陀螺尋北儀快速定向劃線裝置的設計

李垚奇，古云鶴，馬世虎，王黨席，董平江

(陜西省地震局，西安 710068)

陀螺尋北儀快速定向劃線裝置的設計

李垚奇，古云鶴，馬世虎，王黨席，董平江

(陜西省地震局，西安 710068)

隨著科學技術發(fā)展，高精度電子羅盤、陀螺尋北儀等定向設備的小型化、實用化、便攜化，也使之在地震臺站儀器定向畫線上的使用成為可能，在一些實際應用中也取得了較好效果。但由于陀螺尋北儀定向畫線方法仍然比較原始，就導致了在實際應用中出現(xiàn)定向效率不高等問題。通過設計輔助裝置，優(yōu)化陀螺尋北儀的定向畫線方法，可以大大提高陀螺尋北儀的定向畫線效率。

陀螺尋北儀；定向；輔助裝置

0 引言

測震儀器的精確定向，對于地震觀測資料的分析應用具有重要意義。目前很多測震臺站儀器架設中均采用羅盤定向，由于羅盤確定的方向為磁子午線的方向，與地理子午線的方向有一定夾角，即磁偏角，且磁偏角在不同時間、不同地點是不同的。在實際儀器架設中，未考慮磁偏角的影響或雖然考慮到磁偏角影響，但磁偏角數(shù)據(jù)使用不當，會造成儀器定向結果與規(guī)范[1-2]技術要求相差較大。近幾年，隨著科學技術發(fā)展，高精度電子羅盤、陀螺尋北儀等定向設備的小型化、實用化、便攜化，也使之在地震臺站儀器定向劃線上的使用成為可能，在一些實際應用中也取得了較好效果[3-4]。

1 常用陀螺尋北儀定向方法

尋北儀是專用于快速確定地理北方向的儀器，由高精度雙軸動力調諧陀螺通過測量地球自轉角速度分量值和加速度計測量得到的載體傾斜度，解算并確定載體的方位角，即載體的參考軸與真北方向的夾角，且不受外界磁場及其他環(huán)境的干擾和影響。

使用尋北儀定向時，傾角要調整到符合儀器測量精度要求的范圍，再看NS向方位線，當定向精度滿足測震儀器架設規(guī)范要求時，在儀器墩標出NS向方位線。因為尋北儀屬于精密儀器，通電測量、儀器移動等需要嚴格按照操作說明進行[5]。

以NV-NF301型尋北儀為例，現(xiàn)階段尋北儀，尋北時間是3 min，上電前后均需3 min左右等待，終止尋北斷電后需靜置3 min才能移動，移動后要靜置3 min以上才能進行下一次尋北。

目前常用的尋北過程，都要先使用羅盤初步定出大致方位之后采用以下3種方法：

(1)逐次逼近法：進行一次尋北后，根據(jù)所得方位進行相應方向調整。操作過程中無法保證調整時轉動的角度，需要進行多次測量逐次逼近，最終確定北方位線。此種方法費時費力。

(2)通過簡單計算，得出陀螺尋北儀轉動角度，假設尋北儀測量基線長度為l，測量基線與子午線夾角為θ，則以尋北儀測量基線一點為原點計算基線另一點轉動位移近似值d(圖1)，由于θ值一般很小，直角三角形長直角邊也近似等于l，故得到三角函數(shù)公式:

由于d，l已知，可以推導出

圖1 尋北儀簡單計算公式參數(shù)示意圖

然后轉動尋北儀至子午線方向，由于簡易計算公式存在固有誤差，因此需要多次矯正才能得到真實的地理北。

(3)使用簡易量角器，在第一次尋北后根據(jù)需要轉動角度，在原始方位基礎上使用數(shù)顯量角器指示需要轉動到的方位線并標示方位線，而后對所劃方位線進行校正，如不正確再次重復之前步驟。這種方法雖然使用量角器，但量角器不固定，所以無法保證方位線旋轉過程中的旋轉精度，有時也會造成測量費時且效率不高的結果。

通過對以上3種已經(jīng)在使用的陀螺尋北儀定向劃線方法的比較可以發(fā)現(xiàn)，尋找地理真北后劃線會耗費較多的時間，原因在于尋北后需矯正次數(shù)較多，無法做到測量一兩次就可以準確劃出真北方位線。

2 設計思路

為解決陀螺尋北儀尋北時間長、劃線效率不高的問題，就需要設計出一種能夠快速定向劃線的陀螺尋北儀快速定向輔助裝置[6]。

陀螺尋北儀輔助裝置由盤型測角儀演變發(fā)展而來，裝置類似于小核旋探頭底座，分為定盤和轉盤，在定盤與轉盤上分別標示有刻度及讀數(shù)，分別表示轉動度數(shù)與游標。輔助裝置讀數(shù)方法與游標卡尺相同，通過對游標分度的不同設計可以達到0.1°、0.02°、0.01°等讀數(shù)精度，鑒于陀螺尋北儀精度為0.3°，顯示精度為0.01°，本裝置讀數(shù)精度達到0.1°即可符合測震地震計安裝過程中對定向精度的要求，故提出如下設計方案：

