向偏角為Z N0A記為a 位置為A位置的對稱位置，與真北方向偏角為Z N0B，其 值同樣為a ^位置為B位置的倒鏡位置（與B位置相差180° ) ;D位置為A位置的倒鏡 位置（與A位置相差180° );從原理上分析，陀螺在A、B、C、D四個位置的力矩值分別為：
[0097]
[0098] 假設陀螺靈敏部受到的系統(tǒng)性干擾力矩為Mf，則陀螺旋轉軸在A位置的實測力矩 值為：
[0099] M:=MA+Mf (5)
[0100] 如果將第二尋北位置選在B位置，第一個尋北位置（A位置）可能與B位置非常接 近，那么A、B兩位置的尋北成果差異性就會很小，二次尋北就會失去意義。
[0101] 如果將第二尋北位置選在C位置，在該位置的尋北力矩值與第一個尋北位置（A位 置）的尋北力矩值是完全一致的，但陀螺旋轉軸已經回轉接近180°，如果在該位置陀螺靈 敏部受到的系統(tǒng)性干擾力矩值近似為_Mf，那么陀螺旋轉軸在C位置的實測力矩值為：
[0102] M2~MA-Mf (6)
[0103] 根據（1)、（3)、（5)、（6)式，可計算在兩個位置的陀螺旋轉軸的北向偏角平均值 為：
[0105] 如果將第二尋北位置選在D位置，在該位置的尋北力矩與第一個尋北位置（A位 置）的尋北力矩大小相等方向相反，而且在該位置陀螺旋轉軸剛好回轉了 180°，能夠消除 水平測角的偏心誤差，如果在該位置陀螺靈敏部受到的系統(tǒng)性干擾力矩Mf，那么陀螺旋轉 軸在D位置的實測力矩值為：
[0106] M2=-MA+Mf (8)
[0107] 根據（1)、（4)、（5)、⑶式，可計算陀螺旋轉軸的北向偏角為：
[0109] 將（7)和（9)式兩種計算陀螺旋轉軸北向偏角的方法比較而言，差別僅在于對干 擾力矩仏的認知上，由于磁懸浮陀螺儀的系統(tǒng)結構十分復雜，加上外界環(huán)境影響的不確定 性，對于仏的特性還有待于進行深入研宄。在實際實驗中，將D位置作為第二尋北位置并 使用（9)式計算陀螺旋轉軸的北向偏角，取得的結果更加精確，分析可能原因如下：
[0110] 第一，D位置位于與A位置成180°的"倒鏡"觀測位置，這符合一般水平角正倒鏡 的觀測原則，并有利于消除系統(tǒng)的偏心誤差；
[0111] 第二，D位置的尋北力矩與A位置的尋北力矩值大小相等，方向相反；在兩次尋北 過程中有利于消除力矩器的系統(tǒng)誤差。
[0112] 本發(fā)明的雙位置回轉尋北測量方法，解決了傳統(tǒng)懸掛式陀螺全站儀尋北方法尋北 時間長、數據穩(wěn)定性差、數據可靠性低、系統(tǒng)性誤差難以剔除等問題，增強了儀器的環(huán)境適 應性。
【主權項】
1. 一種基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征在于，具體包括 如下步驟： 一、 安置儀器；在測站點安置儀器，使北向標識位于真北方向（-10°，+10° )區(qū)間內， 調整并對中； 二、 巧螺定向測量： a. 啟動馬達啟動加速模塊、盤位轉換模塊，使巧螺馬達旋轉軸方向對準巧螺儀測角裝 置17中的電子度盤零刻度線方向； b. 第一位置尋北測量；依次啟動支承解鎖模塊、電流及光電信號采集模塊，得到多組 電流數據W及光電信號數據；根據電流數據計算得到巧螺靈敏部力矩值，并根據光電信號 數據W及反射光線與入射光線的位置，計算巧螺靈敏部的角度位移量；啟動穩(wěn)定檢測模塊， 如果巧螺靈敏部處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則啟動力矩反饋控制模塊使得巧螺靈敏部穩(wěn)定，然后啟 動支承鎖定模塊； C.根據巧螺靈敏部力矩值，計算得到在第一位置上巧螺儀測角裝置的電子度盤零刻度 線方向偏離真北方向夾角ZNORi; d.第二位置尋北測量；啟動盤位轉換模塊，使巧螺馬達旋轉180度到達第二位置；重復 執(zhí)行步驟b、C，獲得在第二位置上巧螺儀測角裝置的電子度盤零刻度線方向偏離真北方向 夾角ZN0R2; S、照準系統(tǒng)方向觀測： a. 使望遠鏡照準目標，記錄此時照準測線方向與其內部電子度盤0位方向之間的夾角 記為ZMOCa; b. 再將望遠鏡在豎直方向與水平方向分別旋轉180度，再次使望遠鏡照準測線方向， 記錄此時照準測線方向與其內部電子度盤0位之間的夾角記為ZMOCe，完成一次目標照 準； C.再次將望遠鏡在豎直方向與水平方向分別旋轉180度，重復步驟a、b分別獲得照準 巧機方向與其內部電子度盤0位方向之間的夾角記為ZMOCe、ZMOCD，至此照準系統(tǒng)完成第 二次目標照準，計算兩次目標照準的平均值ZM0C; 四、尋北成果計算： 計算測線的真北方位角A:其中，ZRi〇M、ZR20M為第一位置和第二位置時巧螺尋北方向與電子度盤的零刻度線 的夾角。