索佳陀螺全站儀的誤差預(yù)計(jì)分析及在巷道貫通中的應(yīng)用

韓玉偉，趙鵬磊

（山東黃金歸來(lái)莊礦業(yè)有限公司，山東 平邑 273307）

1 索佳陀螺全站儀定向誤差預(yù)計(jì)與分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的陀螺經(jīng)緯儀，索佳陀螺全站儀把陀螺儀和全站儀有機(jī)的聯(lián)結(jié)，并在全站儀中內(nèi)置了跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法兩種程序，使用和操作更加簡(jiǎn)單，減少了定向過(guò)程中人為操作誤差。但在陀螺全站儀定向過(guò)程中，如不按照規(guī)范要求操作影響其測(cè)量精度的因素也會(huì)很多，一般說(shuō)來(lái)，陀螺全站儀的一次定向中誤差都在其出廠時(shí)的標(biāo)稱(chēng)精度內(nèi)。但是，由干儀器的制造工藝水平限制、測(cè)量時(shí)外界條件以及使用方法，都直接影響到陀螺定向時(shí)的精度。所以，在使用前對(duì)陀螺全站儀的定向精度做好充分的分析與探討，具有重要的實(shí)踐意義。

1.1 理論分析

陀螺全站儀定向時(shí)產(chǎn)生的誤差來(lái)源與觀測(cè)方法有關(guān)。就蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法來(lái)說(shuō)，其操作步驟為：在精度較高的已知點(diǎn)上測(cè)定儀器常數(shù)，在定向邊上測(cè)出陀螺方位角。從而引起跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法誤差的因素很多，要將整個(gè)陀螺定向時(shí)各種影響因素都考慮進(jìn)去，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）全站儀測(cè)定方向值的誤差;

（2）上架式陀螺儀與全站儀的連接誤差;

（3）懸掛帶零位變動(dòng)誤差;

(4）靈敏部擺動(dòng)平衡位置的變動(dòng)誤差;

（5）外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動(dòng)等因素的影響。

1.2 全站儀測(cè)定方向的誤差

一條測(cè)線一次觀測(cè)的步驟為：儀器在測(cè)站對(duì)中整平;以5個(gè)連續(xù)跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)測(cè)定陀螺北方向值;以一測(cè)回測(cè)定測(cè)線方向值。全站儀測(cè)定方向的誤差包括：

（1)對(duì)中整平誤差。假定測(cè)線邊長(zhǎng)d=50m，測(cè)站偏心和日標(biāo)偏心e都是1.0mm,則覘標(biāo)對(duì)中誤差和儀器對(duì)中誤差為：

（2）全站儀測(cè)定方向值引起的定向誤差。對(duì)于GPlx,配置2″的全站儀，則有定向誤差為mL為：

(3)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)確定陀螺北方向的誤差mN0：逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)誤差mU包括跟蹤瞄準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差。

考慮跟蹤瞄準(zhǔn)誤差mV和讀數(shù)誤差m0的共同影響，跟蹤瞄準(zhǔn)誤差mV和讀數(shù)誤差m0的計(jì)算方法，mV=4"，m0=3"，則逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)誤差mU為

由5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)計(jì)算平均值的公式為：

N0=(1∕12)(U1+3U2+4U3+3U4+U5)

則相應(yīng)的誤差為：

m2N0=(1∕122)(m2U1+9 m2U2+16m2U3+9m2U4+m2U5)若等精度觀測(cè)，則mU1=mU2=……=mUn

逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)確定陀螺北方向的誤差mNO：

mN0=±1∕2 mU=±2.5"

故全站儀測(cè)定方向的誤差mh為：

m2h=2m2中+m2L+m2N0=2×2.832+1.42+2.52=24.2278

mh=±4.9″

1.3 陀螺儀與全站儀的連接誤差

每次定向時(shí)都要把陀螺儀與全站儀進(jìn)行連接，拆裝再連接必然要造成方向誤差，參考同精度WILDT3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這項(xiàng)誤差的實(shí)際影響為：mb==±2″。

1.4 懸掛帶零位變動(dòng)誤差

懸掛帶對(duì)陀螺擺動(dòng)系統(tǒng)的指向起阻礙作用，在觀測(cè)時(shí)采用跟蹤的方法可以消除懸掛帶扭力的大部分影響。懸掛帶材料的力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣、陀螺運(yùn)轉(zhuǎn)造成的升溫、外界氣候的變化以及擺動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械鎖緊和釋放等因素的影響，均會(huì)引起零位變動(dòng)。參考JT15陀螺經(jīng)緯儀的實(shí)測(cè)結(jié)果，懸掛帶零位變動(dòng)中誤差ma=±4″。

1.5 靈敏部擺動(dòng)平衡位置的變動(dòng)誤差

影響擺動(dòng)平衡位置變動(dòng)的主要因素是：電源電壓頻率的變化引起角動(dòng)量的變化，靈敏部?jī)?nèi)部溫度的變化引起重心位移以及由于溫升造成懸掛帶和導(dǎo)流絲的形變等因素，都會(huì)造成平衡位置的變動(dòng)。靈敏部擺動(dòng)平衡位置變化最大為20″，中誤差為±12"，因此觀測(cè)時(shí)由5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)計(jì)數(shù)計(jì)算出三個(gè)擺動(dòng)中值取平均，得到平衡位置不穩(wěn)定性引起的方向誤差為：

