CN111220180B - 一种陀螺全站仪定向精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺全站仪定向精度测试方法，包括如下步骤：a.寻找三个目标点A、B、C，分别架设棱镜；b.将陀螺全站仪架设在三个目标点形成的三角形区域内任一处的P点，整平，确保陀螺仪指北标识指向正北方向；c.对三个目标点A、B、C先后独立进行定向观测，计算出相邻点的夹角值∠APB、∠BPC、∠CPA的值；d.保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测，并计算出相邻点的夹角值∠APB′、∠BPC′、∠CPA′；e.计算得到三个角差Δ₁、Δ₂、Δ₃，使用菲列罗公式计算陀螺全站仪定向精度m。本方法实用性强、可操作性好、成本低。

Description

一种陀螺全站仪定向精度测试方法

技术领域

本发明属于地下工程施工设备技术领域，具体涉及一种陀螺全站仪定向精度测试方法。

背景技术

陀螺全站仪是一种将陀螺仪与全站仪结合成一体用于方位测量的定向仪器，陀螺仪具有定轴性和进动性，在无横向外力矩作用时高速旋转的陀螺仪转子轴指向惯性空间某一方向的性质为定轴性。在有一固定外力矩作用于高速旋转着的陀螺自传轴上，陀螺自传轴的运动并不发生在外力矩的作用平面内，而是垂直于其作用平面的转动的性质为进动性。利用陀螺仪的定轴性和进动性，当地球以角速度ω_E(ω_E＝1周/昼夜＝7.25×10^-5rad/s)绕地轴旋转，高速旋转的陀螺转子自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，陀螺全站仪在地球自转基础上能实现自动寻北并测定目标点的真北方向。在地下工程中GPS技术失效的情况下，陀螺定向测量不依赖其他条件能实现自动寻北，因此在隧道、矿井、洞室等工程中有着巨大的技术优势和应用前景。

陀螺全站仪定向精度是定向观测值离散的程度，通常采用一次定向标准偏差和一次定向中误差来衡量，一次定向标准偏差包括定向重复性和仪器常数变化误差，主要用于衡量偏离真值的程度；一次定向中误差不含仪器常数变化，主要衡量仪器定向重复性误差。

目前国内一般采用一次定向中误差作为陀螺全站仪精度标准。其精度测试方法是：将仪器安装在工作台上，精确对中整平，使陀螺全站仪望远镜视准轴与方位目标精确瞄准或准直，进行寻北观测，获得方位角测量值A_i，按照上述操作至少进行6次独立测量，分别得到陀螺方位角值，并求得平均方位角测量值

从而计算寻北重复性精度

国际上，以德国标准DIN-18723的陀螺定向精度测试方法为主。具体为：先在已知目标方向的情况下，多次观测求出指北偏差量，作为一个常识改正值，然后对这条边的两个端点分别进行5次观测，算出测量均值，再计算寻北重复性精度s，然后按照95％的置信区间检定测试结果是否合格。

但是，以上两种陀螺全站仪重复性精度测试方法均需要专业的检测装置、专门的场地，并且通过天文观测精确建立真北方位基准。专业的检测装置一般由计量检定机构投资购置，成本较高，而专门的场地需要考虑场地的大小和稳定性，这些条件对于大多数的普通陀螺仪用户来说都不具备，因此，需要开发一种实用性强、可操作性好、成本低的陀螺全站仪精度测试方法。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，达到“实用性强、可操作性好、成本低”的目的，本发明给出了一种陀螺全站仪定向精度测试方法。

一种陀螺全站仪定向精度测试方法，适用于陀螺全站仪的全站仪的标称测角精度小于等于陀螺全站仪的陀螺仪的标称定向精度的三分之一的情况，具体包括如下步骤：

a.寻找三个目标点A、B、C，分别架设棱镜；

b.将陀螺全站仪架设在三个目标点形成的三角形区域内任一处的P点，进行整平，并确保陀螺仪指北标识指向正北方向；

c.进行陀螺定向观测，对三个目标点A、B、C先后独立进行定向观测，测得陀螺定向观测方位角分别为α_A、α_B、α_C，计算相邻点的夹角值∠APB、∠BPC、∠CPA的值；

d.进行角度观测，保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测，得到角度观测值β_A、β_B、β_C，并计算出相邻点的夹角值∠APB′、∠BPC′、∠CPA′；