2. 如權利要求1所述的基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征 在于，所述馬達啟動加速模塊、盤位轉換模塊、電流及光電信號采集模塊、支承鎖定模塊、支 承解鎖模塊、穩(wěn)定檢測模塊和力矩反饋控制模塊分別用于實現如下功能： 馬達啟動加速模塊；控制巧螺馬達的啟動及加速； 盤位轉換模塊；控制驅動電機驅動輪盤轉動，根據巧螺儀測角裝置發(fā)送的輪盤的轉動 角度控制輪盤轉動； 電流及光電信號采集模塊；按設定采集次數采集第一力矩器轉子、第一力矩器定子、第 二力矩器轉子和第二力矩器定子內部電流數據；第二微型計算機按設定采集次數采集支承 穩(wěn)定檢測裝置、水平力矩穩(wěn)定檢測裝置、豎直力矩穩(wěn)定檢測裝置的光電傳感器的光電信號 數據； 支承鎖定模塊：控制電感線圈斷電，磁性消失，壓縮狀態(tài)的彈黃通過壓片向上頂住下部 連接盤，下部連接盤上的觸頭與上部連接盤接觸；并向上拉動連接部、第一力矩器轉子、巧 螺靈敏部和第二力矩器轉子的整體，使得懸掛帶不受力松弛； 支承解鎖模塊：控制電感線圈通電，壓片收到磁力向下進一步壓縮彈黃，壓片與下部連 接盤脫離連接；由于下部連接盤、連接部、第一力矩器轉子、巧螺靈敏部和第二力矩器轉子 整體的重力作用，使懸掛帶受力拉緊； 穩(wěn)定檢測模塊；將力矩角度位移數據采集模塊得到的角度位移量與設定闊值相比較， 如果不超過設定闊值，則巧螺靈敏部處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則不穩(wěn)定； 力矩反饋控制模塊；根據電流及光電信號采集模塊得到的力矩值控制第一力矩器轉 子、第一力矩器定子、第二力矩器轉子和第二力矩器定子的內部電流，使得力矩器定子和其 對應轉子間形成與巧螺靈敏部擺動力矩大小相等、方向相反的合力矩，直至巧螺靈敏部穩(wěn) 定。3. 如權利要求1所述的基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征 在于，所述安置儀器步驟中的所述調整并對中是指啟動激光發(fā)射模塊，移動儀器直至激光 發(fā)射模塊的激光束射向測站點標識；反復調節(jié)調節(jié)螺旋，直至上對中標識對準懸掛在測站 點上的對中垂球尖部。4. 如權利要求1所述的基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征 在于，所述巧螺定向測量中的步驟b中，根據采集的多組電流數據計算巧螺靈敏部力矩值 的公式如下：(1) 其中，M表示巧螺靈敏部力矩值；i表示采集的數據的序號；Ika為第一力矩器轉子電流 值；Ikb為第二力矩器轉子電流值；ISA為第一力矩器定子電流值；ISB為第二力矩器定子電流 值；k為力矩器系數；n為采集的電流數據的組數。5. 如權利要求1所述的基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征 在于，所述巧螺定向測量中的步驟C中，所述ZNORi通過公式（2)計算：(2) 其中，M表示巧螺靈敏部力矩值；巧螺的角動量H;地球的自轉角速度測站點的地 理紳度口6. 如權利要求1所述的基于靜態(tài)模式巧螺全站儀的雙位置回轉尋北測量方法，其特征 在于，所述照準系統(tǒng)方向觀測過程中，所述步驟C中計算兩次目標照準的平均值ZM0C的公 式如下：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于靜態(tài)力矩模式陀螺全站儀的逐次多位置尋北測量方法，包括如下步驟：一、安置儀器；二、陀螺定向測量：a.使陀螺馬達旋轉軸方向對準陀螺儀測角裝置中的電子度盤零刻度線方向；第一位置尋北測量；c.計算得到在第一位置上陀螺儀測角裝置的電子度盤零刻度線方向偏離真北方向夾角；d.獲得在第二位置上陀螺儀測角裝置的電子度盤零刻度線方向偏離真北方向夾角；三、照準系統(tǒng)方向觀測；四、計算測線的真北方位角。本發(fā)明的方法有效解決了尋北方法尋北時間長、數據穩(wěn)定性差、系統(tǒng)性誤差難以剔除等技術問題，能夠有效消除或減弱部分儀器及觀測系統(tǒng)誤差，改善定向精度。
【IPC分類】G01C19/26, G01C19/34
【公開號】CN104931029
【申請?zhí)枴緾N201510218240
【發(fā)明人】石震, 楊志強, 馬驥
【申請人】長安大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年4月30日