陀螺全站儀基線場建立及儀器常數測定

喻永平，孟兆新

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東廣州510060；2.黑龍江省康橋工程技術服務有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

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陀螺全站儀基線場建立及儀器常數測定

喻永平1，孟兆新2

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東廣州510060；2.黑龍江省康橋工程技術服務有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

陀螺全站儀是一種將陀螺儀和全站儀合成一體的用于定向測量的儀器，利用陀螺儀兩個物理特性(定軸性和進動性)及地球自轉對它的影響，能夠在緯度70度范圍內的任何地方迅速得出真北方向或任意目標的真方位角。陀螺全站儀被廣泛應用在隧道內或其它封閉環境條件下的方向測定，包括建筑、導航、測繪、礦山、地鐵、森林及海洋等部門的定向測量。

陀螺全站儀是一種精密儀器，受到儀器自身結構以及外界環境等影響，需要定期進行儀器常數的測定，保證陀螺儀測量精度。國內已經正式發布了《陀螺經緯儀檢定規程》 CH/T 4016-2010，本文結合陀螺全站儀特點，建立了陀螺儀基線場，可定期進行陀螺儀儀器常數的測定。

1陀螺全站儀基線場建立內容和要求

陀螺全站儀是一種精密儀器，陀螺全站儀受環境影響較大，為了測定陀螺全站儀常數和檢核陀螺北方向測量的精度，需要定期進行儀器常數的測定。陀螺儀基線場建立內容包括：

1)設置穩定的儀器檢校平臺，包括測站點和觀測點設置要穩定可靠；

2)方位角基線檢校場網型優化設計；

3)方位角基線檢校場的測定；

4)陀螺儀常數周期性測定。

方位角基線檢校場建立要求如下：

1)測站點和觀測點要求。測站點要求穩定，最好為強制對中裝置；觀測點目標要穩定、清晰，距測站點在300~500 m左右。

2)方位角基線檢校場網型設計。方位角基線檢校場網型須可靠，確保精度。

3)方位角檢校場的精度。陀螺全站儀一次定向標準偏差優于±8 s，要求方位角檢驗場的測量精度為±3 s。

陀螺儀基線場的建立綜合考慮上述要求，進行場地選取、基線場網圖優化設計以及方位角檢校場的測定。

2陀螺全站儀基線場建立過程

2.1　陀螺儀基線場網圖設計與優化

在綜合考慮測站點和觀測點要求、方位角檢校場精度和便于陀螺儀儀器常數測定的前提下，經實地踏勘，選取了室內點作為測站點，室外300~500 m距離的穩定目標點作為觀測點，選點示意圖如圖1所示。

圖1　基線場選點示意圖

基線場網圖經反復優化設計，確定在我院樓頂西面設置過渡點GX12，利用院樓頂1個四等GPS點(規劃院北)和舊樓9樓頂的觀測墩點(強制觀測墩GX9，為四等GPS點精度)作為已知點進行測量，并且測量了2個CORS點作為已知點，確定如圖2所示觀測網。

圖2　基線場觀測圖

在圖2中，確定7個測站的方向測量值和15個距離測量值。

7個測站的觀測方向：

規劃院北至G2，G3，G1，M1，GX12；

M1至規劃院北，Y2，Y1，GX12，G1，G3，G2，GX9；

M2至規劃院北，Y2，Y1，GX12，G5，G4；

GX9至G2，G3，G1，M1；

Y1至G2，G3，M2，G4，G5，G1，M1；

Y2至G2，G3，M2，G4，G5，G1，M1；

GX12至M1，G2，G3，M2，G4，G5，規劃院北，G1。

15個距離測量值：

M1至Y2，Y1，G1，G3，G2；

M2至Y2，Y1，G5，G4，GX12；

G1至G2，G1至G3，G2至G3，規劃院北至GX12,GX9至GX12。

2.2　方位角檢校場外業測量及數據處理

1)M1，M2點CORS測量。利用天寶R8儀器和我院已有的CORS測量系統，在該2點上進行精密RTK測量，確定M1和M2點坐標。

2)強制觀測墩點(GX9)測量。采用GPS靜態測量，在GX9點上用GPS靜態測量4 h，與3個GZCORS基準站點構網解算GX9點的坐標。該點三維約束平差后，3個GZCORS基準站和樓頂GX9點所構成的網最弱邊相對精度為3.18 ppm，其邊長為7 129.135 8 m(WUSH-GX9)；GX9平面位置精度為±2.60 cm，大地高精度為±4.74 cm，成果滿足四等網要求。

3)邊角測量。方位基線測量網采用了我院最新購置的TM30精密測量儀器進行了邊角測量，角度測量2測回，邊長測量2測回。

邊長G1至G2，G1至G3，G2至G3采用殷鋼尺進行丈量。

2.3　方位基線測量網的平差計算

對于基線方位測量網，以M1，M2，規劃院33樓頂的RTK檢測點(規劃院北GB)、樓頂的強制觀測墩點(GX9)作為起算點進行平差計算，采用ADJNET網平差軟件進行平差計算，平差驗后方向值方差 MD0=±1.66 s，最弱點(Y1、Y2)中誤差為：MX=±0.34 cm，MY=±0.31 cm，M=±0.46 cm。滿足了方位角檢驗場±3 s測量精度的要求。

