陀螺逆转点法定向及精度评定（内容全面）

隧道或井巷工程测量导线布设的形式因受巷道形状的制约，若单纯采用改变导线布设形式或提高测角次数与精度等方法，往往难以满足工程施工对于测量的精度要求。陀螺经纬仪是测量井下导线边方位角、提高测量精度的重要仪器。尤其是在贯通测量中陀螺经纬仪的应用非常广泛。贯通测量是一项十分重要的测量工作,必须严格按照设计要求进行。巷道贯通后,其接合处的偏差不能超过一定限度,否则就会给采矿工程带来不利影响,甚至造成很大的损失。本文对陀螺经纬仪工作原理介绍，以及陀螺经纬仪在贯通测量中的精度评定。陀螺经纬仪在不同领域的贯通测量工作中运用实例的分析，总结出在贯通测量导线加测陀螺定向边的最佳位置。

目 录
1 绪 论 1
1.1 陀螺定向的研究现状 1
1.2 研究陀螺定向的目的 1
1.3 陀螺定向的应用领域及发展趋势 2
2 陀螺经纬仪定向测量原理与方法 3
2.1 陀螺经纬仪的类型与结构 3
2.1.1 陀螺经纬仪定向的优点及应用领域 3
2.1.2 陀螺经纬仪的基本结构 3
2.1.3 陀螺经纬仪的类型 4
2.2 陀螺经纬仪定向的基本步骤 5
2.3 跟踪逆转点法测定陀螺方位角的作业过程 7
2.3.1 陀螺仪悬带零位观测 7
2.3.2 粗略定向 8
2.3.3 精密定向 9
3 陀螺定向的误差分析 13
3.1 陀螺定向的误差来源 13
3.2 陀螺定向在贯通测量中的精度评定 14
3.2.1 陀螺方位角一次测定中误差 14
3..2.2 一次定向中误差 14
3.3 陀螺定向在贯通测量中导线的平差 15
3.3.1 具有两条陀螺定向边导线的平差 15
3.3.2 具有三条陀螺定向边导线的平差 17
4 陀螺定向在贯通测量中的应用实例分析 20
4.1 陀螺定向在道路贯通测量中的应用实例分析 20
4.1.1 工程概况 20
4.1.2 陀螺定向技术 20
4.1.3 精度评定 22
4.1.4 工程分析 23
4.2 陀螺定向在矿山贯通测量中的应用实例分析 24
4.2.1 工程概况 24
4.2.2 陀螺定向技术 24
4.2.3 精度评定 26
4.2.4 工程分析 27
4.3 陀螺定向在水利贯通测量中的应用实例分析 27
4.3.1项目概况 28
4.3.2 陀螺定向技术 28
4.3.3 陀螺定向精度评定 29
4.3.4 坐标解算及成果对比分析 30
4.3.5 工程分析 35
5 结论 38
参考文献 40
致 谢 42

