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陀螺经纬仪原理

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陀螺经纬仪

陀螺经纬仪
陀螺经纬仪的使用方式与构造特点有关。一般上架式仪器都用人工测法，下挂式仪器多用自动测法。自动测 法仪器主要采用自动跟踪法、多点光电计时法和光电积分法观测。其中，光电积分法最为先进。人工测法主要采 用跟踪逆转点法、中天时间法、记时摆幅法和多点记时法观测。
构造
构造
陀螺经纬仪由陀螺仪、经纬仪和三脚架组成。 (1)陀螺仪 陀螺仪是系统的核心，主要由陀螺灵敏部、电磁屏蔽机构、吊丝和导流丝、方位回转伺服驱动装置、阻尼装 置、惯性敏感部锁紧装置、支承和调平装置、光电测角传感器、电源、控制及显示部分等组成。 陀螺灵敏部内有以恒定转速旋转的陀螺电机，该陀螺电机由吊丝悬挂于陀螺框架并由导流丝供电。 陀螺灵敏部锁紧装置是为了在运输状态下保证陀螺灵敏部安全，将惯性敏感部和框架固连。 阻尼装置是为衰减陀螺灵敏部在释放后的摆动幅度，使其摆动状态满足寻北要求，最终达到克服北向进动力 矩，使陀螺灵敏部相对稳定于惯性空间某一固定方位。阻尼有摩擦力阻尼、液体阻尼和电磁阻尼等方式。 方位吲转伺服驱动系统可实现陀螺仪的方位回转并提供回转力矩和稳定的传动。 支撑和调平装置可实现经纬仪和陀螺仪之间的机械和光学对接、整套仪器的调平以及各部件组件的安装固连。 光电测角传感器包括检测惯性敏感部摆动角度的光电角度传感器、检测陀螺仪方位回转角度的光栅码盘系统。 电磁屏蔽主要用于屏蔽内外磁场对陀螺寻北的干扰。
定向原理
定向原理
陀螺仪内绕其对称轴高速旋转的陀螺具有两个重要特性：其一，为定轴性，即在没有外力矩的作用下，陀螺 转轴的方向始终指向初始恒定方向；其二，为进动性，即在外力矩的作用下，陀螺转轴产生进动，沿最短路程向 外力矩的旋转轴所在铅垂面靠拢，直到两轴处于同一铅垂面为止。
真子午线是过地球自转轴的平面（子午面）与地球表面的交线，因此地面真子午线（真北方向）与地球自转 轴处于同一铅垂面内。当陀螺仪的陀螺高速旋转，其转轴不在地面真子午线的铅垂面内时，陀螺转轴在地球自转 的力矩作用下产生进动，向真子午线和地球自转轴所在的铅垂面靠近，于是陀螺的转轴就可以自动地指示出真北 方向。

