[科普中國]-陀螺經(jīng)緯儀

簡(jiǎn)述

陀螺經(jīng)緯儀，是陀螺儀和經(jīng)緯儀通過連接機(jī)構(gòu)結(jié)合為一體的用以測(cè)定真北方位角的儀器。它利用陀螺儀本身的物理特性（定軸性和進(jìn)動(dòng)性），采用金屬帶懸掛重心下移的陀螺靈敏部來敏感地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量，在重力作用下，產(chǎn)生一個(gè)向北進(jìn)動(dòng)的力矩，使陀螺儀主軸圍繞地球子午面往復(fù)擺動(dòng)，從而測(cè)定真北方位角。陀螺經(jīng)緯儀廣泛應(yīng)用于礦山測(cè)量、工程測(cè)量和軍事測(cè)繪中，也是雷達(dá)天線定向、無人機(jī)飛行定向、火炮和遠(yuǎn)程武器發(fā)射定向的重要配套設(shè)備。

陀螺經(jīng)緯儀由陀螺儀和經(jīng)緯儀兩部分組成。經(jīng)緯儀于1730年由英國人發(fā)明，經(jīng)過金屬經(jīng)緯儀的漫長過程，20世紀(jì)20年代發(fā)展為光學(xué)經(jīng)緯儀，60年代以來進(jìn)入電子經(jīng)緯儀階段，現(xiàn)已相當(dāng)先進(jìn)，向著智能化方向發(fā)展。陀螺儀是陀螺經(jīng)緯儀的主體，主導(dǎo)著整機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。

陀螺經(jīng)緯儀按定向準(zhǔn)確度可分為工程級(jí)（定向準(zhǔn)確度在10''以外）和精密級(jí)（定向準(zhǔn)確度在10''以內(nèi)）。定向原理除了英美曾經(jīng)用過的速度式外，一般都用擺式。陀螺儀和經(jīng)緯儀整體使用，結(jié)合方式有下掛式和上架式兩類。下掛式儀器是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，幾乎所有的精密級(jí)儀器和自動(dòng)化程度較高的儀器均屬此類。

陀螺經(jīng)緯儀的使用方式與構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān)。一般上架式儀器都用人工測(cè)法，下掛式儀器多用自動(dòng)測(cè)法。自動(dòng)測(cè)法儀器主要采用自動(dòng)跟蹤法、多點(diǎn)光電計(jì)時(shí)法和光電積分法觀測(cè)。其中，光電積分法最為先進(jìn)。人工測(cè)法主要采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法、中天時(shí)間法、記時(shí)擺幅法和多點(diǎn)記時(shí)法觀測(cè)。

構(gòu)造陀螺經(jīng)緯儀由陀螺儀、經(jīng)緯儀和三腳架組成。

(1)陀螺儀

陀螺儀是系統(tǒng)的核心，主要由陀螺靈敏部、電磁屏蔽機(jī)構(gòu)、吊絲和導(dǎo)流絲、方位回轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動(dòng)裝置、阻尼裝置、慣性敏感部鎖緊裝置、支承和調(diào)平裝置、光電測(cè)角傳感器、電源、控制及顯示部分等組成。

陀螺靈敏部?jī)?nèi)有以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的陀螺電機(jī)，該陀螺電機(jī)由吊絲懸掛于陀螺框架并由導(dǎo)流絲供電。

陀螺靈敏部鎖緊裝置是為了在運(yùn)輸狀態(tài)下保證陀螺靈敏部安全，將慣性敏感部和框架固連。

阻尼裝置是為衰減陀螺靈敏部在釋放后的擺動(dòng)幅度，使其擺動(dòng)狀態(tài)滿足尋北要求，最終達(dá)到克服北向進(jìn)動(dòng)力矩，使陀螺靈敏部相對(duì)穩(wěn)定于慣性空間某一固定方位。阻尼有摩擦力阻尼、液體阻尼和電磁阻尼等方式。

方位吲轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)陀螺儀的方位回轉(zhuǎn)并提供回轉(zhuǎn)力矩和穩(wěn)定的傳動(dòng)。

支撐和調(diào)平裝置可實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀和陀螺儀之間的機(jī)械和光學(xué)對(duì)接、整套儀器的調(diào)平以及各部件組件的安裝固連。