1 绪 论
1.1 陀螺定向的研究现状
陀螺仪可以确定真子午线方向,还可以测出运动物体的偏角、角速度及加速度。根据陀螺仪的基本原理 ,人们研制成功了许多种陀螺系统。这些陀螺系统在航海、航空、航天技术领域中被用于对船舶、飞机及航天飞行器进行导航在军事领域中陀螺仪被用做惯性制导系统的核心 在地球科学领域中陀螺仪被用来进行大地测及地理纬线的测量在地下工程施工领域。像地下资源开采、隧道施工人们借助陀螺仪进行定。随着人们对陀螺仪的认识水平、研究水平及制造水平的提高 ,陀螺仪的应用领域正在得到不断地拓展。目前陀螺仪及陀螺系统已在许多科学技术领域及产业部门得到广泛的应用。尤其是在做贯通测量的时候基本都利用陀螺经纬仪进行测量工作。由于陀螺经纬仪不受时间和环境的先知，它的观测简单方便、效率早，而且能保证较高的精。由于以前在贯通测量中都运用的是几何定向法非常耗费人力资源，所以现在陀螺定向在测量中的发展如日中天。尤其是在大型的贯通测量里，利用陀螺定向能确保很高精度，以免出现贯通失误，导致不必要的浪费。
1.2 研究陀螺定向的目的
由于陀螺经纬仪主要运用于贯通测量，所以研究陀螺定向在贯通测量中的应用是很有必要的。陀螺经纬仪系统性能良好,精度高。它是集光、机、电、算于一体,装调复杂的高技术产品。它能完全满足各种采矿工程定向测量精度的需要。按照以测角中误差来划分导线等级,基本控制导线分为7″和15″导线2种。对于一次启动陀螺定向误差为±7″的仪器,可实施导线起始边定向及附合导线或闭合导线终端的定向测量,也可实施一井或两井井下起始边的定向。使用陀螺经纬仪能有效减少常规几何定向时耗费大量人力、物力和占用井筒时间,降低成本,提高劳动生产率。还能控制随着环境的恶劣,井筒深度增加以及矿区的延伸发展,其定向精度的降低,大大提高井下平面控制的精度。用陀螺定向经纬仪可以为井下每一水平进行定向,控制导线测量方向误差的积累,校核导线测量中测角粗差,实施矿山及地下工程大型巷道贯通的定向。通过对陀螺定向的应用实例分析，来总结出陀螺边的最佳位置，尽量减小贯通误差。随着科技的发展,陀螺经纬仪与测距仪配合可以组成全站式定位系统。可以在矿区进行控制测量,尤其是在矿井内对有些已被移动或破坏的点位以及近井点可直接插点,进行补测、修测或复合,充分显示其优越性。陀螺经纬仪与GPS 配合,可以组成定位定向坐标体系,扩展水平控制网的测量。也可对隐蔽地区、待开发地区、困难地区等进行布测与施工。由于它不受时间和环境的限制,应用越来越广泛。
1.3 陀螺定向的应用领域及发展趋势
陀螺定向主要运用于贯通测量。主要运用于矿山、铁路、公路和水利工程等多方面。贯通工程 ,特别是大型贯通工程 ,关系到整个工程建设的质量,必须采取有效措施保证贯通工程有足够的测量精度。贯通工程中 ,从近巷点开始到工作面的测量数据的传递均是采用支导线形式 。支导线终点的横向误差 ,受测角误差和起始方位角误差传递的影响最为明显 ,选择合理的测量方法可大大降低测 角误差和起始方位角误差所引起的终点横向误差 。导线中加测陀螺定向边可以减少导线终点的横向误差这已成为定论 。陀螺定向边加在什么位置 ,加几条为宜 ,从而取得最优的成果 。
陀螺定向现在得到越来越多的应用，只是现在还处于发展阶段。在以后陀螺定向将会运用于各行各业。随着科技的发展,陀螺经纬仪与全站仪配合可以组成全站式定位系统。可以在矿区进行控制测量,尤其是在矿井内对有些已被移动或破坏的点位以及近井点可直接插点,进行补测、 修测或复合,充分显示其优越性。陀螺经纬仪与 GPS配合,可以组成定位定向坐标体系,扩展水平控制网的测量。也可对隐蔽地区、 待开发地区、 困难地区等进行布测与施工。由于它不受时间和环境的限制,应用越来越广泛。
研究陀螺定向在贯通测量中的应用，可以总结出选择陀螺定向边最佳位置的方法以减小定向误差，提高陀螺定向边的精度。从而提高贯通精度，避免造成不必要的工程损失。

