谈陀螺仪在竖井定向测量中精度问题
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【摘要】本文分析探讨了陀螺经纬仪在竖井矿山中的实施应用，并就如何提高陀螺经纬仪定向效率的方法提出了几点意见，以供同行参考
前言：
所谓矿井定向测量就是把地面的方向、座标通过竖并（或斜井、平恫传递到井下，作为整个井下平面测量系统的基础，保证地面和井下用同一个座标系统进行计算和绘图，并解决各项采矿工程问题。矿井定向测量又称井上下的平面联系测量，它是一项十分重要的测量工作，关系到正确合理的开拓与回采，又关系到矿山的安全。
陀螺经纬仪（全站仪）是一种不受外界条件限制，可以全天候独立测定真北方位的精密定向仪器，主要用于指导煤矿井下陀螺定向、地铁以及大型隧道的贯通等定向工作。其观测成果的精度除了与仪器自身精度、观测者的观测水平和操作熟练程度有关外，还受计算的影响。陀螺定向测量由2个过程完成：井上测定仪器常数，井下测定陀螺边坐标方位角。一般井上工作就是用陀螺全站仪测定某一边的陀螺方位角，理想情况下，陀螺轴摆动的平衡位置应和测站真子午线方向一致，此时陀螺方位角即为地理方位角。但是由于陀螺轴、全站仪视准轴和陀螺仪目镜光轴不在同一竖直面内，因此，陀螺全站仪测定的陀螺方位角和地理方位角存在一个差值，该差值即为仪器常数，可通过地面已知边坐标方位角和陀螺方位角的计算求出，而陀螺方位角即为地面已知点测线方向值与陀螺子午线方向和零位改正值的差值。零位改正值反映了陀螺全站仪在整个测量过程中的稳定性，一般情况下很小可以忽略，但是某些情况下必须进行改正，以保证测量结果的可靠性。
一、陀螺经纬仪在竖井矿山中的应用
过去，矿山地面控制网的起算边方位角多用夭文定向方法测定，竖井定向测量采用在井筒中悬挂钢丝悬锤的几何定向方法。有的通过一个竖井悬挂两根钢丝悬锤的单井几何定向法（图1），有的通过二个竖井悬挂钢丝悬锤的两井几何定向法，用来实现地面和井下的联系侧量，使其达到坐标系统的统一这种几何定向的方法要占用井筒，影响生产，作业效率低，定向设备繁杂笨重，由于井筒内气流及滴水对钢丝悬锤的影响，使钢丝失去平衡，对定向精度影响很大。特别是单井定向，通过一个井筒下放两根钢丝悬锤，其间距非常短，精度更差。在进行深井定向时，更为困难，当井深在500米以上时，根据实验资料看，钢丝悬锤的摆动不再符合简谐运动规律，投点误差很大，从而引起的投向误差也很大，定向时即使加倍细心作业，也难得到满意的结果。
图1 几何定向法单井定向
使用陀螺经纬仪代替传统的几何定向，上述问题不再存在。陀螺经纬仪定向不占用井筒，故不影响生产。目前使用的陀螺经纬仪全套仪器重量约20公斤，只需3-4人协同作业，一冰定向用30分钟左右，提高工作效率几十倍。
二、陀螺经纬仪定向的实施
用陀螺经纬仪定向，就是利用陀螺仪的自动寻北的特性，定出真北方向，然后根据给定的测线方位角定出测线的方向。用陀螺经纬仪进行洞内定向测量的主要工作内容有：在地面上的已知导线上测量仪器常数；在洞内待定边上测定该边的陀螺方位角；计算子午线收敛角及待定边的坐标方位角；定向精度评定。
三、提高陀螺经纬仪定向效率的方法
1、经常测定仪器常数，测前、测后不必去野外测定仪器常数
陀螺经纬仪的仪器常数E定义为天文方位角与陀螺经纬仪读数设备读出的方位角之差。