陀螺经纬仪工作原理

陀螺经纬仪工作原理

陀螺经纬仪工作原理
陀螺经纬仪是一种使用陀螺仪原理来测量方向和角度的仪器。

其工作原理如下：
1. 陀螺仪原理：陀螺仪是基于刚体运动学的原理。

当陀螺在一个力作用下旋转时，其角动量会保持不变。

利用这个原理，陀螺经纬仪可以通过测量陀螺转动时的角度和速度来确定物体的方向和角度。

2. 基本组成：陀螺经纬仪通常由一个陀螺仪和陀螺仪支架组成。

陀螺仪支架负责固定陀螺仪并提供支撑。

3. 工作过程：当陀螺经纬仪静止时，陀螺仪的转动轴指向地球的北极。

当陀螺经纬仪转动或受到外部扰动时，陀螺仪的转动轴会发生变化。

陀螺仪会通过检测自身的角度和速度来确定变化的方向和角度。

4. 输出信号：陀螺经纬仪会将测量到的方向和角度转换为电信号输出。

这些信号可以用来控制导航系统、飞行器或其他需要精确定位和导航的设备。

总的来说，陀螺经纬仪利用陀螺仪原理测量物体的方向和角度。

通过检测陀螺仪的角度和速度变化，可以确定物体的方向和角度，并将这些信息转换为电信号输出。

4第四章 陀螺经纬仪

4第四章 陀螺经纬仪
主轴x总是向子午面方向进动。
(二) 陀螺仪轴对地球的相对运动 由于与地球转动的同时，子午面亦在按地转 铅垂分量 ω2 不断地变换位置。故即使某一时刻陀 螺仪轴与地平面平行且位于子午面内，但下一时 刻陀螺仪轴便不再位于子午面内，因此陀螺仪轴 与子午面之间具有相对运动的形式。当陀螺仪轴 的进动角速度 ωP与角速度分量 ω2相等时，则陀螺 仪轴与仪器所在地点的子午面保持相对静止，因 而有：
1980年代，研制成数字化陀螺全站仪。它的特 点是可以直接测定测线的方位角和待定点的坐标， 敷设光电测距—陀螺定向导线，满足高精度工程测 量的要求。如日本索佳的GP1型就是这类仪器。 激光陀螺
光纤陀螺
全自动数字化陀螺
惯性系统
二、 自由陀螺的特性
没有任何外力作用，并具有三个自由度的陀 螺仪称做自由陀螺仪。
H E M sin E sin ;sin sin H M
因θ角较小，故可写成：

E H
M
sin
(3-22)
也就是说，陀螺仪轴正端自地平面仰起θ角时，
陀螺仪x轴便与子午面保持相对静止，此时的θ角称
为补偿角，并以θ0表示。
1 θ=0,ωP=0 2 θ= θ0, ωP=ω2
上各有特点，但在总体结构上却基本类似。这里以
JT15 为例，说明陀螺经纬仪的基本结构。 JT15 陀 螺经纬仪是由陀螺仪、经纬仪、便携式陀螺电源箱 及三脚架等四部分组成。
(一) 陀螺仪的基本结构
陀螺的核心是陀螺马达，它装在密封的充氢的 陀螺房中，通过悬挂柱由悬挂带悬挂起来，用两根 导流丝 12 和悬挂带 1 及旁路结构给其供电。在悬挂 柱上装有反光镜。它们共同构成了陀螺灵敏部。与 陀螺仪支承壳体固连在一起的光标线，经反射棱镜、 反光镜反射后，再通过物镜成像在目镜分划板 5 上， 从而构成了反射式光学系统 。转动仪器外部的手轮， 通过凸轮带动锁紧限幅机构的升降，使陀螺灵敏部 托起(锁紧)或下放(摆动)。

陀螺经纬仪原理及应用

陀螺经纬仪原理及应用
进开挖的方 向，等到巷道推进到一定的长度 ，再布 设高精度的控制导线 。在一些重要的巷道或贯通工 程掘进开挖 中，不具备布设高等级的控制导线 ，可 以采用陀螺仪方位角检查巷道方 向，即在施工段巷 道用陀螺仪测定其实际方位角 ，然后和该段巷道的 设计方位角进行对比，以检查工程掘进的方向正确 与否 ，确定 是否 需要 调整 施工方 向。
４ 在 次要巷道和采 区测量 中的应 用
在 井下 采矿 块 时 ，从 采准 开始 到 回采结 束 ，所
进行的全部测量工作统称为采 区测量。采区测量最 重要的测量工作就是采区联系测量 ，给采切工程和 采场验收的导线传递方向、坐标和高程 。 由于采切巷道较短 ，采区范围较小 ，工作条件 较差 ，一般采区测量精度要求不高，传统方法主要 是罗盘仪导线 ，但前提是无磁性影响 ，在有磁性影 响的巷道无法使用 罗盘仪 ，仍 然要用天井几何 定 向，费时费力 ，精度也难 以保证。 用陀螺仪快速定 向法 ，即用两逆转点观测法效 果 较好 ，此 法 只 需 １ ０ ｍ ｉ ｎ左 右 ，定 向精 度 能 达 到 ３ 左右 ，另外 也可 以用 １ ／ ４周期 法 ，测定 时间为 ６ ｍ ｉ ｎ ， 指北精度在 １ ０ 之内。
测 １— ２条 为 宜 。
１ ）井下定向前 ，在地面已知边上测定仪器常
数。
３ 在 立井井简装 备安装中的应用
立井井筒装备包括罐道 、罐道梁 、管路 、梯子 间、电缆等。罐道 、罐道梁是立井井简装备的主要 部分 ，是保证提升容器安全运行的导 向设备，在井 简装备安装 中，测量人员的任务就是根据设计几何
２ ） 在井 下 定 向边 上 测定 陀螺 方位 角 。
作者简介 ：姜 涛 （ １ ９ ８ ６一 ） ，男 ，２ ０ ０ ８年 ７月毕业 于 山东科 技

