《陀螺定向测量技术规程》（征求意见稿）

陀螺定向测量技术规程本文件规定了陀螺经纬仪定向测量的总体要求、陀螺定向测量、陀螺定向方位传递测量、质量控制与成果提交的内容和要求。本文件适用于采用机械式陀螺经纬仪进行的陀螺定向测量工作。2规范性引用文件本文件无规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1陀螺仪gyroscope高速旋转的均质自由刚体，在一定的支承条件下（气浮、液浮、悬挂带、磁悬浮利用动量矩敏感壳体相对于惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动装置。3.2陀螺经纬仪gyrotheodolite一种将陀螺仪与经纬仪（或与经纬仪等效功能的测量仪器，如：全站仪）集成连接于一体，通过陀螺仪敏感地球自转角动量，独立测定地理北方向，并配合经纬仪方向照准系统测量目标方向，从而测定目标方向线北向方位角的惯性定向测量仪器。3.3上架式陀螺经纬仪uppershelfgyrotheodolite陀螺经纬仪的陀螺仪部分位于经纬仪的上方，称为上架式陀螺经纬仪。3.4下架式陀螺经纬仪lowershelfgyrotheodolite陀螺经纬仪的陀螺仪部分位于经纬仪的下方，称为下架式陀螺经纬仪。3.5悬挂带陀螺经纬仪suspendedbandgyrotheodolite陀螺经纬仪的陀螺仪部分采用悬挂带支承技术的陀螺经纬仪。3.6磁悬浮陀螺经纬仪maglevgyrotheodolite2陀螺经纬仪的陀螺仪部分采用磁悬浮支承技术的陀螺经纬仪。3.7一测回陀螺定向测量oneroundofgyroorientationmeasuringprocess陀螺经纬仪一次独立寻北测量与目标方向两组正倒镜测量。3.8陀螺方位角gyroazimuth在水平面内，由陀螺通过敏感地球自转获得的北向方位开始，沿顺时针方向至目标方位之间的夹角，取值范围：0°~360°。3.9仪器常数instrumentconstant由于陀螺经纬仪的结构设计原因，陀螺指示的北向方位与地理子午线北方向之间的差值，一般用∆表示。3.10悬带零位suspensionbandzeroposition悬挂带陀螺在马达不转动时，陀螺灵敏部受悬挂带和导电游丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置（扭力矩为零的位置）与陀螺仪目镜分划板的零刻线位置之间的偏差。4总体要求4.1一般规定4.1.1用于陀螺定向测量的陀螺经纬仪应在检校有效期内。4.1.2陀螺经纬仪结构见附录A。4.2精度4.2.1陀螺经纬仪精度等级按照仪器的标称精度来划分，见表1。表1陀螺经纬仪精度等级划分ⅠⅡⅢmT≤5T＜304.2.2陀螺定向测量中，应根据测量要求选用相应等级的陀螺经纬仪；测量结果可采用一次定向中误差进行精度评定，计算方法见公式（1）：1βi−2mβ=n1βi−23式中：mβ——陀螺经纬仪一次定向中误差；βi——在同一测线上陀螺经纬仪第i次定向测量结果；——在同一测线上陀螺经纬仪多次定向测量结果的平均值；n——陀螺经纬仪重复测量次数。4.2.3陀螺定向测量结果进行精度评定时，应注明所在地区的纬度，纬度数值精确至0.1°。5陀螺定向测量5.1一般规定5.1.1陀螺定向测量应选用悬挂带陀螺经纬仪、磁悬浮陀螺经纬仪或其他类型陀螺经纬仪。5.1.2启动陀螺马达达到额定转速前和制动陀螺马达过程中，陀螺灵敏部必须处于锁紧或抱紧状态。5.1.3陀螺定向测量过程中，严禁移动陀螺经纬仪。