陀螺定向内业分析与处理研究

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摘要：为了提高陀螺定向内业数据处理的效率，提高计算的准确度，本文利用VB对陀螺定向内业数据处理进行程序设计，并利用已测数据进行检验，最终得到稳定可用的陀螺内业处理系统。

关键词：陀螺定向；数据处理；系统研究；

中图分类号：V241.5 文献标识码：A 文章编号：

0前言

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，它的应用领域正在得到不断的拓展。。陀螺仪定向以其精度高、速度快、效率高、不占用井筒时间等特点早已被广泛地应用于矿山、城市、交通、森林等工程测量中。然而若能较熟悉地进行陀螺仪定向的观测，合理的对测量所得数据进行分析与处理，就能多、快、好传省地完成测量工作。传统的数据处理方法数据量大，费时、费力、容易出错，所以陀螺定向内业处理系统的研究很重要。

1陀螺经纬仪的工作原理

高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2陀螺仪内业数据处理方法

2.1 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坂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。可按下式求出仪器常数： (2-1)

2.2 在井下定向边上测定陀螺方位角

井下定向边的长度应大于50m, 则定向边的地理方位角A为： A= (2-2)

2.3 仪器上井后重新测定仪器常数

仪器上井后，应在已知边上重新测定仪器常数2—3次。前后两次测定的仪器常数，互差应小于。然后求出仪器常数的最或值，并按白塞尔公式来评定一次测定中误差。式中n为测定仪器常数的次数。

2.4 求算子午线收敛角

一般地面精密导线边或三角网边已知的是坐标方

位角，需要求算的井下定向边，也是要求出其坐标方位角。而不是地理方位角A。因此还需要求算子午线收敛角。

地理方位角和坐标方位角的关系为：

（2-3）

子午线收敛角γ0的符号可由安置仪器点的位置来确定，即在中央子午线以东为正，以西为负；其值可根据安置仪器点的高斯平面坐标求得。

2.5 求算井下定向边的坐标方位角

由式（2-1）（2-2）可得： （2-4）

井下定向边的坐标方位角则为： （2-5）

式中——仪器常数的平均值。

若将式（2-4）之仪器常数值代入上式，则可写出：（2-6）

其中，表示地面和井下安置陀螺仪地点的子午线收敛角的差数，可按下式求得：（2-7）

式中的单位为s；；为

当地的纬度；和为地面和井下定向点的横坐标（km）。

3 程序设计

3.1 VB6.0简介

“Visual”的意思是“可视的”，指的是开发图形用户界面的方法，使用者不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，而只要把预先建立的对象放到屏幕上即可。“可视的Basic”听起来可能抽象了点，但实际上它确是最形象的叫法，用户只要看到它的界面就会明白，实际上无需编程，就可以完成许多编程步骤。

3.2 子午线收敛角的计算

子午线收敛角的计算公式如下：（3-1）

式中以分为单位，点的横坐标，系数，以坐标x为引数由表查去系数

部分程序代码为：

Private Sub Command1_Click()

x = Text1.Text

y = Text2.Text

Select Case x \ 100

Case 1

k = 0.0085 + 0.000085 * (x - 100)

Case 2

k = 0.017 + 0.000085 * (x - 200)……………

例如：将坐标x=4595840.392,y=21519302.075带入程序计算显示如下：

图1角计算

Fig.1Angle Calculation

3.3 仪器常数及其中误差

在井上，仪器常数是通过测线地理方位角与测线陀螺方位角计算得出

其公式为：（3-2）

一般在井上仪器常数都要观测3-6次并求其平均数得出井下定向时的仪器常数

求仪器常数一测回中误差的公式为：（3-3）

部分程序代码为：

T = Round((Left(xlsheet.Cells(6, 2), 3) + Mid(xlsheet.Cells(6, 2), 5, 2) / 60 + Mid(xlsheet.Cells(6, 2), 8, 2) / 3600 + xlsheet.Cells(8, 2) / 60), 4)

xlsheet.Cells(10, 2) = T

dt = T - xlsheet.Cells(5, 7)

du = Int(dt)

fen = (dt - du) * 60

miao = (fen - Int(fen)) * 60

xlsheet.Cells(5, 10) = "" + CStr(du) + "," + CStr(Int(fen)) + "," + CStr(Int(miao))

Label7.Caption = "" + CStr(du) + "°" + CStr(Int(fen)) + "′" + CStr(Int(miao)) + "″"

以 测线陀螺方位角4次测得分别为、、、为例求得仪器常数及其平均值中误差程序显示如下：

图2仪器常数及中误差计算

Fig.2 Equipment and constant calculation error

3.4 井下定向边坐标方位角

求井下定向边坐标方位角的公式为： （3-4）

井下陀螺定向边一测回中误差为：（3-5）

其中是定向边一测回的陀螺方位角的差值

井下陀螺定向边两测回平均值中误差：

（3-6）

一次定向中误差为： （3-7） 部分程序代码为：

zb = xlsheet.Cells(22, 3) + xlsheet.Cells(23, 3) - xlsheet.Cells(25, 3) / 60xlsheet.Cells(26, 3) = zb

du = Int(zb)

fen = (zb - du) * 60

miao = (fen - Int(fen)) * 60

以定向边1-2 x1=4595263.849 y1=21518681.721为例显示如下：

图3陀螺方位角计算

Fig.3 Gyro-azimuth calculation

4 结论

随着陀螺定向技术的不断发展以及各种先进的陀螺经纬仪相继问世，使得陀螺定向的外业操作更加方便、快捷，大大地提高了工作效率，同时定向精度更加准确。伴随计算机技术的不断成熟和各种高级的计算机设计语言的不断涌现，促使陀螺定向内业处理自动化成为可能。目前，还没有现成的陀螺定向内业处理系统可以利用，为此，本设计采用Visual Basic 6.0语言来完成陀螺定向内业处理系统的研发，最后得出如下几点结论：

1）简单地说明了陀螺经纬仪的发展和分类。

2）详细地阐述陀螺经纬仪的工作原理，以及陀螺定向外业数据采集和内业数据处理的基本流程。

3）在手工计算的基础上，用Vb6.0编写内业处理程序（子午线收敛角的计算，仪器常数及其平均中误差，井下定向边陀螺方位角及其中误差，井下定向边坐标方位角及其平均中误差，测线方向中误差等）。特别是将外业手簿的观测数据输入Excel并在Excel中进行简单计算，然后导入程序进行处理，使内业处理过程简单化，非专业人员也可操作使用。

4）用具体工程实例验证程序算法和模型的准确性和可靠性，可以应用到具体的工程实践中，可以减轻内业数据处理的工作量。

由于毕业设计时间较短，程序主题计算部分已经完善，但对一个系统而言还是不完整的，有时间或条件允许，可为其完善图形输出和报告成果的自动生成以及对相应界面的完善。

参考文献：

[1] 郭秀中.惯导系统陀螺仪理论[M].北京:国防工业出版社,2001.

[2] 刘长星.陀螺经纬仪定向原理[D].西安:西安科技大学测量工程系,2006.

[3] 张国良.陀螺经纬仪定向[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.

[4] 田春婷,王丽娜.visual basic 程序设计综合教程[M].北京:化学工业出版社,2007.

[5] 张立科.visual basic 程序设计与开发技术大全[M].北京:人民邮电出版社,200