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(dòng)量，能獨(dú)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(jì)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(jì)、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(jìn)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(shí)現(xiàn)繞子午線往復(fù)擺動(dòng)，通過觀測擺動(dòng)周期或測量擺動(dòng)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)尋北定向；本文在大量試驗(yàn)、研究、分析懸掛帶陀螺的尋北運(yùn)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(dá)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(shí)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(jì)了針對陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(jì)算出一個(gè)敏感力矩值Mi，一個(gè)敏感力矩值則對應(yīng)一個(gè)角位移αi。GAT磁懸浮陀螺全站儀每一個(gè)尋北測回（8min）將獨(dú)立采集4萬組定、轉(zhuǎn)子電流，據(jù)此可獲得4萬個(gè)獨(dú)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(shí)的尋北狀態(tài)，對每個(gè)瞬時(shí)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了對GAT磁懸浮陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及原始數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)，并編制仿真軟件對陀螺尋北過程實(shí)時(shí)模擬。

（3）提出并設(shè)計(jì)了逐次多位置粗尋北技術(shù)方案，實(shí)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(jìn)行尋北定向測量可有效縮短回轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)平衡位置進(jìn)行尋北數(shù)據(jù)采集，根據(jù)每一個(gè)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(biāo)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(shí)現(xiàn)陀螺近北方向的小角度高精度尋北；與此同時(shí)，該技術(shù)方案放寬了對初始架設(shè)方位條件的限制，實(shí)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(jìn)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(gè)尋北對稱位置敏感力矩的情況，認(rèn)為在相差180°的兩個(gè)盤位采集的轉(zhuǎn)子觀測數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，可通過雙位置采集數(shù)據(jù)并進(jìn)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(gè)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(diǎn)，提出了基于度盤配置儀器常數(shù)補(bǔ)償?shù)耐勇荻ㄏ蛐路椒?，并通過試驗(yàn)證實(shí)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于高精度基準(zhǔn)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(jià)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(biāo)進(jìn)行實(shí)際評價(jià)，結(jié)果表明：該方法可以客觀真實(shí)地反映陀螺全站儀的尋北精度指標(biāo)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(jìn)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(jìn)行了分析、試驗(yàn)，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(shí)際應(yīng)用尚需進(jìn)一步提高陀螺儀測量分辨率。