GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪寻北关键技术及其应用研究

石 震

长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安710054

陀螺全站仪是一种通过敏感地球自转角动量，能独立、无依托测定任意方向真北方位角的惯性定向仪器，在国防和国民经济建设领域发挥着不可或缺的重要作用，被广泛应用于导弹发射、阵地联测及矿山、地铁、隧道等大型地下工程贯通测量中。本文以我国自主研发的GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪定向系统为研究对象，对磁悬浮支承体系下陀螺定向系统的结构设计、寻北关键技术、采样数据特征及工程应用问题进行了研究，主要研究内容与结果如下：

（1）提出并推导了静态模式下的陀螺寻北理论模型。在测绘领域常用的陀螺全站仪（经纬仪）利用悬挂带使陀螺灵敏部处于单自由度的悬挂状态，在地球自转效应的影响下实现绕子午线往复摆动，通过观测摆动周期或测量摆动逆转点位置实现寻北定向；本文在大量试验、研究、分析悬挂带陀螺的寻北运动规律的基础上，提出了一种通过施加反向力矩的方式对陀螺的摆动运动进行干预，使陀螺灵敏部在反向力矩和地球指向力矩的共同作用下达到力矩平衡，在此静态平衡状态下，通过对反向力矩的测量，并根据陀螺敏感力矩与角位移的关系M＝H×ωecosφsinα，从而实现系统的静态模式寻北。

（2）根据GAT磁悬浮陀螺全站仪的静态寻北原理及其系统结构特征，提出并设计了针对陀螺灵敏部寻北状态的实时模拟仿真程式。磁悬浮陀螺全站仪在静态寻北模式下，其寻北观测位置（力矩平衡位置）固定，通过观测力矩器定、转子电流值即可求解陀螺平衡位置的敏感力矩值M＝kIRIS，而采集一组定、转子观测数据即可计算出一个敏感力矩值Mi，一个敏感力矩值则对应一个角位移αi。GAT磁悬浮陀螺全站仪每一个寻北测回（8min）将独立采集4万组定、转子电流，据此可获得4万个独立陀螺方位角。因此陀螺定、转子电流观测值反映了系统瞬时的寻北状态，对每个瞬时数据状态的监控则可控制测回寻北数据质量。本文设计并实现了对GAT磁悬浮陀螺灵敏部寻北状态的实时监测及原始数据的分类存储，并编制仿真软件对陀螺寻北过程实时模拟。

（3）提出并设计了逐次多位置粗寻北技术方案，实现了磁悬浮陀螺在近北位置的高精度寻北测量，提高了定向效率。根据磁悬浮陀螺寻北理论模型，陀螺在近北方向进行寻北定向测量可有效缩短回转时间，提高陀螺采样数据质量和寻北定向精度；磁悬浮陀螺借助于回转系统，在多个平衡位置进行寻北数据采集，根据每一个寻北位置的采样数据推算与真北方位的角位移量，并以此作为下一次回转的目标位置，这样通过多位置采集寻北数据和多次回转，使寻北平衡位置逐渐逼近真北方位，最终实现陀螺近北方向的小角度高精度寻北；与此同时，该技术方案放宽了对初始架设方位条件的限制，实现了全位置架设，提高了磁悬浮陀螺全站仪的适应能力与定向效率。

（4）针对双位置精寻北技术方案，推导了南北两对向位置回转寻北定向测量的误差模型并进行仪器系统优化。针对磁悬浮陀螺的寻北力矩模型，深入分析其在4个寻北对称位置敏感力矩的情况，认为在相差180°的两个盘位采集的转子观测数据具有很强的相关性，可通过双位置采集数据并进行差分的方法有效减弱或消除采样数据中包含的常数性系统误差，提高仪器的绝对寻北精度。

（5）在磁悬浮陀螺全站仪应用方面，在对子午线收敛角及陀螺仪器常数两个重要定向参量分析的基础上，结合GAT磁悬浮陀螺全站仪系统结构特点，提出了基于度盘配置仪器常数补偿的陀螺定向新方法，并通过试验证实了该方法的可操作性，在一定程度上提高陀螺定向测量的工作效率；

（6）设计并实现了基于高精度基准数据网的陀螺全站仪绝对寻北精度和相对稳定性的评价方法，并采用该方法分别对GAT磁悬浮陀螺全站仪和Gyromat2000陀螺全站仪的寻北精度和稳定性指标进行实际评价，结果表明：该方法可以客观真实地反映陀螺全站仪的寻北精度指标且具有一定的普适性。

（7）对陀螺在相关地学领域中的应用进行了探讨，提出并推导了利用磁悬浮陀螺仪监测地球自转参数变化的基本理论模型，并以磁悬浮陀螺为例对该理论模型及其可行性进行了分析、试验，研究结果表明目前利用陀螺仪监测地球自转参数在理论上是可行的，实际应用尚需进一步提高陀螺仪测量分辨率。