案例KS-Q004陀螺全站仪测量井下导线方位角.doc

1、案例 KS-Q004 陀螺全站仪测量井下导线方位角一、案例来源XX 矿位于云南省境内，属侵蚀剥蚀山地地形，地势陡峻。矿区属于山地、高山地区，平均海拔1200 多米。随着矿山采矿工业的日益发张， 机械化和自动化矿井的兴建， 老矿井的改建和扩建，开采深度和开采范围都在扩大， 陀螺全站仪是一种全天候的，且不依赖其他条件能够测定真北方位的物理定向仪器， 可以在井下任何巷道地点定向， 定向精度不受井深影响。 矿山测绘技术部引进 HGG05 积分型全自动陀螺全站仪，采用陀螺全站仪定向，一方面解决了地下导线的起始方位角，另一方面还可以在井下导线中加测一定数量的陀螺方位角，限制误差积累， 提高井下控制网的精度

2、和可靠性。特别在保证大型贯通工程正确和安全地进行，非常有益。二、案例描述（一）项目概况研究解决陀螺全站仪在XX 铜矿开拓巷道导线、 中大型（500米以上） 巷道贯通精度等方面应用的技术难题，分为陀螺全站仪常数稳定性试验分析及陀螺测量方位应用在井下导线平差中的可行性分析与研究， 以确认陀螺测量在导线平差中的稳定性与可行性，提高进行开拓巷道导线平面精度，保证中大型巷道平面贯通的准确性与有效性。理论层面完成陀螺全站仪测量原理的分析，提出子午线收敛角分析计算的各种方法、对比及应用情况；完成陀螺方位的计算及改正；完成影响陀螺测量精度的各因素的分析及规律研究。应用层面完成地表控制网精度分析，研究控制网导线

3、边方位应用在仪器常数标定时的可行性，提出实验方法及分析方法；测量实验研究解决陀螺全站仪及其仪器常数的稳定性，提出科学的、切实可行的测试与分析方法；井下导线边陀螺方位测量实验与分析，研究解决陀螺测量方位应用在井下导线平差中的可行性。（二）资料准备1.矿权核查GPS 四等控制网和矿权核查GPS 一级控制网；2.矿区四等导线控制网；3.1:2000 数字化地形图（Auto DWG 格式）（三）技术依据1.GB 50026 - 2007工程测量规范；2.GB/T12898 2009国家三、四等水准测量规范；3.GB/T 18314 2009全球定位系统（GPS）测量规范；（四）坐标系统1.平面坐标系：

4、北京54 坐标系，中央子午线东经102 度；2.高程系统：1985 国家高程基准；（五）测量方案及精度要求1.陀螺全站仪测量方案的内容如下： 研究子午线收敛角的计算、分析，及其适用情况； 分析现有地表控制导线资料的精度情况，选择一条高精度的导线作为陀螺常数标定的已知边；对陀螺仪进行稳定性的测试与实验；陀螺全站仪常数的标定与稳定性分析；在井下进行陀螺测量实验与分析。2.主要的技术指标及精度指标如下:测角误差 5；地表仪器常数标定时间为1 个月内每6 天进行一次； 地表仪器常数标定测量测回数为8 测回； 每测回仪器休息时间为5 分钟； 相邻两测回间仪器的基准镜差值50； 相邻两测回间仪器的静态零位

5、差值100； 相邻两测回间仪器陀螺测量方位差值30；（六）测量前准备1.规范情况：根据控制测量规范、煤矿测量规范、XX铜矿生产技术规程等相关测量规程进行；2.控制资料情况：高精度的地表四等导线控制网、GPS 静态测量成果及井下导线网控制成果；3.仪器情况：陀螺全站仪1 台、 GPS 接收机 4 台、全站仪2 台、笔记本电脑2 台，汽车 2 台。（七）测量管理1.子午线收敛角计算方法对比与分析陀螺全站仪可以精确的测定地面和井下巷道任意测站的地理方位角。一般地面精密导线、三角网或GPS 网的坐标方位角是已知，待求的井下定向边也是求出其坐标方位角， 而不是地理方位角。 因此还需要求算子午线收敛角。

