)健，與擺動(dòng)方向一致。在跟蹤過(guò)程中，光標(biāo)線超前或滯后零位的偏差小于0.5格，隨著擺速的減慢，微動(dòng)的速度要均勻減小，并盡量重合，直至逆轉(zhuǎn)點(diǎn)。在未到逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，禁止反向微動(dòng)，以免產(chǎn)生不必要的隙動(dòng)和懸?guī)ぞ兀绊懚ㄏ蚓取＃?）對(duì)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)中值的要求。假設(shè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)誤差為，它主要由跟蹤瞄準(zhǔn)光標(biāo)線的誤差和全站儀角值的讀數(shù)誤差組成，即

由此看出，再增加逆轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)提高中值的精度作用不大，故通常觀測(cè)5～7個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)即可。

同樣，根據(jù)蘇勒平均值計(jì)算公式，可求得因觀測(cè)而產(chǎn)生的相鄰的中值之差的中誤差為：

考慮到以上測(cè)量措施，經(jīng)多次逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法跟蹤測(cè)量，如果相鄰的中值之差不大于±5″，則認(rèn)為觀測(cè)讀數(shù)是準(zhǔn)確的，儀器在短時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，沒(méi)有顯著的突變發(fā)生。而儀器時(shí)間觀測(cè)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)性的漂移規(guī)律，則可以由較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)結(jié)果的分析來(lái)確定。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)中值的變化過(guò)程是一個(gè)由開(kāi)機(jī)的初期到穩(wěn)定期的變化過(guò)程，且具有一定的周期性。穩(wěn)定期從開(kāi)機(jī)后的20min左右開(kāi)始，大約2h后進(jìn)入衰減。分析穩(wěn)定期內(nèi)的16個(gè)中值，得中值中誤差為=±3.4″。

這個(gè)中值誤差與一個(gè)中值的中誤差=±3.1″十分接近，可見(jiàn)儀器在開(kāi)機(jī)20min以后工作穩(wěn)定，無(wú)系統(tǒng)性漂移因素。此外，在實(shí)際測(cè)量中，也應(yīng)開(kāi)機(jī)一段時(shí)間后再進(jìn)行觀測(cè)，有利于進(jìn)一步提高定向精度。

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際測(cè)量中，合理地使用陀螺全站儀，能提高井下測(cè)量的工作效率。同時(shí)利用陀螺全站儀對(duì)礦井開(kāi)采巷道的精確測(cè)量，建立礦山井下巷道分布數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)礦山的實(shí)時(shí)監(jiān)控帶來(lái)極大的便利，也有利于各級(jí)部門對(duì)礦井的地下開(kāi)采情況進(jìn)行有效管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 章書壽等.工程測(cè)量學(xué).北京水利水電出版社.

[2] 陳建華，潘慶林，趙仲榮.Wild GAK1—T2陀螺全站儀定向的研究.

[3] 張國(guó)良. 《陀螺全站儀定向》.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.

[4] 胡嘉權(quán).陀螺全站儀在礦山貫通測(cè)量中的應(yīng)用[J].2011.

[5] 張學(xué)莊.提高陀螺經(jīng)緯儀定向效率的方法[J]. 測(cè)繪工程，2006，15（1）：1-5.