陀螺全站儀基線場(chǎng)建立及儀器常數(shù)測(cè)定

喻永平，孟兆新

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州510060；2.黑龍江省康橋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

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陀螺全站儀基線場(chǎng)建立及儀器常數(shù)測(cè)定

喻永平1，孟兆新2

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州510060；2.黑龍江省康橋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

陀螺全站儀是一種將陀螺儀和全站儀合成一體的用于定向測(cè)量的儀器，利用陀螺儀兩個(gè)物理特性(定軸性和進(jìn)動(dòng)性)及地球自轉(zhuǎn)對(duì)它的影響，能夠在緯度70度范圍內(nèi)的任何地方迅速得出真北方向或任意目標(biāo)的真方位角。陀螺全站儀被廣泛應(yīng)用在隧道內(nèi)或其它封閉環(huán)境條件下的方向測(cè)定，包括建筑、導(dǎo)航、測(cè)繪、礦山、地鐵、森林及海洋等部門的定向測(cè)量。

陀螺全站儀是一種精密儀器，受到儀器自身結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境等影響，需要定期進(jìn)行儀器常數(shù)的測(cè)定，保證陀螺儀測(cè)量精度。國(guó)內(nèi)已經(jīng)正式發(fā)布了《陀螺經(jīng)緯儀檢定規(guī)程》 CH/T 4016-2010，本文結(jié)合陀螺全站儀特點(diǎn)，建立了陀螺儀基線場(chǎng)，可定期進(jìn)行陀螺儀儀器常數(shù)的測(cè)定。

1陀螺全站儀基線場(chǎng)建立內(nèi)容和要求

陀螺全站儀是一種精密儀器，陀螺全站儀受環(huán)境影響較大，為了測(cè)定陀螺全站儀常數(shù)和檢核陀螺北方向測(cè)量的精度，需要定期進(jìn)行儀器常數(shù)的測(cè)定。陀螺儀基線場(chǎng)建立內(nèi)容包括：

1)設(shè)置穩(wěn)定的儀器檢校平臺(tái)，包括測(cè)站點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置要穩(wěn)定可靠；

2)方位角基線檢校場(chǎng)網(wǎng)型優(yōu)化設(shè)計(jì)；

3)方位角基線檢校場(chǎng)的測(cè)定；

4)陀螺儀常數(shù)周期性測(cè)定。

方位角基線檢校場(chǎng)建立要求如下：

1)測(cè)站點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)要求。測(cè)站點(diǎn)要求穩(wěn)定，最好為強(qiáng)制對(duì)中裝置；觀測(cè)點(diǎn)目標(biāo)要穩(wěn)定、清晰，距測(cè)站點(diǎn)在300~500 m左右。

2)方位角基線檢校場(chǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)。方位角基線檢校場(chǎng)網(wǎng)型須可靠，確保精度。

3)方位角檢校場(chǎng)的精度。陀螺全站儀一次定向標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于±8 s，要求方位角檢驗(yàn)場(chǎng)的測(cè)量精度為±3 s。

陀螺儀基線場(chǎng)的建立綜合考慮上述要求，進(jìn)行場(chǎng)地選取、基線場(chǎng)網(wǎng)圖優(yōu)化設(shè)計(jì)以及方位角檢校場(chǎng)的測(cè)定。

2陀螺全站儀基線場(chǎng)建立過程

2.1　陀螺儀基線場(chǎng)網(wǎng)圖設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在綜合考慮測(cè)站點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)要求、方位角檢校場(chǎng)精度和便于陀螺儀儀器常數(shù)測(cè)定的前提下，經(jīng)實(shí)地踏勘，選取了室內(nèi)點(diǎn)作為測(cè)站點(diǎn)，室外300~500 m距離的穩(wěn)定目標(biāo)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，選點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1　基線場(chǎng)選點(diǎn)示意圖

基線場(chǎng)網(wǎng)圖經(jīng)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定在我院樓頂西面設(shè)置過渡點(diǎn)GX12，利用院樓頂1個(gè)四等GPS點(diǎn)(規(guī)劃院北)和舊樓9樓頂?shù)挠^測(cè)墩點(diǎn)(強(qiáng)制觀測(cè)墩GX9，為四等GPS點(diǎn)精度)作為已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量了2個(gè)CORS點(diǎn)作為已知點(diǎn)，確定如圖2所示觀測(cè)網(wǎng)。