2.4　基線方位夾角檢測

采用TM30，TCA2003，T2，TOPCON3102，蘇光J2和蘇光2 s全站儀6種儀器對基線方位夾角進行了檢測，每種儀器觀測3測回，6種儀器已知點方位角測量值見表1、表2、表3所示。

表1　已知點方向值

表2　TM30，TCA2003，T2 3種儀器測量值

表3　topcon3102，蘇興J2、蘇光2 s測量值

通過表1、表2、表3數據比較可以得知，6種儀器(TM30，TCA2003，T2，TOPCON3102，蘇光J2和蘇光2 s全站儀)測量的方向值與成果方向值較差值最大為+5.2 s(J2儀器)，滿足3 s精度的方位角的夾角檢測要求(限差為2*1.414*3=8.5 s)，其中TM30，TCA2003，T2，蘇光2 s全站儀儀器測量的夾角符合較好，較差在±3.0 s以內。

3陀螺儀基線場應用

3.1　陀螺全站儀儀器常數測量原理

用陀螺儀測量的陀螺方位角為該點的真北方位，轉換為坐標方位角αa要考慮儀器常數Δ和子午線收斂角γa。

(1)

式中：αa為坐標方位角，αTa為定向邊陀螺方位角(真北方位)，Δ為儀器常數，γa為子午線收斂角。

子午線收斂角為真北方位與坐標X軸的夾角γa=αTa-αa，點位在X軸右側子午線收斂角為正值，點位在X軸左側子午線收斂角為負值，見圖3所示。

圖3　子午線收斂角計算示意圖

對式(1)進行變換，儀器常數計算式如下：

(2)

在I點上測出I→J邊陀螺方位角αTa，根據I、J坐標計算I→J邊坐標方位角αa和I點的子午線收斂角，按式(2)即可計算出儀器常數。

3.3　測量結果

為檢驗已建方位基線場的精度和可靠性，項目組對國內NTS-341T陀螺全站儀進行常數測定，共檢測了5條基準方位角：Y1→G1,Y1→G2,Y1→G3,Y1→G4,Y1→G5。上、下午各觀測一組數據(4測回)，比較測定的儀器常數的符合性。

上午儀器常數的測定，最大最小值差4.4 s，常

數平均值-60.1 s；下午儀器常數的測定，最大最小值差7.2 s，常數平均值-62.0 s。上、下午測定的儀器常數互差為1.9 s，說明陀螺儀測量穩定，基線方位精度高。

該陀螺儀常數為上、下午測量的平均值-61.0 s，儀器常數測定精度為±2.5 s。

4結論與建議

本文完成了室內方位角基線場建立和陀螺儀的儀器常數測量，其中室內方位角基線場有2個測點(Y1和Y2)，10個基線方位，方位精度為±3 s，滿足設計要求，通過對陀螺全站儀進行儀器常數測定，儀器常數為-61.0 s，儀器常數測定精度為±2.5 s。

陀螺儀基線場建立和儀器常數測定是工程測量中經常需要面對的問題。本文結合我院陀螺全站儀特點，在參考《陀螺經緯儀檢定規程》基礎上，建立了陀螺儀基線場，可定期進行陀螺儀儀器常數的測定，保證陀螺儀測量精度。該方法可為國內其他擁有陀螺全站儀的生產單位提供參考。

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[責任編輯：王文福]

摘要：陀螺全站儀是一種精密儀器,在工程測量中有廣泛應用。文中通過布設陀螺儀基線場，利用TM30高精度測量機器人測定基線場邊長和角度，并進行網平差計算，獲取該基線場方位角精度，可定期進行陀螺儀儀器常數的測定，為國內其他擁有陀螺全站儀的生產單位提供參考。

關鍵詞：陀螺全站儀;基線方位角;儀器常數;子午線收斂角

The baseline field establishing and instrument constant measuring of gyro total stationYU Yong-ping1，MEN Zhao-xin2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China; 2.Heilongjiang Kangqiao Engineering Technology and Service Co.Ltd.,Harbin 150090,China)

Abstract：Gyroscope is a precision instrument.This paper sets up a gyroscope baseline field,which measures the baseline field edges and angles by using TM30 high precision measurement of the robot.And the network adjustment computation is used to obtain the baseline field azimuth accuracy,which can be the regular gyro instrument constant measuring,and provide a reference for other domestic with gyro total station instrument production unit.

Key words：gyro station;baseline azimuth instrument constant;meridian convergence

作者簡介：喻永平(1979-),男，漢族，博士，研究員，研究方向:GNSS技術和精密工程測量

收稿日期：2014-09-25;修回日期：2015-04-06

中圖分類號：P258；P24

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2015)12-0072-03