5.1.4野外测量应避免阳光直接照射，雨雪大风等复杂气象条件下，应将陀螺经纬仪转站间接测量或停止测量。5.1.5由地面至地下或由地下至地面时，应将仪器静止30分钟后，再开始陀螺定向测量。5.1.6陀螺经纬仪目镜或其他光学器件受水汽、雾气等污染时，先用软毛刷轻拭，然后用镜头纸或软绒布揩拭。5.1.7陀螺经纬仪运输过程中应使用专门的防震包装箱，保持陀螺经纬仪垂直状态，不得倾斜、倒置。5.1.8陀螺经纬仪存放时，应装入包装箱内，保持陀螺经纬仪垂直状态，不得倾斜、倒置。5.1.9陀螺经纬仪存放环境应保持干燥、清洁、通风良好，不得置于热源或强电磁场附近。5.2悬挂带陀螺经纬仪定向测量5.2.1基本流程悬挂带陀螺经纬仪定向测量基本流程主要包括：悬挂带零位观测、粗略定向、精密定向、测后悬挂带零位观测、目标照准测量和陀螺定向方位角计算。具体流程见图1。4图1.悬挂带陀螺经纬仪定向测量基本流程5.2.2测前悬挂带零位观测5.2.2.1将悬挂带陀螺经纬仪整平。5.2.2.2启动陀螺马达前，下放陀螺灵敏部，通过陀螺目镜观察陀螺灵敏部目标线，并根据目标线在分划板上的摆动情况，连续读取三个逆转点格值读数（估读到0.1格），观测过程见图2。图2零位观测5.2.2.3通过三个逆转点格值读数计算悬挂带零位，见图2，计算方式见公式（2）：L=-(+a2)…………（2）式中：a1、a2、a3——各逆转点的格值读数；L——悬挂带零位。5.2.2.4悬挂带零位观测过程中，应同时对陀螺自由摆动周期进行测定。通过陀螺目镜观察陀螺灵敏部目标线的摆动，目标线穿过分划板零刻线时启动秒表记录时间t1，待目标线5摆动一个周期又穿过分划板零刻线时记录时间t2，两次记录的时间差即为陀螺自由摆动周期T，见图2。5.2.3粗略定向5.2.3.1粗略定向应将陀螺旋转轴大致指向正北方位。5.2.3.2粗略定向可采用以下方式进行：a)指南针定向；b)利用已知方位信息定向。5.2.3.3根据粗略定向得到的测站点正北方位安置陀螺经纬仪，使陀螺经纬仪北向标识指向正北方位，并严格进行整平对中。5.2.3.4具备全自动寻北功能的陀螺经纬仪，粗寻北过程可由陀螺经纬仪自动完成。5.2.4精密定向5.2.4.1粗寻北后，陀螺旋转轴在临近真北方向位置，应精确测定测线陀螺方位角完成精密定向。5.2.4.2精密定向方法主要包括：a)逆转点法；b)中天法；c)积分法。5.2.4.3采用逆转点法观测时，陀螺经纬仪在一个测站的操作程序如下：a)根据粗略定向方位，将望远镜视准轴转到近似北方位置；水平制动照准部，使照准部的水平微动螺旋位于中间位置；b)启动陀螺马达，达到额定转速后，缓慢下放陀螺灵敏部至半脱离位置，观察光标移动稳定后再全部下放，光标摆幅宜在1º~3º范围。c)跟踪摆动：水平微动螺旋调整照准部方向，使光标与分划板零刻线保持重合，在跟踪摆动过程中，连续读取5个逆转点读数u1、u2…、u5；跟踪摆动时，还需用秒表测定连续两次同一方向经过逆转点的时间，称为跟踪摆动周期。见图3：6图3.逆转点法观测d)锁紧灵敏部，制动陀螺马达；e)摆动平衡位置在水平度盘上的平均读数，称为陀螺北方向值，计算方法见公式（3）、公式（4），陀螺经纬仪定向记录表（逆转点法）示例见附录B。：N2=-(+u3)……………（3）NT=-(N1+N2+N3)………（4）式中：u1、u2⋯、u5——逆转点读数；N1、N2、N3——相邻三个逆转点中点位置均值；NT——陀螺北方向值。5.2.4.4采用中天法时，起始近似定向应位于±15'以内；观测过程中，经纬仪照准部应固定在近北方向上。