6、子午线收敛角是影响陀螺定向结果准确性的因素之一，不同测站的子午线收敛角不同，需分别求算并改正之。子午线收敛角计算的方法有多种， 可以按平面直角坐标值计算， 也可采用大地坐标。 顾及精度高低， 有严密计算公式和简化计算公式之分。（ 1）按平面直角坐标计算子午线收敛角按平面直角坐标计算子午线收敛角的严密计算可按如下公式：式中，为测站子午线收敛角；y 为测站点的横坐标；N 为参考椭球体卯酉圈的曲率半径,按下式计算：式中，为测站的纬度此公式计算的子午线收敛角 值，可以精确到 0.01 。对精度要求不高时，计算 值可不必用上式计算，而用下面的简化公式，即：式中，为测站子午线收敛角；y 为测站点的横坐标；

7、N 为参考椭球体卯酉圈的曲率半径,按下式计算：式中，为测站的纬度。为了使用的方便，也可以以纵坐标 X （以公里为单位）为引数制成子午线收敛角系数表，计算公式如下：式中。系数 K 可以根据纬度 及卯酉圈曲率半径 N 制成专用表，子午线收敛角系数如表 4-1 所示。使用的过程中，以纵坐标 X （以公里为单位）为引数从表中查取 K 值。计算值以东为正，以西为负。 以分为单位。表 33 子午线收敛角系数表K(KMK(KMK(KMK(KMKKKK)1000.008516000.13931000.286546000.476885911101532000.01717000.148132000.2975470

8、00.492185921111573000.025518000.153733000.308648000.507886931141624000.034119000.166634000.3249000.52486931161675000.042620000.175935000.331650000.540786951181726000.051221000.185436000.313451000.557986951201787000.059822000.194937000.355452000.575786971231848000.068423000.204638000.367753000.591187

9、971251909000.077124000.214339000.380254000.6131879912919710000.085825000.224240000.393155000.63288710013120511000.094526000.234241000.406256000.65338810213121212000.103327000.244442000.419657000.67548810313822213000.112128000.254743000.433458000.69678910414123014000.12129000.265144000.447559000.7197

10、9010714424015000.1330000.275345000.461960000.747390107149248（ 2）按测站经度和纬度计算子午线收敛角按大地坐标计算子午线收敛角的严密公式如下：式中， B 为测站纬度；L 为测站至中央子午线的经差；的计算公式为：=e cos2B；在实际应用过程中，常取其第一项，得到简化公式如下：式中， B 为测站纬度；L 为测站至中央子午线的经差；2.HGG05 陀螺全站仪常数测试与其稳定性分析为了检验HGG05 陀螺全站仪及其常数的稳定性和可靠性，在稳定可靠的已知边上分批次按周期进行了测试，并采取间接测量的方法获得仪器常数， 并对观测值及其仪器常数的

11、精度和标准偏差进行了分析检验。在矿区地表，选用交通方便的导线边HP-HZ02 和 3521HL 作为已知方位角导线边，其起算方位角中误差分别为0.65 和1.43 ，测定陀螺全站仪常数，可以保证陀螺全站仪常数稳定性试验分析的可靠性要求。导线两端点在观测过程中点位稳定，避免由于点位的位移将作为系统误差带入后续陀螺定向测量成果中。导线边HP-HZ02的距离为1.7 公里，导线边3521HL 的距离为1.2 公里，克服了仪器对中误差和目标对中误差对标定仪器常数的影响，按对中误差1mm 计算，引起的方向偏差在1 以内，可以忽略。为了减小系统性影响，每测回都需要重新对中整平陀螺全站仪。采取上述措施后，