圖2　基線場(chǎng)觀測(cè)圖

在圖2中，確定7個(gè)測(cè)站的方向測(cè)量值和15個(gè)距離測(cè)量值。

7個(gè)測(cè)站的觀測(cè)方向：

規(guī)劃院北至G2，G3，G1，M1，GX12；

M1至規(guī)劃院北，Y2，Y1，GX12，G1，G3，G2，GX9；

M2至規(guī)劃院北，Y2，Y1，GX12，G5，G4；

GX9至G2，G3，G1，M1；

Y1至G2，G3，M2，G4，G5，G1，M1；

Y2至G2，G3，M2，G4，G5，G1，M1；

GX12至M1，G2，G3，M2，G4，G5，規(guī)劃院北，G1。

15個(gè)距離測(cè)量值：

M1至Y2，Y1，G1，G3，G2；

M2至Y2，Y1，G5，G4，GX12；

G1至G2，G1至G3，G2至G3，規(guī)劃院北至GX12,GX9至GX12。

2.2　方位角檢校場(chǎng)外業(yè)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

1)M1，M2點(diǎn)CORS測(cè)量。利用天寶R8儀器和我院已有的CORS測(cè)量系統(tǒng)，在該2點(diǎn)上進(jìn)行精密RTK測(cè)量，確定M1和M2點(diǎn)坐標(biāo)。

2)強(qiáng)制觀測(cè)墩點(diǎn)(GX9)測(cè)量。采用GPS靜態(tài)測(cè)量，在GX9點(diǎn)上用GPS靜態(tài)測(cè)量4 h，與3個(gè)GZCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)解算GX9點(diǎn)的坐標(biāo)。該點(diǎn)三維約束平差后，3個(gè)GZCORS基準(zhǔn)站和樓頂GX9點(diǎn)所構(gòu)成的網(wǎng)最弱邊相對(duì)精度為3.18 ppm，其邊長(zhǎng)為7 129.135 8 m(WUSH-GX9)；GX9平面位置精度為±2.60 cm，大地高精度為±4.74 cm，成果滿足四等網(wǎng)要求。

3)邊角測(cè)量。方位基線測(cè)量網(wǎng)采用了我院最新購置的TM30精密測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了邊角測(cè)量，角度測(cè)量2測(cè)回，邊長(zhǎng)測(cè)量2測(cè)回。

邊長(zhǎng)G1至G2，G1至G3，G2至G3采用殷鋼尺進(jìn)行丈量。

2.3　方位基線測(cè)量網(wǎng)的平差計(jì)算

對(duì)于基線方位測(cè)量網(wǎng)，以M1，M2，規(guī)劃院33樓頂?shù)腞TK檢測(cè)點(diǎn)(規(guī)劃院北GB)、樓頂?shù)膹?qiáng)制觀測(cè)墩點(diǎn)(GX9)作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，采用ADJNET網(wǎng)平差軟件進(jìn)行平差計(jì)算，平差驗(yàn)后方向值方差 MD0=±1.66 s，最弱點(diǎn)(Y1、Y2)中誤差為：MX=±0.34 cm，MY=±0.31 cm，M=±0.46 cm。滿足了方位角檢驗(yàn)場(chǎng)±3 s測(cè)量精度的要求。

2.4　基線方位夾角檢測(cè)

采用TM30，TCA2003，T2，TOPCON3102，蘇光J2和蘇光2 s全站儀6種儀器對(duì)基線方位夾角進(jìn)行了檢測(cè)，每種儀器觀測(cè)3測(cè)回，6種儀器已知點(diǎn)方位角測(cè)量值見表1、表2、表3所示。

表1　已知點(diǎn)方向值

表2　TM30，TCA2003，T2 3種儀器測(cè)量值

表3　topcon3102，蘇興J2、蘇光2 s測(cè)量值

通過表1、表2、表3數(shù)據(jù)比較可以得知，6種儀器(TM30，TCA2003，T2，TOPCON3102，蘇光J2和蘇光2 s全站儀)測(cè)量的方向值與成果方向值較差值最大為+5.2 s(J2儀器)，滿足3 s精度的方位角的夾角檢測(cè)要求(限差為2*1.414*3=8.5 s)，其中TM30，TCA2003，T2，蘇光2 s全站儀儀器測(cè)量的夾角符合較好，較差在±3.0 s以內(nèi)。

3陀螺儀基線場(chǎng)應(yīng)用

3.1　陀螺全站儀儀器常數(shù)測(cè)量原理

用陀螺儀測(cè)量的陀螺方位角為該點(diǎn)的真北方位，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)方位角αa要考慮儀器常數(shù)Δ和子午線收斂角γa。

(1)