具体操作程序如下：a)根据粗略定向方位，将经纬仪照准部固定在近似北方向N'上，并记录下N'值；定向过程中，照准部始终固定在这个方向上；b)启动陀螺马达，待达到额定转速后下放陀螺灵敏部，经限幅，光标摆幅宜在±8格范围。按下列顺序进行观测（见图4）：7图4中天法观测1）灵敏部指标线经过分划板零刻线时启动专用秒表，读取中天时间t1；2）灵敏部指标线到达逆转点时，在分划板上读取摆幅读数aE；3）灵敏部指标线返回零刻线时读出秒表上读数t2；4）灵敏部指标线达到另一逆转点时读摆幅读数aW；5）灵敏部指标线返回零刻线时再读秒表上中天时间t3。6）重复进行上述操作，一次定向需连续测定5次中天时间。记录不跟踪摆动周期T2。观测完毕，托起并锁紧灵敏部，制动陀螺马达。c)基本计算具体方式如下：1）摆动半周期TE、Tw：TE=t2−t1，Tw=t3−t2；2）时间差∆t：∆t=TE−TW；3）摆幅值a：a=；4）比例系数c，计算方法如下：——利用实际观测数据计算比例系数c，将经纬仪照准部摆在偏东10′和偏西10′位置，分别用中天法观测，求出时间差∆t1和∆t2，以及摆幅值a1和a2，具体计算见公式（5）、公式（6）：''………………（5）NT=N2+ca2∆t2N''………………（5）NT=N2+ca2∆t2c=a1t2…………………（6）注：c值与地理纬度有关，在同一地区南北不超过500km范围内可使用同一c值，超过这个8——利用摆动周期计算比例系数c，具体计算见公式（7）c=m…………………（7）式中：m—分划板分划值；T1—跟踪摆动周期；T2—不跟踪摆动周期。5）近似北方偏离平衡位置的改正数∆N：∆N=ca∆t；6）陀螺北方向值NT：NT=N'+∆N'=N'+ca∆t；7）以一个测回测定待定或已知测线方向值，前、后两测回的限差要求同逆转点法定向，取前、后两次的平均值作为测线方向值；5.2.4.55.2.4.5a)采用积分法时，具体操作程序如下：积分法应连续获取完整的陀螺摆动数据，其过程见图5。图5积分法原理图图中：N——陀螺在无阻尼情况下，摆动曲线的中心位置；aN——陀螺转子转轴方向偏离真北方向角度；ak——由于陀螺运动阻尼影响，使陀螺摆动平衡位置偏离陀螺零刻线的角度，R方向；t0——为曲线积分开始时刻；t1——为曲线积分结束时刻；T——从t0到t1一个陀螺摆动周期时间；ft)——以R为中心的周期函数；b)陀螺北方向值计算见公式（8）：NT=N'+C't0+Tftdt…………………（8）式中：NT——陀螺北方向值；9N'——近似北方向值；C'——陀螺摆动角与电荷耦合器件图像传感器采集像素间的换算关系。5.2.5测后悬挂带零位观测5.2.5.1测后零位观测，方法同测前零位观测，详见5.2.2。5.2.5.2测前测后零位观测互差结果不满足表2要求、或陀螺自由摆动周期发生变化时，应进行零位改正，见表2。表2测前测后零位观测互差ⅠⅡⅢ5.2.5.3零位改正值计算见公式（9）：∆a=λ∙∆a…………（9）式中：∆a——零位变化，∆a=mℎ,其中m为目镜分划板分划值，ℎ为零位格数；λ——零位改正系数；λ=T−TT，其中T1、T2分别为跟踪和不跟踪摆动周期。5.2.6目标照准测量5.2.6.1陀螺寻北测量结束后，应使用经纬仪部分进行目标照准测量。5.2.6.2目标照准测量步骤如下：a)盘左，照准目标方向，并读取水平度盘读数L1；b)盘右，照准目标方向，并读取水平度盘读数L2；c)盘左，照准目标方向，并读取水平度盘读数L3；d)盘右，照准目标方向，并读取水平度盘读数L4。