陀螺經緯儀校準系統精確對中方法探討

付永杰

(中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

陀螺經緯儀是一種利用慣性自主尋北的儀器，其原理為：根據地球自轉角速度的北向分量，自動地尋找并且跟蹤地理北向，從而實現地面點方位角的精確測量[1]。陀螺經緯儀與傳統的北向儀器(如陀螺羅經和磁羅盤等)相比，具有全天候使用、機動性強、自主定向精度高、定向速度快、操作簡單方便、便于攜帶等優勢。陀螺經緯儀從結構上可分為兩類：一類是將陀螺儀架在經緯儀或全站儀上面，稱為上架式陀螺經緯儀；另一類是將陀螺儀安裝在經緯儀或全站儀下部，稱為下掛式陀螺經緯儀。陀螺經緯儀按照尋北誤差可分為三級：誤差在±5 ″以內為高精度；誤差在±5″至±30 ″之間為中等精度；誤差大于±30 ″為低精度[2]。隨著定向測量技術的不斷發展，陀螺經緯儀的應用也越來越廣泛，對其定向精度的要求也越來越高[3]。

在建立陀螺經緯儀校準系統時，首先要建立方位角基準，一般采用平行光管或者自準直平面鏡作為北向方位角設備，確定方位角基準與真北的夾角。使用方位角基準校準陀螺經緯儀時，需使被校準陀螺經緯儀中心位置安放與天文定向時的觀測中心位置重合(即在同一基準方向上)，然后用被校準陀螺經緯儀瞄準方位角基準，并讀數，計算陀螺經緯儀儀器常數和尋北誤差。

陀螺經緯儀對中時，實際存在三個中心：陀螺經緯儀對點器中心、經緯儀中心、地面標志中心。對于上架式陀螺經緯儀來說，陀螺經緯儀對中誤差就相當于經緯儀的對中誤差。對于下架式陀螺經緯儀來說，陀螺經緯儀的對中誤差來源包括：①陀螺經緯儀自帶對點器的對中誤差；②陀螺經緯儀對點器的偏心度[4]。在對陀螺經緯儀的校準過程中，陀螺經緯儀中心與天文定向時的觀測中心的對中精度，直接影響其尋北精度[3]。

傳統的對中方法主要有：垂球對中法、光學對點器對中法、激光對點器對中法、對中桿對中法和強制對中法等。其中，垂球對中法誤差約為±2 mm；對中桿對中法誤差約為±1 mm。激光對點器和光學對點器經過嚴格檢校后，對中誤差約為±0.5 mm。采用固定螺絲的強制對中法誤差最小，一般可控制在± 0.1 mm左右[5-6]。

由于以上傳統對中方法中，只使用單個平行光管，而單個平行光管的目標無法放置于無窮遠，且自準直平面鏡無法安置在無窮遠，因此難以減小對中誤差，使得尋北的精度無法提高。針對此問題，本文提出了基于雙目標的高精度對中方法，設計了與之匹配的陀螺經緯儀位置調整機構，并通過實驗驗證此方法的準確性。

1 雙目標對中法原理

為了實現被檢陀螺經緯儀中心與天文定向時的觀測中心高精度對中，提出了利用兩個平行光管的雙目標精確對中方法。所設計的陀螺經緯儀校準系統如圖1所示。

圖1 陀螺經緯儀校準系統示意圖

該系統采用雙目標結構，將兩個1 m平行光管沿著縱向分布，固定在成180°的兩個基巖墩上，通過平行光管調整機構，將對稱分布的兩個平行光管產生的無窮遠目標十字分劃板中心目標點、陀螺經緯儀安裝調整座中心調整到一條直線上，然后鎖緊，作為兩個北向基準。在校準陀螺經緯儀時，通過觀測兩個平行光管精確找到中心，原理如圖2所示。

圖2 雙目標法精確對中原理圖

利用雙目標法，使陀螺經緯儀與天文定向時的觀測中心精確對中。這種校準方法無需設計陀螺經緯儀高精度對中機構，只需在定向中心附近增加滿足陀螺經緯儀安裝和調整的機構即可。為此設計了可實現陀螺經緯儀水平二維位移調整和高低姿態調整的機構。該機構可將陀螺經緯儀中心位置調整到與天文定向時的觀測中心位置高精度重合。同時，該機構可以滿足不同型號陀螺經緯儀安裝要求，適用范圍廣，通用性好。陀螺經緯儀對中機構包括水平位移調整機構、豎直位移調整機構、豎直支撐架等，如圖3所示。水平位移和豎直位移的調整范圍可根據被校準的陀螺經緯儀進行設計，調整量可由測微螺紋進行控制，調整后的角度偏差不超過1″。

圖3 陀螺經緯儀對中機構整體結構圖

2 對中誤差對方位角測量精度影響分析

進行陀螺經緯儀儀器常數校準時，在檢定工作臺上安裝被校陀螺經緯儀后，陀螺經緯儀的激光對點器與經緯儀中心鉛垂線有時會有偏差，該偏差會影響方位角測量結果。下面分析對中誤差對方位角測量精度的影響[7-8]。將已知的方位邊方向定義為y軸，其垂直方向定義為x軸，建立直角坐標系，如圖4所示。

圖4 對中誤差對定向測量影響圖

當δx=δ時，對方位邊定向測量影響最大，此時，有

(1)

式中：α為實際觀測的方位邊與已知方位邊之間的偏差角度；D為距離；δ為對中誤差；對中誤差在x軸和y軸方向的分量分別為δx和δy。

由式(1)可知，偏差角度與方位邊的距離長度成反比。偏差角度與對中誤差δ成正比。所以，想要減小偏差角度引起的誤差，最有效的方法就是盡量增大方位邊長度，或者盡量減小對中誤差。但是在實際工作中，受測試環境條件限制，方位角邊長不可能無限長，因此，為了提高方位角的測量精度，需盡量減小方位邊上對中誤差δ。表1列出了部分距離下，方位邊上對中誤差δ所引起的方位角偏差值。

表1 對中誤差δ所引起的方位角偏差值

從表1可以看出，只有在目標足夠遠或對中誤差足夠小的情況下，方位角的偏差才會小。

3 實驗驗證

利用雙目標法，使用高精度的電子經緯儀進行實驗驗證，設瞄準誤差為1″，經緯儀的十字分化寬度為0.1 mm，則光管目標至經緯儀的當量距離可估算為

(2)

可根據角度偏差計算調整量。經緯儀經二次中心調整后的結果如表2所示。

表2 經緯儀經二次中心調整后的結果

從調整過程看，無需精確控制調整量，就能很快將經緯儀調整到既定的位置上。如果瞄準精度能夠得到提高，則中心定位精度就可獲得進一步提高。由此可見，陀螺經緯儀校準中利用雙目標法，成功實現了陀螺經緯儀中心與天文定向時的觀測中心精確對中，提高了測量結果的準確性。

4 結束語

提出了用兩個平行光管進行雙目標測量，實現高精度對中的雙目標精確對中法。該方法解決了傳統對中方法中只使用單個平行光管導致的精度局限性問題，可使陀螺經緯儀中心位置與天文定向的觀測中心位置高精度重合，且具有目標偏心修正功能，成功提高了陀螺經緯儀北向方位角測量精度，使陀螺經緯儀校準更加準確。設計了陀螺經緯儀對中調整機構，通過該機構可以方便快捷的調整陀螺經緯儀的水平位移和垂直位移，節約操作時間。且此機構能夠滿足不同型號陀螺經緯儀的安裝要求，通用性好，可廣泛應用于陀螺經緯儀的校準領域。