简述陀螺经纬仪定向的主要内容

简述陀螺经纬仪定向的主要内容

简述陀螺经纬仪定向的主要内容
陀螺经纬仪定向是指使用陀螺经纬仪来定位和导航时，对载体位置、航向、航速等进行定向的一种技术。

这种技术由三部分组成：陀螺经纬仪、信号处理器和定位数据库。

一、陀螺经纬仪
陀螺经纬仪（gyroscopic compasses）是一种采用陀螺仪原理的测量仪器，它能够测出地球自转和航行距离。

它的主要原理是：假设地球的自转旋转方向不变，空间内的惯性外框与地球的外框是一致的，那么只需要知道航行距离就可以测量出地球的旋转角度。

陀螺经纬仪由一组大型陀螺仪和支架组成，可以测量地球自转的旋转角度。

二、信号处理器
陀螺经纬仪的信号处理器是解算陀螺经纬仪测量出的地球自转
角度，并将其转换成地球表面上航行对应的航向方位和航行距离，以及航行者在地球表面上的经纬度位置。

三、定位数据库
定位数据库提供了载体在地球表面上定位时，所需要的地理信息，包括航行者所在地点经纬度、海拔高度、地形、气候等。

定位数据库中的信息是通过GPS和地形测量技术来收集的，可以提供精确的定位信息，这些信息的汇总就是定位数据库。

以上就是陀螺经纬仪定向的主要内容。

陀螺经纬仪定向主要依靠陀螺经纬仪、信号处理器以及定位数据库等来实现载体定位、航向定位和航行距离测量。

陀螺经纬仪定向技术已经广泛应用于航空、商业
航行、军事行动及旅游导游等方面，在实现人与机器的协同智能定位方面发挥着重要作用。

陀螺仪原理及YJTG构造和工作流程

陀螺仪原理及YJTG构造和工作流程

目录1 陀螺及其特性 (1)1.1陀螺 (1)1.2摆式陀螺仪 (1)1.3陀螺仪的基本特性 (1)1.4摆式陀螺仪寻北原理 (2)1.5积分式陀螺经纬仪的定向原理 (5)2Y/JTG-1陀螺经纬仪的主要结构 (6)2.1总体构成 (6)2.2主要技术指标 (7)2.3Y/JTG-1A型积分式陀螺经纬仪工作流程 (8)2.4陀螺仪的机械结构及光学系统 (8)2.5自动积分及测量控制电路 (11)3定向测量作业程序 (13)3.1测前准备 (13)3.2仪器各功能选择 (13)3.3方位角的测量 (13)4作业中的注意事项 (14)5仪器参数的设置 (15)5.1自摆周期和启动不跟踪周期的测定 (15)5.2仪器常数C的标定 (15)5.3时间设置 (16)6仪器的一般调校 (16)6.1管状水准器的调校 (16)6.2陀螺灵敏部悬带扭力零位的调校 (16)6.3激光对点器的调校 (17)7陀螺经纬仪的维护与保养 (17)1 陀螺及其特性1.1陀螺凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身轴高速旋转的任意刚体，都称为陀螺。

如图1-1所示，设刚体上有一等效的方向支点O。

以O为原点，作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。

刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为ωx、ωy、ωz，若能满足以下条件：ωz＞＞ωωzωz≈（1-1）OZ后者称为进动运动。

1.2摆式陀螺仪摆式陀螺仪如图1-3O下移到O′G的作用，而永远趋仪具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度，故也称为二个半自由度陀螺仪。

1-陀螺转子2-内平衡环3-外平衡环4-底座图1-2 三自由度陀螺悬挂装置图图1-3 变自由陀螺仪为摆式陀螺仪1.3陀螺仪的基本特性陀螺仪有两个非常重要的特性，即定轴性和进动性。

对于由高速转子组成的陀螺仪来说，不管它们的用途如何不同，结构上如何变化，它们都是按照陀螺的这两个基本特性来工作的。

为了说明自由陀螺仪的两个特性，可用如图1-4所示的实验仪器做一个实验。

陀螺经纬仪原理与应用





三、陀螺仪的运动方程
一、欧拉动力学方程
因此：
三、陀螺仪的运动方程
一、欧拉动力学方程 当刚体运动时，角动量H相对惯性坐标系的变化关系可用下式表示：
上式即为哥氏转动坐标定理：在惯性坐标系中，某一向量函数对时 间的变化率（绝对变化率）等于同一向量在动坐标系中对时间的变化率 （相对变化率）与动坐标系对固定坐标系旋转角速度向量与该向量本身 的向量积进行相加。 下面在附录Ⅲ来证明该等式
陀螺经纬仪原理与应用
报告主要内容
一、概述 二、陀螺的特性及力学原理 三、陀螺仪的运动方程 四、自由陀螺仪的视运动 五、陀螺经纬仪的指北原理 六、陀螺经纬仪的应用
一、概述
什么是陀螺？
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。
一、概述
什么是陀螺仪？
把陀螺安装在专门的悬挂装置上，就构成了陀螺仪（gyroscope）。