裝置主體由外盤與內盤構成，內盤為定盤，外盤為轉盤，使用過程中陀螺尋北儀放置在內盤上。內盤上安裝三枚互成120°角的地腳螺絲，外盤上安裝水泡及激光劃線器。如圖2所示。

裝置在使用過程中，陀螺尋北儀靜置不動，一次放置可連續(xù)進行多次測量，測量得出方位結果后，旋轉轉盤進行方位線的確定并使用激光劃線，整個測量過程中不需要移動陀螺尋北儀，只需要轉動外盤即可準確劃出方位線。如此，可在保證劃線精度的前提下大大提高陀螺尋北儀在儀器安裝過程中的使用效率。

輔助裝置內外盤設計刻線示意圖如圖3所示，通過合理設計可使讀數(shù)精度達到0.1°。

1.尋北儀安置盤(內盤)；2.游標定向劃線盤(外盤、轉盤)；3.水泡安裝模塊(2個)；4.激光劃線模塊(2個)；5.地腳調平螺絲(3個)

圖3 陀螺尋北儀讀數(shù)刻度示意圖

3 陀螺尋北儀尋北劃線效率的理論分析

由陀螺尋北儀尋北時間及準備工作時間來分析，首先可知陀螺尋北儀尋北時間為3 min，加電前需靜置3 min，加電后仍需等待3 min后才可進行3 min的尋北測量，測量完成斷電后需靜置3min方可移動。由此可推算陀螺尋北儀由準備測量到測量完成一次測量循環(huán)至少需要12 min。對使用尋北儀的2種原始方法與使用輔助裝置尋北的時間進行對比分析(表1)：

表1 各種定向劃線方法耗時

由表上時間可見，使用輔助裝置進行陀螺尋北儀定向劃線，時間可以節(jié)省50%左右，在日常使用中能夠快速提高定向劃線效率，并保證方位線劃線精度。

4 結語

尋北儀作為一種專門用于快速確定地理北方向的儀器，它由高精度雙軸動力調諧陀螺通過測量地球自轉角速度分量值和加速度計測得的載體傾斜度，通過解算確定載體的方位角，即載體的參考軸與真北方向的夾角，且不受外界磁場及其他環(huán)境的干擾和影響，配合陀螺尋北儀快速定向輔助裝置的使用，以后將在測震臺站的定向中發(fā)揮重要作用。

同時由于刻度采用360°環(huán)形設計，所以可以由尋北儀定向后使用激光畫出所需任意方位角的方位線，將使陀螺尋北儀的應用范圍更加廣泛。

[1]中國地震局. 地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范[M]. 北京：地震出版社，2001.

[2]國家地震局監(jiān)測預報司.地震電磁觀測技術[M].北京：地震出版社，1995.

[3]李少睿，董平江，羅志國.測震儀器定向方法探討[J].地震地磁觀測與研究，2012，33(5/6):250-254.

[4]劉新，毛國良，李小軍，等. 河北遙測臺網(wǎng)FBS-3B地震計工作周期和阻尼變化的特點及原因分析[J].華北地震科學，2012，30(4):57-60.

[5]北京耐威時代科技有限公司.尋北儀產(chǎn)品說明書[M].北京：北京耐威時代科技有限公司，2010.

[6]徐峰，吳易明，王衛(wèi)峰，等. 基于光電傳感的位標器方位角測量方法[J].紅外與激光工程，2012，41(5):1357-1362.

Design of Auxiliary Device for Gyro North Finder

LI Yao-qi, GU Yun-he，MA Shi-hu, WANG Dang-xi, DONG Ping-jiang

(Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi'an 710068, China)

With the development of since and technology, the directional device, like high precision electronic compass and gyro north finder, is miniaturized, practical and portable. The using of North finder used in setting up the seismic instrument became possible, and obtains good results. But now, the method of directional line drawing of north finder is still relatively primitive, so the efficiency of directional line drawing is not high. The efficiency of orientation line drawing will be improved greatly by using the auxiliary device of north finder design and optimized directional line drawing method.

gyro north finder; direction determination; auxiliary device

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.010

2014-03-13

中國地震局監(jiān)測、預報、科研三結合項目“陀螺尋北儀快速定向輔助裝置”(項目編號：201355)

李垚奇(1988—)，男，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測工作.E-mail:285157129@qq.com

P315.61

A

1003-1375(2014)04-0050-03