陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)系統(tǒng)精確對(duì)中方法探討

付永杰

(中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

陀螺經(jīng)緯儀是一種利用慣性自主尋北的儀器，其原理為：根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量，自動(dòng)地尋找并且跟蹤地理北向，從而實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)方位角的精確測(cè)量[1]。陀螺經(jīng)緯儀與傳統(tǒng)的北向儀器(如陀螺羅經(jīng)和磁羅盤等)相比，具有全天候使用、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、自主定向精度高、定向速度快、操作簡(jiǎn)單方便、便于攜帶等優(yōu)勢(shì)。陀螺經(jīng)緯儀從結(jié)構(gòu)上可分為兩類：一類是將陀螺儀架在經(jīng)緯儀或全站儀上面，稱為上架式陀螺經(jīng)緯儀；另一類是將陀螺儀安裝在經(jīng)緯儀或全站儀下部，稱為下掛式陀螺經(jīng)緯儀。陀螺經(jīng)緯儀按照尋北誤差可分為三級(jí)：誤差在±5 ″以內(nèi)為高精度；誤差在±5″至±30 ″之間為中等精度；誤差大于±30 ″為低精度[2]。隨著定向測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，陀螺經(jīng)緯儀的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)其定向精度的要求也越來越高[3]。

在建立陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，首先要建立方位角基準(zhǔn)，一般采用平行光管或者自準(zhǔn)直平面鏡作為北向方位角設(shè)備，確定方位角基準(zhǔn)與真北的夾角。使用方位角基準(zhǔn)校準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀時(shí)，需使被校準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀中心位置安放與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心位置重合(即在同一基準(zhǔn)方向上)，然后用被校準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)方位角基準(zhǔn)，并讀數(shù)，計(jì)算陀螺經(jīng)緯儀儀器常數(shù)和尋北誤差。

陀螺經(jīng)緯儀對(duì)中時(shí)，實(shí)際存在三個(gè)中心：陀螺經(jīng)緯儀對(duì)點(diǎn)器中心、經(jīng)緯儀中心、地面標(biāo)志中心。對(duì)于上架式陀螺經(jīng)緯儀來說，陀螺經(jīng)緯儀對(duì)中誤差就相當(dāng)于經(jīng)緯儀的對(duì)中誤差。對(duì)于下架式陀螺經(jīng)緯儀來說，陀螺經(jīng)緯儀的對(duì)中誤差來源包括：①陀螺經(jīng)緯儀自帶對(duì)點(diǎn)器的對(duì)中誤差；②陀螺經(jīng)緯儀對(duì)點(diǎn)器的偏心度[4]。在對(duì)陀螺經(jīng)緯儀的校準(zhǔn)過程中，陀螺經(jīng)緯儀中心與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心的對(duì)中精度，直接影響其尋北精度[3]。

傳統(tǒng)的對(duì)中方法主要有：垂球?qū)χ蟹?、光學(xué)對(duì)點(diǎn)器對(duì)中法、激光對(duì)點(diǎn)器對(duì)中法、對(duì)中桿對(duì)中法和強(qiáng)制對(duì)中法等。其中，垂球?qū)χ蟹ㄕ`差約為±2 mm；對(duì)中桿對(duì)中法誤差約為±1 mm。激光對(duì)點(diǎn)器和光學(xué)對(duì)點(diǎn)器經(jīng)過嚴(yán)格檢校后，對(duì)中誤差約為±0.5 mm。采用固定螺絲的強(qiáng)制對(duì)中法誤差最小，一般可控制在± 0.1 mm左右[5-6]。

由于以上傳統(tǒng)對(duì)中方法中，只使用單個(gè)平行光管，而單個(gè)平行光管的目標(biāo)無法放置于無窮遠(yuǎn)，且自準(zhǔn)直平面鏡無法安置在無窮遠(yuǎn)，因此難以減小對(duì)中誤差，使得尋北的精度無法提高。針對(duì)此問題，本文提出了基于雙目標(biāo)的高精度對(duì)中方法，設(shè)計(jì)了與之匹配的陀螺經(jīng)緯儀位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性。

1 雙目標(biāo)對(duì)中法原理

為了實(shí)現(xiàn)被檢陀螺經(jīng)緯儀中心與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心高精度對(duì)中，提出了利用兩個(gè)平行光管的雙目標(biāo)精確對(duì)中方法。所設(shè)計(jì)的陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)采用雙目標(biāo)結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)1 m平行光管沿著縱向分布，固定在成180°的兩個(gè)基巖墩上，通過平行光管調(diào)整機(jī)構(gòu)，將對(duì)稱分布的兩個(gè)平行光管產(chǎn)生的無窮遠(yuǎn)目標(biāo)十字分劃板中心目標(biāo)點(diǎn)、陀螺經(jīng)緯儀安裝調(diào)整座中心調(diào)整到一條直線上，然后鎖緊，作為兩個(gè)北向基準(zhǔn)。在校準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀時(shí)，通過觀測(cè)兩個(gè)平行光管精確找到中心，原理如圖2所示。