e.由∠APB、∠BPC、∠CPA、∠APB′、∠BPC′、∠CPA′计算得到三个角差Δ₁、Δ₂、Δ₃，使用菲列罗公式计算陀螺全站仪定向精度m。

进一步地，所述的：

∠APB＝(α_B-α_A)+n×360°，n＝0或1，使得∠APB最终处于0°-360°之间；

∠BPC＝(α_C-α_B)+n×360°，n＝0或1，使得∠BPC最终处于0°-360°之间；

∠CPA＝(α_A-α_C)+n×360°，n＝0或1，使得∠CPA最终处于0°-360°之间。

进一步地，所述的：

∠APB′＝β_B-β_A；

∠BPC′＝β_C-β_B；

∠CPA′＝(β_A-β_C)+n×360°，n＝0或1，使得∠CPA′最终处于0°-360°之间。

进一步地：

Δ₁＝∠APB′-∠APB；

Δ₂＝∠BPC′-∠BPC；

Δ₃＝∠CPA′-∠CPA。

讲一步帅：

这里，由于想要作为标准的陀螺全站仪的全站仪的标称测角精度与陀螺全站仪的陀螺仪的标称定向精度满足三分之一原则，即计量标准器具用于校正计量器具时，其不确定度应小于等于待校正器具不确定度的三分之一，因此，可以用全站仪衡量陀螺仪的定向精度。

另外，由于基于设站点与目标点的边角几何网形特性，相邻点各夹角之和为360°，使得观测数据呈真误差。如有需要，可以对陀螺观测方位角和全站仪观测角度进行检核，即：∠APB+∠BPC+∠CPA＝360°、∠APB′+∠BPC′+∠CPA′＝360°，使得观测数据校核条件增多，校核方法严密。

在进行测量时，还可以对同一个量进行多次观测，取平均值作为最终的值。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有以下有益效果：本方法基于几何网形闭合的属性，采用相邻目标点的夹角为研究对象，且夹角和为固定常数，测试误差呈现真误差特性，并且有效消除了子午线收敛角和仪器常数对精度测试的影响；在精度测试过程中，仅需整平而无需对中，对场地、仪器的要求较低，消除了仪器对中误差对精度测试的影响，仪器测试精度全部由观测误差体现，能够真实反映陀螺全站仪的观测精度；本方法观测目标多、校核条件多、校核方法可靠，计算模型严密、数据处理简单；本方法对于普通的陀螺全站仪用户较为友好，无需进行天文观测确定真北、不需要购置专业检测装置。

总之，本方法较之前的精度测试方法具有成本低、可操作性好、实用性强的优点，尤其适用于陀螺全站仪的日常性能测试、仪器长途运输后或作业前的精度测试。

附图说明

图1：实施例1的陀螺定向观测方位角；

图2：实施例1的角度观测值。

具体实施方式

下面结合说明书附图说明本发明的具体实施方式，公开实施方式的目的在于对本发明进行说明解释，而非是对本发明的限制，一切在本发明的基础上进行简单替换、组合和发展得到的技术方案，例如改陀螺全站仪为陀螺经纬仪，三目标点改为四目标点或多目标点，自由设站改为强制对中等其它设站方式等，都应落入本发明保护范围。

本发明在陀螺定向观测和角度观测的基础上，基于设站点与目标点的边角几何关系，发明一种新的陀螺全站仪定向精度测试方法。其中，陀螺全站仪可以在目标点围成的区域内任一点自由设站，仅整平不对中，以相邻目标点夹角为研究对象，采用菲列罗公式进行精度计算，可以充分反映陀螺定向观测方位角误差的离散程度。对广大陀螺全站仪用户的日常维护和作业前精度测试具有较强的实用价值。

实施例一

陀螺仪型号为BJT-3，标称定向精度±3.6″，配套全站仪为徕卡TS15，标称测角精度±1″，测距精度±(1mm+1.5ppm)。A、B、C目标点均架设棱镜，设站点与三个目标点间距约100m，并进行整平，并确保陀螺仪指北标识指向正北方向。进行陀螺定向观测，使用陀螺全站仪对三个目标点A、B、C先后独立进行6次定向观测，取平均值，得陀螺定向观测方位角分别为α_A、α_B、α_C。进行角度观测，保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测6次，取平均值，得到角度观测值β_A、β_B、β_C，观测数据见表1、表2，并对于各个角度的多次测量取均值。

如图1、图2所示。α_A＝304°33′10.1″、α_B＝105°51′14.9″、α_C＝237°36′29.8″、β_A＝0°00A00″、β_B＝161°18′07.4″、β_C＝293°03′17.4″。

