陀螺精密定向测量影响因素分析_蒙恬.pdf

2023年第1期蒙恬：陀螺精密定向测量影响因素分析陀螺精密定向测量影响因素分析蒙恬（西安铁路职业技术学院，陕西 西安710000）摘要：文章主要对影响陀螺精密定向测量的各个因素进行分析，重点分析了周期性和非周期性振动环境对陀螺精密定向测量的影响，为实际工程中提高陀螺精密定向测量提供参考依据。关键词：陀螺定向测量；影响因素；振动Abstract:The paper mainly analyzes the factors affecting the precision directional measurement of gyroscopes,and focuses on the influence of periodic and non-periodic vibration environments on the precision directionalmeasurement of gyroscopes,to provide a reference for improving the precision directional measurement ofgyroscopes in engineering.Key words:gyro orientation measurement；influencing factors；vibration中图分类号 U666.12+3文献标识码 A 文章编号1004-5538（2023）01-0031-020引言在测绘工程中，尤其是矿山、隧道、输水隧洞等需要进行贯通测量的工程中，通常需要精确的测定测线的方位角，以保证顺利地实现贯通。陀螺精密定向测量，是一种全天候、全天时可以独立测定测线真北方位角的方法，可以解决地下长导线测量过程中的误差积累，增加外部附和条件。陀螺全站仪、陀螺经纬仪是用于陀螺精密定向测量的仪器设备，主要由全站仪或经纬仪和陀螺仪结合而成。但由于地下环境通常较为恶劣，如高压、高湿、振动、视线遮蔽等，陀螺全站仪或者经纬仪的测量精度会直接受到外界环境的影响，如不加以控制，通常难以达到设备标称精度。下文主要对影响陀螺精密定向测量的各个因素进行分析，为实际工程中提高陀螺精密定向测量提供参考依据。1陀螺精密定向测量影响因素由于陀螺全站仪是一种高度集成，通过感知地球自转确定真北方位的精密设备，通过陀螺全站仪进行精密定向受到诸多因素影响，主要包括环境的温度、气压、纬度、振动等因素。温度和气压等气象条件的影响主要包括两个方面，首先是温度和气压会影响全站仪测量精度，其次是温度变化会影响陀螺仪内部元器件的稳定性。因此在实际测量中，如果精度要求较高，需要进行气象观测，有针对性的对测量结果进行气象改正。温度变化对陀螺仪内部元器件的稳定性影响，主要是由于陀螺转子是完全密封于陀螺全站仪内部陀螺房内的，随着陀螺仪的工作，转子高速旋转，必然会产生热量造成陀螺内部温度上升，对陀螺精密定向产生影响。相关研究表明，温度变化对陀螺仪内部影响较大，通常通过陀螺仪制造工艺进行改进。陀螺仪转子需要在结构设计上完全对称，这样有利于在陀螺仪升温时，总体重心位置保持相对稳定，减小漂移量。陀螺仪马达要采用永磁无刷直流马达，交流马达升温较大，会造成重心位置的变化过大，而永磁无刷直流马达具备升温小、性能稳定、效率高的特点，可以提高陀螺精密定向测量的精度和稳定性。对于纬度对陀螺定向测量的影响，陀螺仪敏感地球自转角速度的水平分量，通常纬度越低，测量精度相对越高，但其在仪器标称纬度范围内均应满足标称精度，所以，考虑到陀螺全站仪标称的工作纬度最大可达到南北纬80 之间，地理纬度对陀螺试验研究基金项目：干扰环境下陀螺精密定向测量数据处理研究（21JK0859）。31-2023年第1期仪定向测量的影响不大。主要影响体现在外部因素，如地理纬度不同时，整平误差对陀螺定向测量的影响如表1所示。蒙恬：陀螺精密定向测量影响因素分析表1不同纬度对定向方位的影响纬度/010202530354045505560657075方位误差/01.93.94.96.17.48.910.612.615.218.422.729.139.6从表1中可见，纬度越大，整平误差对陀螺定向测量的影响越大，高纬度地区的整平不当造成的误差可能会远超陀螺全站仪的标称精度，所以在高纬度工程中，需要随时关注整平状态，如发现异常，要及时整平补测，以免影响测量精度。2振动对陀螺精密定向测量的影响对于振动对陀螺定向测量的影响，同样有陀螺仪内部由于工艺或装配原因造成的不对称振动和外界环境的干扰性振动两种情况，文章主要考虑外界振动的两种情况，一种是周期性的振动对陀螺全站仪定向测量的影响，如测量环境中的发电机、风机等连续工作振动源影响。另一种情况是非周期性的振动，如行驶经过测站的汽车、人的走动、风引起的振动等。图1、2和3为某型号陀螺全站仪的两个相差180 位置的陀螺定向测量观测情况下，陀螺马达的转子电流值分布情况。（1）无干扰性振动情况由图1可见，转子电流分布均匀，无明显起伏波动，受到传感器电流探测分辨率影响，单方位的转子电流在一定范围内的波动，形成较为稳定的区间。两个方位的电流分布范围基本平行分布，显示外界环境较为平稳，无干扰性振动，此时的陀螺定向测量精度是较高的。（2）周期性振动情况由图2可见，两个方位的转子电流均存在明显的周期性波动，波动较为规律，同样保持在一定的波动范围内。另外，从图中可见两个方位的测量结果没有明显的非周期性突变，这种情况下，由于陀螺测量在两个相差180 的方位上进行测量，通过平均后可抵消周期性振动影响，基本不影响精密陀螺定向测量结果，也可以得到较高的测量精度。（3）非周期性振动情况由图3可见，两个方位中的一个方向的测量结果受到了明显的外部干扰，产生了电流的突变，这种不均衡的非周期性振动会造成陀螺转子电流突变，影响采集到的定向测量数据，因此需要重新观测或者通过数据处理的手段剔除粗差数据，保证观测数据的准确性。3结语文章对陀螺精密定向测量的影响因素进行了分析，分析结果显示，外界环境的振动对陀螺定向测量的影响分两种情况。一种情况是周期性振动情况，另一种情况是非周期性的突发振动情况，在实际工作环境中，重新观测会带来更多的工作量，影响工作效率，考虑到陀螺定向测量采集数据量较大情况，在外界观测条件基本正常，存在个别突发扰动的情况下，完全可以通过数据处理的手段剔除观测值中的粗差，提高陀螺定向测量精度，后续将进行深入研究。作者：蒙恬（1990-），女，研究生，讲师，工程测量专业。（编辑：王冬林）（收稿日期：2022-11-28）图1无外界干扰振动陀螺转子电流分布图2周期性干扰振动陀螺转子电流分布图3非周期性干扰振动陀螺转子电流分布试验研究32-