摘要：随着时代的进步和社会经济的发展，我国矿山行业发展迅速，矿山测量受到了越来越多人的重视。因为陀螺全站仪具有一定的优势，所以，它被广泛应用到矿山测量工作中。在具体的实践过程中，要重视陀螺全站仪的操作技术和环境，因为这两个因素会直接影响测量精度。简要分析了矿山测量中陀螺全站仪的应用，希望可以提供一些有价值的参考意见。
关键词：矿山测量；陀螺全站仪；应用；测量精度
随着现代科学技术的快速发展，测绘科技领域涌现出一批新的仪器设备，基于光机电一体的陀螺全站仪就是其中之一。陀螺全站仪依其特性，可以在隐蔽地区独立的进行大地方位角的测定，因此在矿山测量中发挥着重要作用。例如在立井联系测量中，陀螺全站仪测定井下基边间坐标方位角，其定向精度远高于传统的几何定向的精度；在大型贯通工程测量中，加测陀螺方位角，可以有效控制贯通导线测量的误差传播，大大提高贯通精度。
一、概述
随着国民经济和社会建设的快速发展,在国土资源的合理利用以及矿山信息化和数字化管理中对测绘精度要求越来越高。随着测绘仪器的不断更新和改进,陀螺全站仪的出现,数字化测图以其测图精度高、数据采集快,产品的使用与维护方便、快捷、直观、利用率高,广泛用于测绘生产和矿山企事业等部门,并为广大用户所接受。由于数字化测图技术便于图件的更新,并可作为GIS的信息源,所以陀螺全站仪的出现代替了陀螺经纬仪量距的不足,能够更好的及时准确地提供各类基础数据更新GIS的数据库,保证地理信息的可靠性和现势性,为GIS的辅助决策和空间分析发挥作用,促进了测绘行业的自动化、现代化、智能化,为矿山信息化和数字化管理产生积极的影响。为了能够更好更准确对企业进行管理和维护煤矿企业的正常生产,王村煤矿组织一次测量。
二、陀螺仪的定向方法
在地球自转的作用下，陀螺仪在高速旋转的过程中，在真北方向会出现往返摆动的情况，这种运动就是阻尼运动，摆动的平衡位置是真北方向。正是因为陀螺全站仪的这个特性，所以，在精确的定向观测中经常会用到它，并且还会应用逆转点法和中天法。
1.逆转点法定向，逆转点是指在反转位置，发生在陀螺转子摆动曲线摆动方
向上的点。逆转点法的定向原理是利用全站仪照准部对摆动着的陀螺转子进行连续跟踪，并且在光标线的多个左右逆转点处对全站仪水平度盘的读数进行记录，然后将这些水平度盘读数综合起来寻求苏勒平均值，这样就可以求出真北方向在度盘上对应读数的位置，并确定真北方向。
2.中天法定向，中天法定向技术是观测陀螺仪的运转，确定近似北方的方向，然后读记摆动的指标线反复经过划线板零线的时间，并且将到达东、西逆转点时的水平度盘读数也纳入读记范围。经过一系列的计算就可以获取近似北方方向的改正数，进而确定测站的真北方向。
三、陀螺全站仪及其工作原理
1.陀螺全站仪组成，陀螺全站仪是由陀螺仪、电源和具有连接陀螺仪硬件接口的全站仪组合而成。电源是供陀螺仪高速旋转以充分体现其定轴性和进动性的高容量电池。陀螺仪是由转子、陀螺架和悬挂带构成的具两个半自由度的装置，转子在通电后可以绕其轴高速旋转，陀螺架使其轴可以在垂直立面内作仰俯运动，柔性极佳的悬挂带可以使陀螺轴在水平面内自由转动。
图1
2.陀螺仪的定向原理概述，陀螺全站仪能够进行定向主要由三个因素构成，即陀螺仪的“定轴性”、“进动性”和地球的自转。陀螺仪的定轴性：就是指高速旋转的陀螺转子，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上的情况下，其自转轴X保持其原来指向稳定不变的特性。这一特性与陀螺转子的动量矩H有关，动量矩H越大，则陀螺仪的定轴性越好。陀螺仪的进动性：就是当陀螺转子以高速旋转时，如果X轴上受到外力P的作用，则陀螺并不是绕着由此而产生的外力矩（Y轴）转动，而是绕着与之相垂直的Z轴进动。进动方向与陀螺自转角速度方向有关，也与所受外力矩方向有关。地球的自转：当我们把视角放在地球的北极时，地球
