GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀尋北關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究

石 震

長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安710054

陀螺全站儀是一種通過敏感地球自轉(zhuǎn)角動量，能獨立、無依托測定任意方向真北方位角的慣性定向儀器，在國防和國民經(jīng)濟建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的重要作用，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射、陣地聯(lián)測及礦山、地鐵、隧道等大型地下工程貫通測量中。本文以我國自主研發(fā)的GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀定向系統(tǒng)為研究對象，對磁懸浮支承體系下陀螺定向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、尋北關(guān)鍵技術(shù)、采樣數(shù)據(jù)特征及工程應(yīng)用問題進行了研究，主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：

（1）提出并推導(dǎo)了靜態(tài)模式下的陀螺尋北理論模型。在測繪領(lǐng)域常用的陀螺全站儀（經(jīng)緯儀）利用懸掛帶使陀螺靈敏部處于單自由度的懸掛狀態(tài)，在地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響下實現(xiàn)繞子午線往復(fù)擺動，通過觀測擺動周期或測量擺動逆轉(zhuǎn)點位置實現(xiàn)尋北定向；本文在大量試驗、研究、分析懸掛帶陀螺的尋北運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種通過施加反向力矩的方式對陀螺的擺動運動進行干預(yù)，使陀螺靈敏部在反向力矩和地球指向力矩的共同作用下達到力矩平衡，在此靜態(tài)平衡狀態(tài)下，通過對反向力矩的測量，并根據(jù)陀螺敏感力矩與角位移的關(guān)系M＝H×ωecosφsinα，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)模式尋北。

（2）根據(jù)GAT磁懸浮陀螺全站儀的靜態(tài)尋北原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，提出并設(shè)計了針對陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實時模擬仿真程式。磁懸浮陀螺全站儀在靜態(tài)尋北模式下，其尋北觀測位置（力矩平衡位置）固定，通過觀測力矩器定、轉(zhuǎn)子電流值即可求解陀螺平衡位置的敏感力矩值M＝kIRIS，而采集一組定、轉(zhuǎn)子觀測數(shù)據(jù)即可計算出一個敏感力矩值Mi，一個敏感力矩值則對應(yīng)一個角位移αi。GAT磁懸浮陀螺全站儀每一個尋北測回（8min）將獨立采集4萬組定、轉(zhuǎn)子電流，據(jù)此可獲得4萬個獨立陀螺方位角。因此陀螺定、轉(zhuǎn)子電流觀測值反映了系統(tǒng)瞬時的尋北狀態(tài)，對每個瞬時數(shù)據(jù)狀態(tài)的監(jiān)控則可控制測回尋北數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文設(shè)計并實現(xiàn)了對GAT磁懸浮陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實時監(jiān)測及原始數(shù)據(jù)的分類存儲，并編制仿真軟件對陀螺尋北過程實時模擬。

（3）提出并設(shè)計了逐次多位置粗尋北技術(shù)方案，實現(xiàn)了磁懸浮陀螺在近北位置的高精度尋北測量，提高了定向效率。根據(jù)磁懸浮陀螺尋北理論模型，陀螺在近北方向進行尋北定向測量可有效縮短回轉(zhuǎn)時間，提高陀螺采樣數(shù)據(jù)質(zhì)量和尋北定向精度；磁懸浮陀螺借助于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在多個平衡位置進行尋北數(shù)據(jù)采集，根據(jù)每一個尋北位置的采樣數(shù)據(jù)推算與真北方位的角位移量，并以此作為下一次回轉(zhuǎn)的目標位置，這樣通過多位置采集尋北數(shù)據(jù)和多次回轉(zhuǎn)，使尋北平衡位置逐漸逼近真北方位，最終實現(xiàn)陀螺近北方向的小角度高精度尋北；與此同時，該技術(shù)方案放寬了對初始架設(shè)方位條件的限制，實現(xiàn)了全位置架設(shè)，提高了磁懸浮陀螺全站儀的適應(yīng)能力與定向效率。

（4）針對雙位置精尋北技術(shù)方案，推導(dǎo)了南北兩對向位置回轉(zhuǎn)尋北定向測量的誤差模型并進行儀器系統(tǒng)優(yōu)化。針對磁懸浮陀螺的尋北力矩模型，深入分析其在4個尋北對稱位置敏感力矩的情況，認為在相差180°的兩個盤位采集的轉(zhuǎn)子觀測數(shù)據(jù)具有很強的相關(guān)性，可通過雙位置采集數(shù)據(jù)并進行差分的方法有效減弱或消除采樣數(shù)據(jù)中包含的常數(shù)性系統(tǒng)誤差，提高儀器的絕對尋北精度。

（5）在磁懸浮陀螺全站儀應(yīng)用方面，在對子午線收斂角及陀螺儀器常數(shù)兩個重要定向參量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合GAT磁懸浮陀螺全站儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，提出了基于度盤配置儀器常數(shù)補償?shù)耐勇荻ㄏ蛐路椒?，并通過試驗證實了該方法的可操作性，在一定程度上提高陀螺定向測量的工作效率；

（6）設(shè)計并實現(xiàn)了基于高精度基準數(shù)據(jù)網(wǎng)的陀螺全站儀絕對尋北精度和相對穩(wěn)定性的評價方法，并采用該方法分別對GAT磁懸浮陀螺全站儀和Gyromat2000陀螺全站儀的尋北精度和穩(wěn)定性指標進行實際評價，結(jié)果表明：該方法可以客觀真實地反映陀螺全站儀的尋北精度指標且具有一定的普適性。

（7）對陀螺在相關(guān)地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了探討，提出并推導(dǎo)了利用磁懸浮陀螺儀監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)參數(shù)變化的基本理論模型，并以磁懸浮陀螺為例對該理論模型及其可行性進行了分析、試驗，研究結(jié)果表明目前利用陀螺儀監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)參數(shù)在理論上是可行的，實際應(yīng)用尚需進一步提高陀螺儀測量分辨率。