5.2.7测线陀螺定向方位角计算根据5.2.6.2读数进行测线的陀螺定向方位角计算，具体见公式（10）：aT=NT………………（10）式中：aT——陀螺定向方位角；NT——陀螺北方向值。5.3磁悬浮陀螺经纬仪定向观测5.3.1基本流程磁悬浮陀螺经纬仪定向观测基本流程主要包括粗略定向和精密定向，具体流程见图6。图6磁悬浮陀螺经纬仪定向观测基本流程5.3.2粗略定向5.3.2.1磁悬浮陀螺经纬仪北向标识大致指向正北方位；5.3.2.2启动陀螺马达，陀螺灵敏部在回转系统的作用下，使陀螺旋转轴方向回转至北向标识方位；5.3.2.3锁定系统解锁，陀螺灵敏部悬浮；5.3.2.4力矩测量系统对陀螺灵敏部施加与指向力矩大小相等、方向相反的平衡力矩，并采集平衡力矩数据；5.3.2.5力矩采集结束，陀螺灵敏部下落并锁定；5.3.2.6根据采集的平衡力矩数据，计算该平衡位置（北向标识位置）与真北方向之间的夹角，具体计算方式见公式（11）；式中：a——陀螺灵敏部旋转轴平衡位置与真北方位之间的夹角；Mi——采集的第i个平衡力矩值；n——采集平衡力矩值的个数；H——陀螺角动量；幼e——地球自转角速度；φ——测区纬度。5.3.2.7回转系统根据计算的夹角值α,使陀螺灵敏部旋转轴方向继续向真北方向趋近；5.3.2.8重复5.3.2.4～5.3.2.7直至α角小于设定阈值，此时，粗寻北过程结束，陀螺灵敏部位于精寻北1位置。5.3.3精密定向5.3.3.1陀螺灵敏部位于精寻北1位置，并重复5.3.2.3～5.3.2.5，采集力矩值；5.3.3.2陀螺灵敏部回转180°,至精寻北2位置，并重复5.3.2.3～5.3.2.5，采集力矩值；5.3.3.3计算陀螺灵敏部旋转轴平衡位置与真北方位之间的夹角，具体见公式（12）a=Hφ………………（12）式中：a——陀螺灵敏部旋转轴平衡位置与真北方位之间的夹角；M1——陀螺灵敏部在精寻北1位置采集的力矩平均值；M2——陀螺灵敏部在精寻北2位置采集的力矩平均值；H——陀螺角动量；e——地球自转角速度；φ——测区纬度。5.3.3.4计算陀螺北向标识与测得北向方位之间的夹角，具体见公式（13）NT=L−01)+01−0±180∘)+a……………（13）式中：NT——陀螺北向标识与测得北向方位之间的夹角（寻北本体显示的寻北角值L——系统内固定轴线位置在度盘读数值；01——陀螺转子精寻北第一平衡位置的度盘读数值；02——陀螺转子精寻北第二平衡位置的度盘读数值；a——陀螺灵敏部旋转轴平衡位置与真北方位之间的夹角。5.3.4目标照准测量5.3.4.1陀螺寻北测量结束后，应使用经纬仪部分进行目标照准测量。5.3.4.2目标照准测量步骤如下：a)盘左，照准目标方向，并读取水平度盘读数L1；b)盘右，照准目标方向，并读取水平度盘读数L2；c)盘左，照准目标方向，并读取水平度盘读数L3；d)盘右，照准目标方向，并读取水平度盘读数L4。5.3.5测线陀螺定向方位角计算根据5.3.4.2读数进行测线的陀螺定向方位角计算，具体见公式（14）：aT=NT+……………（14）式中：“T——陀螺定向方位角；NT——陀螺北方向值。6陀螺定向方位传递测量6.1基本步骤6.1.1仪器常数测量应在已知方位的地面边（仪器常数边）上观测3测回陀螺方位角，计算仪器常数。6.1.2定向边方位测量应在定向边上观测3测回陀螺方位角。6.1.3仪器常数检核测量应返回原已知方位的地面边（仪器常数边重复6.1.1，观测2～3测回陀螺方位角，再次计算仪器常数。