d ri 因为 dt vi vi vi 0 根据牛顿第二定律



d vi mi mi ai Fi dt

Fi 为作用在质点上的外力，则上式变为
d Hi ri Fi M dt

其中 M ，为作用在刚体所有质点上的外力对O点的力矩向量之总和。
三、陀螺仪的运动方程
二、陀螺仪运动方程 下面研究陀螺仪主轴绕外环轴的转角α和绕内环轴的转角θ的变化 规律。由图1可知： （ 6）
对
y
， z 求导数有
（ 7）
将（6）、（7）代入（5）式中，整理可得：
（ 8）
三、陀螺仪的运动方程
二、陀螺仪运动方程 因为α和θ在陀螺实际工作时是很小的，因此可以认为： ， 可简化为 ，

陀螺经纬仪力学基础

力学基础陀螺仪是利用高速旋转体的旋转轴能够指示方向的特征而制作的。

为了说明和掌握陀螺仪的基本原理，这里介绍几个有关力学的概念。

1． 矢量描述一个转动的物体在空间转动的状况，常以旋转轴，旋转方向和旋转的角速度三个要素来表示。

图1-4所示原盘转轴的位置在圆心o 点上，转轴的方向和盘面垂直。

转动的方向如盘上箭头所示。

转动的角速度为每秒若干周，为了运算方便，常用一个矢量来表示，这个矢量的方向和轴线一致，如果用右手的四指表示转东方，那么右手拇指就代表矢量的方向，这个矢量模就是转速的大小，可按一定的比例尺订出来，矢量所在直线就是转动轴线，箭头表示回转方向。

2． 刚体的角速度和角加速度在外力的作用下物体不改变其大小和形状，即组成物体的任意两个质点间的距离不因外力而改变，此物体称为刚体。

刚体作转动时，在某一段时间内的角位移和时间的比值，称为刚体对转轴的得角速度 dt d αω=式中α为角位移，ω的单位为 rad/s刚体作转动时，角速度增量和时间的比值称为刚体对转轴的角加速度。

22dtd dt d αωε== ε的单位为rad/s 2.3．力矩M绕定轴转动的刚体，如果不受外力的作用，则将静止不动或以恒定的角速度不停的转动。

外力的刚体转动的影响不仅跟力的大小有关，而且还跟力的作用点的位置和力的方向有关。

如施于刚体的力的作用线没有接触转轴，则该力可使刚体转动，这种使刚体转动得的作用叫做力矩。

力矩是改变刚体转动状态的外部原因。

外力p 在垂直于转轴o 的平面内，力对转轴的力矩为：M=pl=prcos θ式中 l —力臂，即力的作用线和转轴间的垂直距离r —p 的作用点到转轴的距离力与力臂的乘积成为力对转轴的的力矩。