是绕其轴自西向东旋转的。在地球上任一点（除两极之外）处的水平面，被过该点的子午线分为东西两大部分，且始终随地球自转而作西升东降的运动，只有在子午线上的点保持不升不降。如图1所示，当陀螺轴正端位于子午线以东时，将感应到来自水平面东降而带来的向下压力P，由此而产生使X轴绕Y轴旋转的外力矩Mp。根据陀螺的进动性和进动规律，陀螺轴正端（X）并不绕Y轴转动，而是绕Z轴由东向子午北方向进动。进动的角速度ωp与陀螺的动量矩H成反比，与外力矩Mp成正比。同理，当陀螺轴正端位于子午线以西时，将感应到来自水平面西升带来的向上升力，此时陀螺轴的进动方向为由西向子午北方向进动。如此，高速旋转的陀螺转子轴围绕子午北方向左右摆动，其平衡位置即为过该点的子午北方向。
3. 陀螺方位角与坐标方位角的关系，如图2所示，CD为测线，C点为测站，T为过C点的陀螺北方向，N为过C点的子午北方向，X为过C点的坐标北方向。图中所注ACD、TCD、ACD分别为CD边的坐标方位角、陀螺方位角和大地方位角，γ为过C点的子午线收敛角。陀螺方位角TCD与大地方位角ACD两者非常接近，其差值?在一次定向过程中保持不变，被称之为仪器常数。在C点架设陀螺全站仪进行陀螺定向观测，可测得CD的陀螺方位角TCD。
图2
四、通过分析明确测量措施
为了深入了解陀螺全站仪定向测量的方法和精度影响情况，选择了一个固定测站，将一个固定方向作为已知点，然后应用逆转点法反复试验，确定真北方向，并且探索真北方向的定向精度。通过试验可知，在逆转点法定向的过程中，定向精度受跟踪操作和外界条件的影响。为了避免这些非仪器因素造成的影响，可以将这些措施应用到实际操作过程中，选择天气晴朗、无风的条件下进行测量，稳定安置仪器，精确对中整平。粗略定向后，在陀螺北方向上安置全站仪，严格控制最大偏差，然后将陀螺房慢慢放下，严格控制其摆幅。在对逆转点进行跟踪测量时，要重视水平微动速率引起的悬带扭矩的变化率，要均匀地摆动。在减慢摆速的过程中，要均匀减小微动速度，并且尽量重合。在没有到达逆转点时，不允许出现反向微动，这样隙动和悬带扭矩就不会产生，否则定向精度就会受到较大的影响。对逆转点读数中值（用ma来表示逆转点读数误差）的要求主要包括两个方面，分别是跟踪瞄准光标线的误差和全站仪角值的读数误差。经过多次跟踪测量实验可知，增加逆转点并不会提高中值的精度，因此，将逆转点的数量设置5～7个即可。利用多次逆转点法进行跟踪测量，如果相邻的中值差在5°以内，就说明得到的是准确的观测读数。在短时期内，如果仪器保持在一个比较稳定的状态，就不会出现显著的突变现象。只有通过较长时间的连续观测，才可以确定仪器观测的稳定性和系统性的漂移规律。一般情况下，有一定的周期性存在于逆
转点中值的变化过程中。开机20 min左右是稳定期，但经过2 h左右就开始衰减。对稳定器内的中值进行分析就可以得出中值误差，中值误差十分接近中值的中误差，因此，在开机20 min后，仪器就可以稳定工作。由此可知，系统性漂移因素是不存在的。在实际测量中，需要开机一段时间后再进行观测，这样可以进一步提高定向精度。
陀螺全站仪的应用，使矿井联系测量由物理定向取代了传统的几何定向，方位角传递简便、快捷，井筒的占用时间少，精度由原来的15"级，提高到了7"级。在大型贯通工程测量中，陀螺全站仪也发挥了重要作用，其方位角测定的高精度和高独立性，有效地控制了测角误差的传播，显著提升了巷道的贯通精度。
参考文献：
［1］袁德全.解析矿山测量中陀螺全站仪的应用.2015
［2］吴勇.矿山测量煤矿测量规程.2015
［3］任倩.现代普通测量学.2015
论文作者:赵晓江
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/21
标签：陀螺论文; 方位角论文; 测量论文; 陀螺仪论文; 全站仪论文; 精度论文; 中值论文; 《防护工程》2018年第28期论文;