1.6 外界條件，如風(fēng)流、氣溫及震動(dòng)等影響

這些條件的影響程度較為復(fù)雜，無(wú)法精確測(cè)定，可m外=±7″。

1.7 陀螺方位角一次測(cè)定中誤差

依據(jù)以上理論分析，根據(jù)照誤差傳播定律，測(cè)線陀螺方位角一次測(cè)定中誤差mT為：

m2T=m2h+m2b+m2a+m2c+m2

外=4.92+22+42+6.92+72=140.62

mT=±11.9″

誤差分析的結(jié)果說(shuō)明，索佳GP1x陀螺全站儀(20″)的設(shè)計(jì)精度是完全符合井下定向技術(shù)要求的。

2 實(shí)例應(yīng)用

（1）工程概況。某礦山主斜坡道從露天-32水平至2中段全長(zhǎng)2200多米，此次正好又有貫通工程，由于當(dāng)時(shí)的控制點(diǎn)只能采取用支導(dǎo)線測(cè)量的方法，沒(méi)有檢核，所以隨著測(cè)站的增加，支導(dǎo)線誤差累積越來(lái)越大，并且貫通距離長(zhǎng)，極易發(fā)生偏差。為確保在規(guī)定限差范圍內(nèi)準(zhǔn)確貫通，決定采用索佳陀螺全站儀定向的方法來(lái)校核己經(jīng)施測(cè)的7″導(dǎo)線。

當(dāng)2中段斜坡道方向還有130多米就要貫通時(shí)，我們就拿出了施測(cè)方案，決定用1中段原來(lái)從箕斗井導(dǎo)下的方向邊跟引出的E4及E6邊為起算邊，向粉礦回收井及斜坡道兩個(gè)方向推算，并在2中段加測(cè)一條陀螺邊的方法進(jìn)行坐標(biāo)推算，這樣就使2中段的東西兩個(gè)方向形成一個(gè)獨(dú)立的控制網(wǎng)，避免由于起算邊不同而引起誤差過(guò)大的影響，并且還對(duì)原來(lái)從斜坡道導(dǎo)下的控制點(diǎn)作為一個(gè)檢核，這樣兩套數(shù)據(jù)能夠相互吻合做到有備無(wú)患。

（2）定向結(jié)果及對(duì)照。通過(guò)按照設(shè)定路線及定向邊的定向，推算出坐標(biāo)數(shù)據(jù)與前期坐標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)照如下表：

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，地面已知點(diǎn)測(cè)定儀器常數(shù)，一次測(cè)定陀螺方位角的中誤差達(dá)到±1.67″，精度較高。井下定向時(shí)由于受到風(fēng)流及其他因素影響，定向精度相對(duì)差些，但也符合《有色金屬礦山測(cè)量規(guī)程》規(guī)定要求。

從根據(jù)陀螺定向推算出的結(jié)果對(duì)比可以看出，A點(diǎn)X值互差17mm，37-1點(diǎn)X值互差2mm，完全滿(mǎn)足《有色金屬礦山測(cè)量規(guī)程》中對(duì)支導(dǎo)線限差值的要求，說(shuō)明此次陀螺定向的成果是完全可靠的。陀螺定向后，對(duì)原來(lái)的各邊進(jìn)行了分配，最終2中段精確貫通，最終實(shí)際貫通測(cè)量結(jié)果：

坐標(biāo)增量閉合差△X±45mm，△Y=±14mm;

角度閉合差為12″；導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差為：1/60000。

從最終貫通結(jié)果可以看出，采用陀螺定向后，貫通精度有了明顯提高，完全符合貫通測(cè)量設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)索佳GP1X陀螺全站儀定向精度進(jìn)行理論分析和實(shí)際應(yīng)用得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，索佳GP1x陀螺全站儀一次測(cè)定陀螺方位角的中誤差達(dá)到±1.67",遠(yuǎn)小于其標(biāo)定精度±20"，完全滿(mǎn)足礦山大型貫通測(cè)量工程的要求。

（2）在測(cè)定儀器常數(shù)時(shí)，在滿(mǎn)足《有色金屬礦石測(cè)量規(guī)程》要求的前提下，盡可能選擇精度高的已知邊，如條件允許，盡量采用貫通測(cè)量的起始邊，以減小測(cè)定儀器常數(shù)時(shí)的誤差。

（3）在外界條件較為不利的條件下，如大風(fēng)、大霧、溫度變化較大的情況下，不宜進(jìn)行陀螺定向測(cè)量工作。

（4）雖然陀螺全站儀較陀螺經(jīng)緯儀有了較大改進(jìn)，可以直接測(cè)定出陀螺方位角，但在測(cè)量時(shí)，一定要規(guī)范記錄原始測(cè)量數(shù)據(jù)。采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測(cè)時(shí)，一般連續(xù)觀測(cè)5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，計(jì)算三個(gè)陀螺擺動(dòng)中值.相鄰擺動(dòng)中值互差的限差為30秒，間隔擺動(dòng)中值的互差的限差為45秒;采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法測(cè)量時(shí)，只有滿(mǎn)足上述要求，測(cè)出的結(jié)果才是真實(shí)可靠的。

（5）與幾何定向相比采用陀螺定向時(shí)，投點(diǎn)不涉及方向傳遞，可節(jié)省大量勞力和時(shí)間，可以說(shuō)是技術(shù)上的極大進(jìn)步。