当仪器在一个测区使用时，用来测定常数的已知边的天文方位角是不变的。陀螺经纬仪读出的方位角值则主要与仪器的结构参数是否变化以及定向测量误差有关。经常与固定边比测，确知仪器常数是否变化，在室内建立一条高精度的固定边，经常与该边比测。使固定边的方位角误差很小。高精度已知边是由带有强制对中的室内仪器墩A和室内或室外永久性固定的照准目标B所构成的固定边AB，仪器墩上安置陀螺经纬仪。照准目标可以是照准误差特小的特别绘制的小型标志或固定目标，也可以采用平行光管。室内测定常数的应用。对于范围不大的地区，长度不超过1 km，可以不考虑子午线收敛角改正，直接采用该常数值。但在不同纬度、地区使用时，要重新测定仪器常数。减少定向的测回数一个测回测定精确的初定向方向，接着一个测回作定向。定向结果的精度可以达到优于5 s。在测量现场解决所有问题。减少定向前的等待时间为解决从冷处到热处测量时，水蒸气在陀螺经纬仪表面结露问题，可以将仪器保管在一个带超温保护的恒温箱中，设定的温度比定向现场的温度略高，在现场就不必等待。减少现场风流环境处理和协调工作的等待。
2、 将现有仪器改造成为高精度自动陀螺经纬仪
目前，我国民用自动陀螺经纬仪和高精度自动陀螺经纬仪没有批量生产。市场上原有一种精度为6 s、报价为180万元的国外仪器，现在也没有了。拥有AGT-1这种高精度自动陀螺经纬仪的单位寥寥无几。以上措施对于非自动陀螺经纬仪虽然也可参考使用，但是，最好的办法是将用户已经拥有的非自动陀螺经纬仪改造成为高精度自动陀螺经纬仪。不管是国产的还是进口的，新的或旧的，只要仪器是好的或能够修好的，能够达到一定精度的都可以改制。
我国各类矿山和隧道施工单位拥有GAK-1与JT15等非自动陀螺经纬仪不下数百台，如果有半数以上的仪器能够改造成为高精度自动陀螺经纬仪，则不但充分利用了资源，还将使我国高精度自动陀螺经纬仪的拥有量和应用水平迅速提高到国际先进水平，更会给使用单位带来很大的经济效益。
3、进一步提高测量工作效率，定位定向一起做
当前，有学者研制了一种AFS-1自动陀螺快速定位定向系统，它是由掌上电脑控制的自动陀螺经纬仪（JT15改造而成，一次定向的标准偏差为±8 s）、2 s、电子全站仪（GPS选件）和专用快速定位定向软件等构成的系统。也具有只需要摆一次仪器，后视一个已知坐标点上的反射棱镜就能够迅速确定电子全站仪的三维坐标并立即开始电子全站仪所能够进行的所有工作的优异性能。在地铁盾构掘进、矿井和隧道测量、矿山紧急救援、大型船舰舱内设备安装的精确定位定向，城市街区的地籍测量等测量工作中能高效率地工作。
4、修订规程
正如电子全站仪取代光电测距仪一样，目前已经很少用光电测距仪了。过去测量规程严格要求的人工记录，也已经被电子自动记录取代。人们的观念也已经逐渐接受了这些进步。新仪器的出现，势必要有适应新仪器的工作规程和规范。在适当的时候修订陀螺定向规程，增加自动陀螺经纬仪定向部分，增加建室内标准方向和提高自动陀螺经纬仪定向效率的相关条款。
参考文献：
[1] 孙允武。陀螺仪在竖井定向测量的应用[J]。吉林水利。2007。7（2）：37-
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[2] 张学庄.提高陀螺经纬仪定向效率的方法[J]。测绘工程。2006。15（1）：1-5.
[3] 孙建国。陀螺仪在矿山测量中的应用[J]。青海科技。2010。5（1）：39-41。