2 陀螺经纬仪定向测量原理与方法
2.1 陀螺经纬仪的类型与结构
2.1.1 陀螺经纬仪定向的优点及应用领域
陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪结合的仪器。由于它不受时间和环境的限制，同时观测简单方便、效率高，而且能保证较高的定向精度，所以是一种先进的定向仪器。就矿山而言，它完全可以取代国内矿山测量沿用百年之久的几何定向法，克服了几何定向法要占用井筒而造成停产、耗费大量人力、物力和时间等特点。
陀螺经纬仪在矿山等地下测量工作中可用于：
（1）为井下每一水平进行定向。
（2）控制导线测量方向误差的积累。在导线测量工作中可以在适当地点加测一陀螺方位角，既可发现测量水平角的粗差，有可有效地减少方向误差的积累。
（3）矿山及地下工程大型巷道贯通定向
（4）在荫蔽地区，线路、管道、隧道等工程的定向
（5）与光电测距仪配套使用，可用极坐标法测设新点和敷设高精度的光电测距——陀螺定向导线
2.1.2 陀螺经纬仪的基本结构
目前上架悬挂式陀螺经纬仪的型号很多，在国际上比较有代表性的有GAK-1、Gi-C11、TK4等，我国则有JT15、FT90等。虽然在具体的结构上各有特点，但在总体结构上却基本类似，如图2.1所示。

悬挂式陀螺仪由以下几部分组成：
（1）灵敏部：包括悬挂带、导流丝、陀螺马达、陀螺房以及反光镜等；
（2）光学观测系统（用来观测和跟踪灵敏部的摆动）；
（3）锁紧限幅机构（用于陀螺灵敏部的锁紧好限幅）；
（4）陀螺仪外壳（用于防止外部磁场的干扰）。
经纬仪则比普通经纬仪增加了一个定位连接装置。陀螺电源由蓄电池组、充电器、逆变器等组成。
2.1.3 陀螺经纬仪的类型
1952年，法国物理学家傅科提出地球的自转会在陀螺仪上产生效应的设想：“无需进行任何天文观测或地磁观测，只要由陀螺仪观测就可以得出任何地点的子午线位置”。20世纪初研制成功陀螺罗盘作为航海导航仪器。20世纪50年代，研制成功液浮式矿用陀螺罗盘仪。20世纪60年代，在矿用陀螺罗盘仪的基础上发展成陀螺经纬仪，其中较大的改进是利用金属悬挂带把陀螺灵敏部置于空气中。在发展初期，将陀螺仪悬挂在经纬仪空心竖轴之下，悬挂带固定端与经纬仪的壳体相固联，称为下架式陀螺经纬仪。20世纪70年代，发展成将陀螺仪用专用桥式支架跨放，连接在经纬仪支架上，称为上架式陀螺经纬仪。上架式陀螺经纬仪的特点是体积小，重量轻，观测时间短，便于操作和携带，适用煤矿井下作业条件，而且陀螺仪取下后，经纬仪还可以单独作为测角仪使用。如瑞士威特厂的GAK-1，匈牙利莫姆厂的Gi-C11、德国芬奈厂的TK-4、中国矿业大学和徐州光学仪器总厂联合研制的JT15等，均属于这一类。
20世纪70年代后期，德国、瑞士、匈牙利、前苏联等国家把自动控制技术和电子计算机引进陀螺经纬仪，研制出自动化陀螺经纬仪。如德国的MW-77-Gyromat，瑞士的GG1型，匈牙利的Gi-B3、Gi-B11型，前苏联的MBII4型等。20世纪80年代，研制成数字化陀螺全站仪，它的特点是可以直接测定测线的方位角和待定点的坐标，敷设光电测距-陀螺定向导线，满足高精度工程测量的要求。如日本索佳的GP1就是这类仪器。
2.2 陀螺经纬仪定向的基本步骤
（1）在地面已知边上测定仪器常数
由于陀螺仪轴衰减微弱的摆动系数保持不变，故其摆动的平均位置可以认为是假想的陀螺仪轴的稳定位置。实际上，因为陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分划板零线所代表的光轴通常不在同一竖直面中，所以假想的陀螺仪轴的稳定位置通常不与地理子午线重合。二者的夹角称为仪器常数，一般用 表示。如果陀螺仪子午线位于地理子午线的东边， 为正；反之，则为负。

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