圖2 雙目標(biāo)法精確對(duì)中原理圖

利用雙目標(biāo)法，使陀螺經(jīng)緯儀與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心精確對(duì)中。這種校準(zhǔn)方法無需設(shè)計(jì)陀螺經(jīng)緯儀高精度對(duì)中機(jī)構(gòu)，只需在定向中心附近增加滿足陀螺經(jīng)緯儀安裝和調(diào)整的機(jī)構(gòu)即可。為此設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)陀螺經(jīng)緯儀水平二維位移調(diào)整和高低姿態(tài)調(diào)整的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可將陀螺經(jīng)緯儀中心位置調(diào)整到與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心位置高精度重合。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)可以滿足不同型號(hào)陀螺經(jīng)緯儀安裝要求，適用范圍廣，通用性好。陀螺經(jīng)緯儀對(duì)中機(jī)構(gòu)包括水平位移調(diào)整機(jī)構(gòu)、豎直位移調(diào)整機(jī)構(gòu)、豎直支撐架等，如圖3所示。水平位移和豎直位移的調(diào)整范圍可根據(jù)被校準(zhǔn)的陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整量可由測(cè)微螺紋進(jìn)行控制，調(diào)整后的角度偏差不超過1″。

圖3 陀螺經(jīng)緯儀對(duì)中機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖

2 對(duì)中誤差對(duì)方位角測(cè)量精度影響分析

進(jìn)行陀螺經(jīng)緯儀儀器常數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，在檢定工作臺(tái)上安裝被校陀螺經(jīng)緯儀后，陀螺經(jīng)緯儀的激光對(duì)點(diǎn)器與經(jīng)緯儀中心鉛垂線有時(shí)會(huì)有偏差，該偏差會(huì)影響方位角測(cè)量結(jié)果。下面分析對(duì)中誤差對(duì)方位角測(cè)量精度的影響[7-8]。將已知的方位邊方向定義為y軸，其垂直方向定義為x軸，建立直角坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 對(duì)中誤差對(duì)定向測(cè)量影響圖

當(dāng)δx=δ時(shí)，對(duì)方位邊定向測(cè)量影響最大，此時(shí)，有

(1)

式中：α為實(shí)際觀測(cè)的方位邊與已知方位邊之間的偏差角度；D為距離；δ為對(duì)中誤差；對(duì)中誤差在x軸和y軸方向的分量分別為δx和δy。

由式(1)可知，偏差角度與方位邊的距離長(zhǎng)度成反比。偏差角度與對(duì)中誤差δ成正比。所以，想要減小偏差角度引起的誤差，最有效的方法就是盡量增大方位邊長(zhǎng)度，或者盡量減小對(duì)中誤差。但是在實(shí)際工作中，受測(cè)試環(huán)境條件限制，方位角邊長(zhǎng)不可能無限長(zhǎng)，因此，為了提高方位角的測(cè)量精度，需盡量減小方位邊上對(duì)中誤差δ。表1列出了部分距離下，方位邊上對(duì)中誤差δ所引起的方位角偏差值。

表1 對(duì)中誤差δ所引起的方位角偏差值

從表1可以看出，只有在目標(biāo)足夠遠(yuǎn)或?qū)χ姓`差足夠小的情況下，方位角的偏差才會(huì)小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用雙目標(biāo)法，使用高精度的電子經(jīng)緯儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)瞄準(zhǔn)誤差為1″，經(jīng)緯儀的十字分化寬度為0.1 mm，則光管目標(biāo)至經(jīng)緯儀的當(dāng)量距離可估算為

(2)

可根據(jù)角度偏差計(jì)算調(diào)整量。經(jīng)緯儀經(jīng)二次中心調(diào)整后的結(jié)果如表2所示。

表2 經(jīng)緯儀經(jīng)二次中心調(diào)整后的結(jié)果

從調(diào)整過程看，無需精確控制調(diào)整量，就能很快將經(jīng)緯儀調(diào)整到既定的位置上。如果瞄準(zhǔn)精度能夠得到提高，則中心定位精度就可獲得進(jìn)一步提高。由此可見，陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)中利用雙目標(biāo)法，成功實(shí)現(xiàn)了陀螺經(jīng)緯儀中心與天文定向時(shí)的觀測(cè)中心精確對(duì)中，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

提出了用兩個(gè)平行光管進(jìn)行雙目標(biāo)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)中的雙目標(biāo)精確對(duì)中法。該方法解決了傳統(tǒng)對(duì)中方法中只使用單個(gè)平行光管導(dǎo)致的精度局限性問題，可使陀螺經(jīng)緯儀中心位置與天文定向的觀測(cè)中心位置高精度重合，且具有目標(biāo)偏心修正功能，成功提高了陀螺經(jīng)緯儀北向方位角測(cè)量精度，使陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)更加準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)了陀螺經(jīng)緯儀對(duì)中調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)可以方便快捷的調(diào)整陀螺經(jīng)緯儀的水平位移和垂直位移，節(jié)約操作時(shí)間。且此機(jī)構(gòu)能夠滿足不同型號(hào)陀螺經(jīng)緯儀的安裝要求，通用性好，可廣泛應(yīng)用于陀螺經(jīng)緯儀的校準(zhǔn)領(lǐng)域。