力矩不仅有大小，还有方向，一般以沿转轴的矢量来表示，该矢量垂直于r 和p 所在的平面，其方向与转向有关。

习惯上用伸直得右手拇指表示力矩矢的方向，右手的其余四指弯曲，弯曲的方向表示转向。

4.转动惯性I转动惯量反映刚体对于转动的惯性，它是刚体在转动时惯性的变量。

陀螺定向应用

• （1）测前测线方向值测量 • 在精密定向前测定测线（已知边或待定边）在经
纬仪中的读数。 • （2）测前零位测量 • 在精密定向前，陀螺马达不转时，测定陀螺灵敏
部受悬挂带和导流丝扭力作用而引起扭摆的平衡 位置，就是扭力矩为零的位置。
陀螺定向应用
• （3）精密定向 • 精确测定已知边和定向边的陀螺方位角。 • （4）测后零位测量 • 在精密定向后，陀螺马达不转时，测定陀螺灵敏
四、陀螺经纬仪的结构 • 1．基本结构
• 大部分陀螺经纬仪采用上架式结构，由陀螺仪、 经纬仪、供电电源和三脚架四部分组成，其中电 源由逆变器和充电电池组成。充电电池提供电力， 逆变器将二相电流转变成三相交流电，从而使陀 螺马达产生旋转。
陀螺定向应用
GAK－陀1螺型定向陀应螺用 经纬仪
陀螺定向应用
• 以陀螺仪旋转轴x轴为基准，将水平分量ω1可以 再分解成两个互相垂直的分量ω3（沿y轴）和ω4 （沿x轴）。ω3叫做地球自转有效分量，对陀螺 仪轴的进动有影响。
陀螺定向应用
4．陀螺仪轴对地球的相对运动
陀螺仪轴对子午面的相对运动示意图
陀螺定向应用
二、陀螺经纬仪定向的方法
• 1.陀螺经纬仪定向的作业过程
GAK－1陀螺仪结构示意图
• （1）陀螺灵敏部
• 陀螺的核心是陀螺马达，装在密封的充氢的陀螺 房中，通过悬挂柱由悬挂带悬挂起来，用两根导 流丝和悬挂带及其旁路结构给其供电，悬挂柱上 安装有反光镜，整个构成陀螺灵敏部。
• （2）反射式光学系统
• 高精度的陀螺经纬仪大部分采用反射式光学系统， 其优点：
第一节 陀螺经纬仪简介
陀螺定向应用
一、陀螺经纬仪定向
• 陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪（现代多采用全 站仪）结合在一起的集光、机、电于一体的精密 测绘仪器，用于精确测定未知边（或待定边）的 方位。它不受时间和地形环境的限制，不论已知 边和待定边的距离远近，一次传递方位，观测简 单、方便，效率高，能保证很高的定向精度，是 一种先进的定向仪器。

陀螺经纬仪原理与应用PPT课件


的第二项、第三项作为研究陀螺仪的运动方程。
（5）
.
24
三、陀螺仪的运动方程
二、陀螺仪运动方程 下面研究陀螺仪主轴绕外环轴的转角α和绕内环轴的转角θ的变化
规律。由图1可知： （6）
对 y ， z 求导数有
（7）
将（6）、（7）代入（5）式中，整理可得：
（8）
.
25
三、陀螺仪的运动方程
二、
,又根据角动量定理，角动量
H 矢端线速度
v
应等于所加外力矩
M，故有
M H
根据以上分析，可得：陀螺仪在外力矩作用下，其主轴要产生进动。 进动方向用右手法则确定；进动角速度的大小与外力矩成正比，与角动 量成反比。
.
15
三、陀螺仪的运动方程
一、欧拉动力学方程
因此：
.
16
三、陀螺仪的运动方程
上式为刚体定点转动的 欧拉动力学方程式。
.
20
三、陀螺仪的运动方程
二、陀螺仪运动方程
设 ： t=0 时 ， 惯 性 坐 标 系 OXYZ 和 陀螺坐标系Oxyz重合；
设 ： t=t1 时 ， 陀 螺 坐 标 系 Oxyz 绕 外
环轴的正向以角速度
•
相对惯性
坐标系转α角；
设：t=t2时，陀螺坐标系又以角速度
.
8
附录Ⅰ：向量的运算
在坐标系中，用单位向量
i
，j
， k 分别表示为
aax iay jaz k
bbx iby jbz k
一、向量的加减：
a b (a x b x)i (a y b y)j (a z b z)k
二、向量的数量积（点乘）：
a•baxbxaybyazbz
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陀螺经纬仪工作原理与应用
【2007-4-28来源：中翰仪器网】
为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。

然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。

为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。

陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。

（图1：陀螺工作站）
1、陀螺工作站的原理
高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。

而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。

当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2、陀螺工作站的构造
（图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝，吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。

陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。

此陀螺装置与全站仪结合而成。

陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。

当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。

旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。

利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。

追尾测定[反转法]
利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。

在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。

如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。

用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。

5分的真北方向。

时间测定[通过法]
用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。

用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。

（图2：摇头运动）
（图3：向子午线的岁差运动）
（图5：指针与刻度盘刻度线/0点/指针）
3、陀螺全站仪的应用实例
3.1 隧道中心线测量
在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。

特别是进行盾构挖掘（shield tunnel）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。

特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。

如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的中心线测量方法。

（图6：盾构挖掘的中心线测量陀螺工作站/真北/检查点/立坑/陀螺工作站）
3.2 通视障碍时的方向角获取
当有通视障碍，不能从已知点取得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角（根据建设省测量规范）。

与天文测量比较，陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性：对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。

（图7：通视障碍时的方向角获取已知点）
3.3 日影计算所需的真北测定
在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。

在建筑申请时，要附加日影图。

此日影图是指，在冬至的真太阳时的8点到16点为基准，进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。

使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。