陀螺全站仪在矿山测量方面的运用及精度分析

谢 平　刘元志

摘 要：陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起用作定向的仪器，它是利用高速旋转的陀螺具有指北的特性来实现定向的。其使用不受时间和环境的限制，同时观测简单，效率高，又能保证较高的定向精度，是一种比较先进的定向仪器。陀螺全站仪的操作技术和环境是影响其测量精度的重要因素，因此探讨保证陀螺全站仪定向精度的测量措施具有一定的实际意义。

关键词：陀螺全站仪；矿山测量；逆转点法；定向精度

超深越界检查的主要技术手段是对开采巷道的测量，目前巷道测量主要是利用全站仪进行井下导线测量将地面坐标系统引入井下。在对立井联系测量及高精度的定向方面，需要利用陀螺仪定向的方式引入坐标系统。陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起的先进定向仪器，其不受时间和环境的限制，同时观测简单，效率高，又能保证较高的定向精度的特性使陀螺全站仪在地下矿井测量中得到广泛应用。

1 概述

陀螺全站仪是利用陀螺仪本身的特性及地球自转影响，实现自动寻找真北方向和测定任意方位的精密定向仪器。湖南省大部分矿井规模较小，在建立小型矿井联系测量时，由于其井田面积小，一翼较短且井筒直径小，巷道低矮，故进行立井几何定向困难，井下导线测量误差因素增加。陀螺全站仪在立井联系测量和井下导线测量中，能较大提高方位测量精度。

2 陀螺仪的定向方法

高速旋转的陀螺仪，在地球自转作用下，能在真北方向附近产生往、返摆动。这种摆动是阻尼运动，而且以真北方向为摆动的平衡位置。根据此特性，陀螺全站仪在精确的定向观测中，通常采用“逆转点法”和“中天法”进行。

2.1 逆转点法定向

所谓逆转点是指陀螺转子摆动曲线上那些摆动方向发生反转位置的点。逆转点法的定向原理是利用全站仪照准部连续地跟踪摆动着的陀螺转子，并在光标线的多个左、右逆转点处记录下全站仪水平度盘的读数。将这些水平度盘读数取苏勒平均值，从而可以求得真北方向在度盘上对应读数的位置，定出真北方向。

2.2 中天法定向

中天法定向，是通过对陀螺仪轴运转的观测，先确定近似北方向，再连续读记摆动的指标线（陀螺轴）反复经过分划线板零线时的时间，和到达东、西逆转点时的水平度盘读数，经计算获得近似北方向的改正数，进而确定测站真北方向。

3 陀螺全站仪精度分析

陀螺全站仪定向时产生的误差来源与观测方法有关。在实际测量中，我们一般采用跟踪逆转点法来进行陀螺定向时，其操作步骤为：在精度较高的已知点上测定仪器常数，在定向边上测出陀螺方位角。引起跟踪逆转点法误差的因素很多，要将整个陀螺定向时各种影响因素都考虑进去。陀螺全站仪定向时的误差来源主要有以下几个方面：

（1）全站仪测定方向值的误差；（2）上架式陀螺仪与全站仪的连接误差；（3）悬挂带零位变动误差；（4）灵敏部摆动平衡位置的变动误差；（5）外界条件，如风流、气温及震动等因素的影响。

3.1 全站仪测定方向的误差

全站仪测定方向的误差包括：（1）对中整平误差 ；（2）全站仪测定方向值引起的定向误差 ；（3）逆转点观测确定陀螺北方向的误差，逆转点观测误差包括跟踪瞄准误差和读数误差。

3.2 陀螺仪与全站仪的连接误差

每次定向时都要把陀螺仪与全站仪进行连接，拆装再连接必然要造成方向误差。

3.3 悬挂带零位变动误差

悬挂带对陀螺摆动系统的指向起阻碍作用，在观测时采用跟踪的方法可以消除悬挂带扭力的大部分影响。悬挂带材料的力学性质的优劣、陀螺运转造成的升温、外界气候的变化以及摆动系统的机械锁紧和释放等因素的影响，均会引起零位变动。

3.4 灵敏部摆动平衡位置的变动误差

影响摆动平衡位置变动的主要因素是：电源电压频率的变化引起角动量的变化，灵敏部内部温度的变化引起重心位移以及由于温度升降造成悬挂带和导流丝的形变等因素，都会造成平衡位置的变动。

3.5 外界条件，如风流、气温及震动等影响

这些条件的影响程度较为复杂，无法精确测定，在实际测量中必须尽量选择好的外界条件，降低此类因素对测量精度的影响。

4 通过分析得出测量措施

为了解陀螺全站仪定向测量的方法以及精度影响情况，笔者通过选择一个固定测站，选择一固定方向为已知方位，通过利用“逆转点法”反复实验来确定真北方向，并探求真北方向的定向精度，以及怎样来提高定向精度等。

实验发现，在逆转点法定向中，跟踪操作和外界条件是影响定向精度的主要因素。为了尽可能减少这些非仪器因素对定向精度的影响，在实际操作过程中应注意以下的措施：（1）测量时外界条件应是天气晴好无风，仪器安置稳定，精确对中整平，测站无振动。（2）经粗略定向后，将全站仪安置在大致陀螺北方向上，最大偏差应小于60′，慢慢放下陀螺房，把摆幅控制在10′～60′之间，即相邻转点之间的读数差，以利于跟踪测量。（3）跟踪测量逆转点时，应注意由于水平微动速率引起的悬带扭矩的变化率，故全站仪水平微动应均匀、稳健，与摆动方向一致。在跟踪过程中，光标线超前或滞后零位的偏差小于0.5格，随着摆速的减慢，微动的速度要均匀减小，并尽量重合，直至逆转点。在未到逆转点时，禁止反向微动，以免产生不必要的隙动和悬带扭矩，影响定向精度。（4）对逆转点读数中值的要求。假设逆转点读数误差为，它主要由跟踪瞄准光标线的误差和全站仪角值的读数误差组成，即

由此看出，再增加逆转点对提高中值的精度作用不大，故通常观测5～7个逆转点即可。

同样，根据苏勒平均值计算公式，可求得因观测而产生的相邻的中值之差的中误差为：

考虑到以上测量措施，经多次逆转点法跟踪测量，如果相邻的中值之差不大于±5″，则认为观测读数是准确的，仪器在短时间内是稳定的，没有显著的突变发生。而仪器时间观测的稳定性及系统性的漂移规律，则可以由较长时间的连续观测结果的分析来确定。逆转点中值的变化过程是一个由开机的初期到稳定期的变化过程，且具有一定的周期性。稳定期从开机后的20min左右开始，大约2h后进入衰减。分析稳定期内的16个中值，得中值中误差为=±3.4″。

这个中值误差与一个中值的中误差=±3.1″十分接近，可见仪器在开机20min以后工作稳定，无系统性漂移因素。此外，在实际测量中，也应开机一段时间后再进行观测，有利于进一步提高定向精度。

5 结语

在实际测量中，合理地使用陀螺全站仪，能提高井下测量的工作效率。同时利用陀螺全站仪对矿井开采巷道的精确测量，建立矿山井下巷道分布数据库，对矿山的实时监控带来极大的便利，也有利于各级部门对矿井的地下开采情况进行有效管理。

参考文献

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