12、可认为在矿区用来测定仪器常数的已知边的天文方位角是不变的， 陀螺全站仪测定的方位角主要与仪器的结构参数是否变化以及定向测量误差有关。为了检验定向结果的准确性和可靠性，项目测试采取导线边对向观测，选取 8 组实地测试， 每站观测68 测回，为了检验其常数的稳定性，在10 月初进行最后一次检测，整个时间周期为三个月。3.井下陀螺全站仪测量及其数据分析在地面稳定的两条坚强导线边上，通过6 组12 次观测，测定了HGG05 陀螺全站仪的仪器常数=-14 30 35 ，其精度为7 。用陀螺全站仪测定井下导线边坐标方位角相对于地面坚强边的中误差，即井下陀螺定向中误差，陀螺定向方位角及附合导线边差值根据矿山

13、的生产实际，为了减少井下作业时间，尽可能少的影响日常生产，选择其中的两条陀螺导线边，加以对比分析之用，具体的观测数及相关计算如表所示。 结合井下导线网的情况， 选择在 “600 、 采准干线至地表 ”的导线边 WJ1-WJ2 和 “680 段充填巷至米底莫B80-96 线地质探矿工程”导线边 IX4-IX5 ，进行井下陀螺方位角测定。（八）测量成果1.子午线收敛角计算的实验结果及分析采用计算机编程，编写上述四种子午线收敛角的计算公式。计算四等导线网点的子午线收敛角，计算结果如表44 所示。表 44四等导线网点及矿区边缘点子午线收敛角计算表从上表 4-2 可看出， 严密公式和简化公式算出的子午线

14、收敛角差值最大为0.1 。不同子午线收角计算方法计算的子午线收敛角结果相差很小， 可以忽略不计。 为了对矿区控制网点的子午线收敛角有一个整体了解， 选取矿区东西南北四个控制点计算其子午线收敛角，并求算其差值，如表45 所示。表45 矿区四等 GPS网南北东北点子午线收敛角点号子午线收敛角（）三家-000812楚江-001003ZG24-001135胃白-000609南北点差值00 01 53东西点差值-00 05 26从上表 4-3可以看出， XX 铜矿矿区控制网最南北点的子午线收敛角差值为 01 53 ；最东西点的子午线收敛角差值为 05 26 。矿区控制网各个边缘点位子午线收敛的差值达到分

15、级。为了比较矿区及井上下不同地点的子午线收敛角差异，选取井上与井下陀螺定向点，计算其子午线收敛角并求算它们的互差，如表46 所示。地表不同陀螺定向边端点的子午收敛角有秒级的差异，井上下陀螺定向边的差值达到分级， 所以不同地点的子午线收敛角应该分别计算。表 46 地面、井下陀螺定向边端点的子午线收敛角差值表综上所述， 在实际进行陀螺方位角测量中，必须顾及子午线收敛角对坐标方位角计算结果的影响。按平面直角坐标或大地坐标计算子午线收敛角公式， 及其严密公式和简化公式算出的子午线收敛角差值相差很小， 差值可以忽略不计。矿区地面点与井下点的子午线收敛角的差值达到分级， 必须考虑地面已知边与井下未知点子午

16、线收敛角之差的影响。 在矿区， 统一采用子午线收敛角的严密公式进行子午线收敛角的计算。为了更好的服务了实际生产，项目组成员用VB程序语言开发了电脑客服端子午线收敛角计算应用程序，用JAVA语言编写了安卓手机客户端的子午线收敛角计算应用程序。子午线收敛角计算应用程序取名为子午线收敛角计算软件V1.0 。子午线收敛角计算软件 V1.0 主界面如图 11 所示。图 4-1 软件主界面从检测数据明显可以看出，在整个测试过程中，12 个仪器常数的最大最小值互差 20 。根据极限误差理论，取置信度为95%的稳定性要求m= 19.8 。常数最大互差略微大于稳定性的要求，陀螺全站仪仪器常数的时间稳定性属于一般

17、状态。分析其原因， 主要是因为观测过程中， 外界差异比较明显， 其中包括重车引起的剧烈震动和温差变化大， 导致陀螺全站仪系统误差在不同的环境中发生变化，最终影响仪器常数的标定。 影响仪器常数稳定性的诸多因素中，归纳起来看，温度的变化、 震动、悬带零位是影响仪器常数稳定性的主要原因。在陀螺全站仪的使用过程中， 应尽量避免受外部震动的影响，工作环境温差不宜过大， 每隔两个月或测量 100 次之后，亦或经过长途运输，都应对仪器常数及时进行标定和检测。2.HGG05 陀螺全站仪常数确定及稳定性分析陀螺全站仪常数的测定精度和可靠性直接影响到定位结果的精度和可靠性。 由于仪器常数不能直接得到，在实际作业中