6.2仪器常数测量6.2.1基本要求仪器常数测量基本要求如下：a)不同的陀螺经纬仪具有不同的仪器常数，不同陀螺经纬仪的仪器常数不得交叉使b)在一次陀螺定向方位传递测量工作中，前后两次仪器常数测量，一般应在72小时c)在一次陀螺定向方位传递测量工作中，当相距最远的两条定向边，南北方向距离超过10km时，应增加仪器常数检核边；d)对于具备多种寻北模式的陀螺经纬仪，在一次陀螺定向方位传递测量工作中，只能采用一种寻北模式的测量结果。6.2.2仪器常数边点位的选取仪器常数边点位的选取应满足如下要求：a)点位应选在土质坚实、稳定可靠的地方，同时要便于陀螺经纬仪安置与观测；b)点位周围不应有影响陀螺寻北定向测量的干扰源；c)点位视野开阔，与目标点方向通视情况良好；d)在气象条件不良时，仪器常数边测站点可选在室内，且与室外照准点能够通视，通过转接角进行仪器常数测量。6.2.3仪器常数边建立方法可采用天文测量、GNSS测量、边角控制网测量方式，直接或间接获得仪器常数边已知方位信息。6.2.4仪器常数边已知数据准备仪器常数边的已知方位计算应准备以下数据：a)测区的地理纬度；b)测站点与目标点的大地经纬度或高斯平面直角坐标，或施工独立平面坐标。6.2.5子午线收敛角的计算子午线收敛角可采用下列方式计算：a)根据测站点大地经纬度坐标计算子午线收敛角，具体计算见公式（15）：t2)+⋯…………（15）t2)+⋯…………（15）式中，t=tanB，η=e'∙COs2B；e'——第二偏心率；B——测站点纬度；l——为测站点与中央子午线的经度差；b)根据测站点平面直角坐标计算子午线收敛角，具体计算见公式（16）：Y=YtanBf1(1+tan2Bf−η)…（16）式中：Nf=a/1−e2sin2Bf，ηf=e'COsBf；Bf——中央子午线上纵坐标等于已知点纵坐标时的子午线弧长所对应的纬度（称为底点纬度）；a——地球椭球的长半轴；e——第一偏心率；e'——第二偏心率；ρ——取206265。此式精度可达1秒。6.2.6仪器常数边真北方位值计算仪器常数边真北方位值可采用下列方式计算：a)利用大地坐标计算真北方位值步骤如下：1）辅助计算：w1=1−e2sin2B1,w2=1−e2sin2B2,sinu1=sinB11−e2,sinu2=sinB21−e2,,L=L2−L1,a1=sinu1sinu2,a2=COsu1COsu2,b1=COsu1sinu2,b2=sinu1COsu2。e为第一偏心率2）用趋次渐进法同时计算起点大地方位角及经差λ=L+δ:第一次趋近时su2sinλ,q=b1−b2cosλpA1=aTctanqp++ q+180°180°−A1 360°360°−A1A1=A1180°+A1sinσ=psinA1+qcosA1,cosσ=a1+a2cosλ,σ=aTctan sinσ cosσcosσ符号+σ=β'=2β=28189−94cos2A0×10−10β'=2β=28189−94cos2A0×10−10用算得的δ计算λ1=l+δ,依此，按上述步骤重新计算得δ2，再用δ2计算λ2，一直迭代，直到最后两次δ相同或小于给定的允许值。λ、A1、σ以及sinA0均采用最后一次计算的结果。3）反方位角计算方法见公式（17）：A2=aTctan……………（17）p++--q+180°180°−A2-360°360°−A2A2=A2180°+A2b)利用平面坐标计算真北方位值步骤如下。1）根据测线两端点的平面坐标计算测线坐标方位角，具体计算方法见公式（18aop=aTctan……………（18）式中：aop——测线op的坐标方位角；xo——为测站点纵坐标；yo——为测站点横坐标；xp——为照准点纵坐标；yp——为照准点横坐标。