进而得到：

∠APB＝(α_B-α_A)+n×360°＝161°18′04.8″(n＝1)；

∠APB′＝β_B-β_A＝161°18′07.4″；

∠BPC＝(α_C-α_B)+n×360°＝131°45′14.9″(n＝0)；

∠BPC′＝β_C-β_B＝131°45′10.0″；

∠CPA＝(α_A-α_C)+n×360°＝66°56′40.3″(n＝0)；

∠CPA′＝(β_A-β_C)+n×360°＝66°56′42.6″(n＝1)。

∠APB+∠BPC+∠CPA＝360°、∠APB′+∠BPC′+∠CPA′＝360°

Δ₁＝∠APB′-∠APB＝2.60″；

Δ₂＝∠BPC′-∠BPC＝-4.90″；

Δ₃＝∠CPA′-∠CPA＝2.30″。

进行计算得到

可见BJT-3陀螺全站仪测试精度为±3.5″，满足标称精度要求。

实施例二

陀螺仪型号为GYROMAT-3000，标称定向精度±3.2″，配套全站仪为徕卡TS30，标称测角精度±0.5″，测距精度±(0.6mm+1.0ppm)。A、B、C目标点均架设棱镜，设站点与三个目标点间距约150m，并进行整平，并确保陀螺仪指北标识指向正北方向。进行陀螺定向观测，使用陀螺全站仪对三个目标点A、B、C先后独立进行6次定向观测，取平均值，得陀螺定向观测方位角分别为α_A、α_B、α_C。进行角度观测，保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测6次，取平均值，得到角度观测值β_A、β_B、β_C，观测数据见表3、表4。

进行计算得到m＝±3.2″。可见GYROMAT-3000陀螺全站仪测试精度为±3.2″，满足标称精度要求。

实施例三

陀螺仪型号为HGG05，标称定向精度±5″，配套全站仪为徕卡TS16，标称测角精度±1″，测距精度±(1mm+1.5ppm)。A、B、C目标点均架设棱镜，中部任意位置架设仪器，设站点与三个目标点间距约80m，并进行整平，并确保陀螺仪指北标识指向正北方向。进行陀螺定向观测，使用陀螺全站仪对三个目标点A、B、C先后独立进行6次定向观测，取平均值，得陀螺定向观测方位角分别为α_A、α_B、α_C。进行角度观测，保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测6次，取平均值，得到角度观测值β_A、β_B、β_C，观测数据见表5、表6。

进行计算得到m＝±4.7″。可见HGG05陀螺全站仪测试精度为±4.7″，满足标称精度要求。

表1实施例1的陀螺定向观测方位角

表2实施例1的角度观测值

表3实施例2的陀螺定向观测方位角

表4实施例2的角度观测值

表5实施例3的陀螺定向观测方位角

表6实施例3的角度观测值

Claims (3)

1.一种陀螺全站仪定向精度测试方法，其特征在于：适用于陀螺全站仪的全站仪的标称测角精度小于等于陀螺全站仪的陀螺仪的标称定向精度的三分之一的情况，具体包括如下步骤：

a.寻找三个目标点A、B、C，分别架设棱镜；

b.将陀螺全站仪架设在三个目标点形成的三角形区域内任一处的P点，进行整平，并确保陀螺仪指北标识指向正北方向；

c.进行陀螺定向观测，对三个目标点A、B、C先后独立进行定向观测，测得陀螺定向观测方位角分别为α_A、α_B、α_C，计算出相邻点的夹角值∠APB、∠BPC、∠CPA的值；

d.进行角度观测，保持陀螺全站仪和三个目标棱镜点不动，检查全站仪电子气泡，并确认居中，以PA测线为基准，采用陀螺全站仪中的全站仪的测角功能对A、B、C进行全圆法角度观测，得到角度观测值β_A、β_B、β_C，并计算出相邻点的夹角值∠APB′、∠BPC′、∠CPA′；

e.由∠APB、∠BPC、∠CPA、∠APB′、∠BPC′、∠CPA′计算得到三个角差Δ₁、Δ₂、Δ₃，使用菲列罗公式计算陀螺全站仪定向精度m；

其中：Δ₁＝∠APB′-∠APB；

Δ₂＝∠BPC′-∠BPC；

Δ₃＝∠CPA′-∠CPA；

2.如权利要求1所述的一种陀螺全站仪定向精度测试方法，其特征在于：所述的：

∠APB＝(α_B-α_A)+n×360°，n＝0或1，使得∠APB最终处于0°-360°之间；

∠BPC＝(α_C-α_B)+n×360°，n＝0或1，使得∠BPC最终处于0°-360°之间；

∠CPA＝(α_A-α_C)+n×360°，n＝0或1，使得∠CPA最终处于0°-360°之间。

3.如权利要求1所述的一种陀螺全站仪定向精度测试方法，其特征在于：所述的：

∠APB′＝β_B-β_A；

∠BPC′＝β_C-β_B；

∠CPA′＝(β_A-β_C)+n×360°，n＝0或1，使得∠CPA′最终处于0°-360°之间。

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