18、都是采取间接测量的方法获得仪器常数。选用交通方便的导线边HP HZ02 和3521 HL 作为已知方位角导线边标定仪器常数，其起算方位角中误差分别为0.65 和 1.43 ，子午线收敛角使用平面坐标严密公式计算得到，其误差可以忽略不计。仪器常数 + 。观测资料及坐标陀螺相关计算如表47 所示。表 47HGG05陀螺全站仪仪器常数计算统计表表 48仪器常数变化由于陀螺全站仪结构、性能、外界环境、时间等多方面的原因，仪器常数不是一个恒量，不同程度的存在着仪器常数的漂移现象。次标定的仪器常数共6 组 12 个，仪器常数变化如表4-6 所示。本将 12 次仪器常数数据资料综合在一起进行精度评定，由推算

19、的仪器常数精度可得综合仪器常数中误差为：。按95%的置信区间检测为。由仪器常数成果计算仪器常数中误差为：。可认为两种方法统计得到的精度一致。，故仪器常数精度稳定，陀螺全站仪的仪器常数会随时间发生变化，仪器常数的变化如图4-2 所示。图 4-2仪器常数随时间变化曲线从表 4-6 中检测数据明显可以看出，在整个测试过程中，12 个仪器常数的最大最小值互差20 。根据极限误差理论，取置信度为95%的稳定性要求m= 19.8 。常数最大互差略微大于稳定性的要求，陀螺全站仪仪器常数的时间稳定性属于一般状态。分析其原因， 主要是因为观测过程中，外界差异比较明显，其中包括重车引起的剧烈震动和温差变化大，导致

20、陀螺全站仪系统误差在不同的环境中发生变化，最终影响仪器常数的标定。影响仪器常数稳定性的诸多因素中，归纳起来看，温度的变化、震动、悬带零位是影响仪器常数稳定性的主要原因。 在陀螺全站仪的使用过程中，应尽量避免受外部震动的影响，工作环境温差不宜过大，每隔两个月或测量100 次之后，亦或经过长途运输，都应对仪器常数及时进行标定和检测。3.井下陀螺测量现场测试及其数据分析根据矿山的生产实际，结合井下导线网的情况，选择在“600、采准干线至地表 ”的导线边 WJ1-WJ2 和 “680段充填巷至米底莫 B80-96 线地质探矿工程 ”导线边 IX4-IX5 ，进行井下陀螺方位角测定。XX 铜矿测绘技术部

21、拥有其他的陀螺方位角观测数据，为了减少井下作业时间， 尽可能少的影响日常生产， 选择其中的两条陀螺导线边，加以对比分析之用，具体的观测数及相关计算如表4-7 和表 4-8所示。在地面稳定的两条坚强导线边上，通过6 组12 次观测，测定了HGG05陀螺全站仪的仪器常数=-14 30 35，其精度为7 。用陀螺全站仪测定井下导线边坐标方位角相对于地面坚强边的中误差，即井下陀螺定向中误差，陀螺定向方位角及附合导线边差值，如下表53所示。表 49IX4-IX5 井下陀螺方位角测量计算表表 50 WJ1-WJ2井下陀螺方位角测量计算表表 51X7-X8 井下陀螺方位角测量计算表表 52T704-T70A井下陀螺方位角测量计算表表 53 陀螺定向方位角及附合导线边差值导线边WJ1-WJ2（附合导线） IX4-IX5（支导线） T704-T70A （附合导线）陀螺方位平均值330 40181576 016125 5542平均值中4.47.4误差子午线收敛角陀螺全站仪仪器常数陀螺坐标方位角平均值中误差附合导线坐标方位角导线坐标方位角差值-000915-000912