2）根据测站点坐标计算测站点处子午线收敛角，可参照6.2.5计算测站点子午线收敛角Yo；3）测线真方位值计算方法见公式（19）。Aop=aop+Yo……………（19）式中：Aop——测线op的真北方位角。6.2.7仪器常数边定向测量要求仪器常数边定向测量要求如下：a)每条定向边至少独立进行三个测回的观测，且各测回间定向结果最大互差不应超过陀螺经纬仪的两倍标称精度；b)测回间应重新安置架设陀螺经纬仪；c)陀螺定向超过三测回以上（含三测回），测回间应停机、断电间隔10分钟以上。6.2.8仪器常数计算陀螺经纬仪仪器常数可利用陀螺经纬仪在仪器常数边寻北定向测量结果，并通过与仪器常数边真北方位值的比对计算等到，具体计算方法见公式（20）：Δ=A−aT 式中：Δ——仪器常数；A——仪器常数边真北方位角；aT——陀螺经纬仪测量得到的仪器常数边方位角。6.2.9仪器常数的精度计算仪器常数的精度计算步骤如下：a）陀螺经纬仪在仪器常数边进行多测回的寻北定向测量，计算出各测回仪器常数及平均值，并根据仪器常数平均值计算各测回仪器常数的均值改正数，按公式（21）计算仪器常数精度：m=σ…………………（21）式中：vi——第i测回仪器常数的改正数，vi=aTi−;aTi——第i个测回陀螺经纬仪的定向值；——测回陀螺定向平均值；n——测回数。b）陀螺经纬仪仪器常数最或是值的中误差计算见公式（22）：m∆=……（22）c）仪器常数计算表见表3：表3仪器常数计算表″V″-11449∑″6.3定向边方位测量6.3.1定向边点位选取定向边所选取点位应与仪器常数边在统一的坐标系统中，选取要求见6.2.2。6.3.2定向边已知数据准备定向边测站点平面坐标值。6.3.3定向边方位测量要求定向边方位测量要求见6.2.7。6.3.4定向边坐标方位角计算定向边坐标方位角计算步骤如下：a）根据陀螺定向方位值a'T和仪器常数∆,按照6.2.8，公式（18），计算定向边真方位角A'；b）利用定向边测站点平面坐标，按照6.2.5，计算定向边子午线收敛角Y'；c）计算定向边坐标方位角：a'=A'−Y'。6.4陀螺定向成果精度计算陀螺定向成果精度计算可按6.2.9进行计算；也可采用双观测列的计算方法，具体见公式（23）：m=±1d……（23）2n式中：d——一条定向边两测回陀螺定向观测值之差；n——差值个数。7质量控制陀螺定向测量过程中应按以下要求进行质量控制：a)原始观测记录和计算成果应记录真实、注记明确、计算清楚、格式统一；b)纸质成果应装订成册，电子成果应拷贝或刻录光盘并作好记录，两种成果均应长期保管；c)原始观测和记事项目应在现场记录清楚，注明观测者、记录者、观测日期、起迄时间、气象条件、使用的仪器品牌、类型、编号等。纸质记录不得涂改或凭记忆补记，各记录须编列页次；d)记录、计算的取位应符合相关工程规范成果整理及取位的规定。8成果提交陀螺定向测量完成后，提交的测量成果报告应包含以下内容：a)陀螺定向测量工作任务说明（包括：工程概况、测区纬度、海拔、已知点位坐标等，应明确定向工作需求和目标）；b)使用设备情况说明（包括：陀螺经纬仪的类型、品牌、型号、编号、一次定向标称精度等）；c)陀螺定向测量与计算方案；d)野外观测记录,包括：观测时间、气象条件、测区纬度、仪器编号、观测者、记录者各定向边测站点、照准点点名、测站位置（地面、地下）、陀螺寻北值、经纬仪照准值等。e)仪器常数计算表；f)定向成果计算流程；g)定向结论与建议；h)已知点坐标数据表（须注明坐标系）；i)陀螺经纬仪检定证书。（资料性）陀螺经纬仪的组成结构陀螺经纬仪由陀螺仪、