光電測(cè)角傳感器包括檢測(cè)慣性敏感部擺動(dòng)角度的光電角度傳感器、檢測(cè)陀螺儀方位回轉(zhuǎn)角度的光柵碼盤系統(tǒng)。

電磁屏蔽主要用于屏蔽內(nèi)外磁場(chǎng)對(duì)陀螺尋北的干擾。

控制及顯示部分通過傳感器采集信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理，完成對(duì)陀螺儀敏感部的鎖緊及釋放、阻尼控制、方位隨動(dòng)、通信、解算、發(fā)送和顯示真北方位角等功能。

(2)經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀是系統(tǒng)的方位引出裝置，也可通過瞄準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)測(cè)量出目標(biāo)地理方位角或坐標(biāo)方位角。經(jīng)緯儀帶有自準(zhǔn)直功能，便于測(cè)量和標(biāo)校作業(yè)。通常，經(jīng)緯儀帶有串行通信接口，可實(shí)現(xiàn)和陀螺儀以及指揮系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通信。

(3)三腳架

三腳架提供陀螺經(jīng)緯儀的支撐。1

定向原理陀螺儀內(nèi)繞其對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有兩個(gè)重要特性：其一，為定軸性，即在沒有外力矩的作用下，陀螺轉(zhuǎn)軸的方向始終指向初始恒定方向；其二，為進(jìn)動(dòng)性，即在外力矩的作用下，陀螺轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，沿最短路程向外力矩的旋轉(zhuǎn)軸所在鉛垂面靠攏，直到兩軸處于同一鉛垂面為止。

真子午線是過地球自轉(zhuǎn)軸的平面（子午面）與地球表面的交線，因此地面真子午線（真北方向）與地球自轉(zhuǎn)軸處于同一鉛垂面內(nèi)。當(dāng)陀螺儀的陀螺高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)軸不在地面真子午線的鉛垂面內(nèi)時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)軸在地球自轉(zhuǎn)的力矩作用下產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，向真子午線和地球自轉(zhuǎn)軸所在的鉛垂面靠近，于是陀螺的轉(zhuǎn)軸就可以自動(dòng)地指示出真北方向。

高速旋轉(zhuǎn)的自由陀螺的轉(zhuǎn)軸在慣性作用下不會(huì)靜止在真北方向，而是在真北方向左右擺動(dòng)。陀螺轉(zhuǎn)軸東西擺動(dòng)的最大振幅處稱為逆轉(zhuǎn)點(diǎn)。因此，陀螺儀與經(jīng)緯儀相結(jié)合，用經(jīng)緯儀跟蹤光標(biāo)東西逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，讀取水平度盤讀數(shù)并取其平均值，從而求得真北方向。2

應(yīng)用(1)隧道中心線測(cè)量

在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測(cè)量一般采用難以保證精度的長距離導(dǎo)線，特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘的情況，從立坑的短基準(zhǔn)中心線出發(fā)必須有很高的測(cè)角精度和移站精度，測(cè)量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對(duì)應(yīng)檢查，以確保測(cè)量的精度。特別是在密集的城市地區(qū)，檢核條件困難，不可能進(jìn)行過多的檢測(cè)作業(yè)。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對(duì)高精度的方位基準(zhǔn)，而且可減少耗費(fèi)很高的檢測(cè)作業(yè)（檢查點(diǎn)最少），是一種效率很高的中心線測(cè)量方法。

(2)通視障礙時(shí)的方向角獲取

當(dāng)有通視障礙，不能從已知點(diǎn)獲得方向角時(shí)，可以采用天文測(cè)量或陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法獲取方向角。與天文測(cè)量比較，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法有很多優(yōu)越性：對(duì)天氣的依賴少、無須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場(chǎng)可以得到任意測(cè)線的方向角而容易計(jì)算閉合差。

(3)日影計(jì)算所需的真北測(cè)定

在城市或近郊地區(qū)對(duì)高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請(qǐng)時(shí)，要附加日影圖。此日影圖是指以冬至的真太陽時(shí)的8:00～16:00為基準(zhǔn)，為了計(jì)算、圖面繪制的需要，進(jìn)行高精度真北方向的測(cè)定。此時(shí)使用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量可不受天氣、時(shí)間等影響。3