式中：αa為坐標(biāo)方位角，αTa為定向邊陀螺方位角(真北方位)，Δ為儀器常數(shù)，γa為子午線收斂角。

子午線收斂角為真北方位與坐標(biāo)X軸的夾角γa=αTa-αa，點(diǎn)位在X軸右側(cè)子午線收斂角為正值，點(diǎn)位在X軸左側(cè)子午線收斂角為負(fù)值，見圖3所示。

圖3　子午線收斂角計(jì)算示意圖

對(duì)式(1)進(jìn)行變換，儀器常數(shù)計(jì)算式如下：

(2)

在I點(diǎn)上測(cè)出I→J邊陀螺方位角αTa，根據(jù)I、J坐標(biāo)計(jì)算I→J邊坐標(biāo)方位角αa和I點(diǎn)的子午線收斂角，按式(2)即可計(jì)算出儀器常數(shù)。

3.3　測(cè)量結(jié)果

為檢驗(yàn)已建方位基線場(chǎng)的精度和可靠性，項(xiàng)目組對(duì)國(guó)內(nèi)NTS-341T陀螺全站儀進(jìn)行常數(shù)測(cè)定，共檢測(cè)了5條基準(zhǔn)方位角：Y1→G1,Y1→G2,Y1→G3,Y1→G4,Y1→G5。上、下午各觀測(cè)一組數(shù)據(jù)(4測(cè)回)，比較測(cè)定的儀器常數(shù)的符合性。

上午儀器常數(shù)的測(cè)定，最大最小值差4.4 s，常

數(shù)平均值-60.1 s；下午儀器常數(shù)的測(cè)定，最大最小值差7.2 s，常數(shù)平均值-62.0 s。上、下午測(cè)定的儀器常數(shù)互差為1.9 s，說明陀螺儀測(cè)量穩(wěn)定，基線方位精度高。

該陀螺儀常數(shù)為上、下午測(cè)量的平均值-61.0 s，儀器常數(shù)測(cè)定精度為±2.5 s。

4結(jié)論與建議

本文完成了室內(nèi)方位角基線場(chǎng)建立和陀螺儀的儀器常數(shù)測(cè)量，其中室內(nèi)方位角基線場(chǎng)有2個(gè)測(cè)點(diǎn)(Y1和Y2)，10個(gè)基線方位，方位精度為±3 s，滿足設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)陀螺全站儀進(jìn)行儀器常數(shù)測(cè)定，儀器常數(shù)為-61.0 s，儀器常數(shù)測(cè)定精度為±2.5 s。

陀螺儀基線場(chǎng)建立和儀器常數(shù)測(cè)定是工程測(cè)量中經(jīng)常需要面對(duì)的問題。本文結(jié)合我院陀螺全站儀特點(diǎn)，在參考《陀螺經(jīng)緯儀檢定規(guī)程》基礎(chǔ)上，建立了陀螺儀基線場(chǎng)，可定期進(jìn)行陀螺儀儀器常數(shù)的測(cè)定，保證陀螺儀測(cè)量精度。該方法可為國(guó)內(nèi)其他擁有陀螺全站儀的生產(chǎn)單位提供參考。

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[責(zé)任編輯：王文福]

摘要：陀螺全站儀是一種精密儀器,在工程測(cè)量中有廣泛應(yīng)用。文中通過布設(shè)陀螺儀基線場(chǎng)，利用TM30高精度測(cè)量機(jī)器人測(cè)定基線場(chǎng)邊長(zhǎng)和角度，并進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算，獲取該基線場(chǎng)方位角精度，可定期進(jìn)行陀螺儀儀器常數(shù)的測(cè)定，為國(guó)內(nèi)其他擁有陀螺全站儀的生產(chǎn)單位提供參考。

關(guān)鍵詞：陀螺全站儀;基線方位角;儀器常數(shù);子午線收斂角

The baseline field establishing and instrument constant measuring of gyro total stationYU Yong-ping1，MEN Zhao-xin2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China; 2.Heilongjiang Kangqiao Engineering Technology and Service Co.Ltd.,Harbin 150090,China)

Abstract：Gyroscope is a precision instrument.This paper sets up a gyroscope baseline field,which measures the baseline field edges and angles by using TM30 high precision measurement of the robot.And the network adjustment computation is used to obtain the baseline field azimuth accuracy,which can be the regular gyro instrument constant measuring,and provide a reference for other domestic with gyro total station instrument production unit.

Key words：gyro station;baseline azimuth instrument constant;meridian convergence

作者簡(jiǎn)介：喻永平(1979-),男，漢族，博士，研究員，研究方向:GNSS技術(shù)和精密工程測(cè)量

收稿日期：2014-09-25;修回日期：2015-04-06

中圖分類號(hào)：P258；P24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2015)12-0072-03