陀螺经纬仪观测方法研究与应用
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陀螺经纬仪在地理空间定向中的应用研究——以西安地铁工程为例
陀螺经纬仪在地理空间定向中的应用研究——以西安地铁工程为例姜雁飞;胡荣明;杨联安【摘要】目的研究陀螺经纬仪在地铁工程中空间定向的一些方法.方法测量误差传递及陀螺地理空间定位理论,西安地铁二号线典型盾构区间为实验研究对象,分析引起误差的原因及探讨提高陀螺定向精度的措施.结果在接收井附近测定仪器常数的陀螺定向边精度.优于在始发井附近测定仪器常数的定向精度和地下导线精度.结论地理纬度对陀螺方位角的影响是不可忽视的因素;使用陀螺仪进行隧道空间定向时,地面已知边应选在接收井附近测定仪器常数;加测陀螺定向边是提高贯通精度的有效手段.%Aim To study some methods of applying gyroscopic theodolite for in geographical spatial orientation metro project.Methods Use the theories of survey error and geographical spatial orientation of gyroscopic theodolite, take subway No.2 line of Xi'an as a case, analyze the reason of error and the ways to improve accuracy of orientation of gyroscopic theodolite.Results The accuracy of orientation of gyroscopic theodolite, when the instrument constant is measured in the receiving well, is surpassing to the accuracy when the instrument constant is measured in starting well, and the accuracy of the ground wire as well.Conclusion The geographical latitudes which influence the azimuth of the gyro scope should not be neglected, when using gyroscope theodolite in the tunnel or underground space orientation, the known directional edge of ground should be selected near the receiving well to measure instrumentconstant.Adding measurement of orientation of gyroscope improve the accuracy of linking up tunnel.【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(041)001【总页数】5页(P145-149)【关键词】地理纬度;陀螺空间定向;盾构;隧道贯通【作者】姜雁飞;胡荣明;杨联安【作者单位】陕西师范大学,旅游与环境学院,陕西,西安,710062;西安市地下铁道有限责任公司,陕西,西安,710018;西安科技大学,测绘学院,陕西,西安,710054;西北大学,城市与环境学院,陕西,西安,710127【正文语种】中文【中图分类】TD175+.5在地铁盾构施工中，隧道贯通是施工过程中非常重要的技术环节，直接关系到工程的质量，一般是由开挖井向吊出井掘进施工的单向贯通工程，贯通要求精度很高，不少城市在这方面出现过不同程度的问题，造成了很大的损失。
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。
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。
陀螺定向应用
陀螺定向应用
a 已知边上测定仪器常数
b 待定边上测定陀螺方位角
陀螺仪定向过程示意图
陀螺定向应用
• （1）在地面已知边上测定仪器常数△。一般测
• 2仪～器3常测数回可在已 知精密A 方0位角的T测线上测定。由
上图a可知，在测线CD上测定其陀螺方位角，当 CD为已知边时，计算所测陀螺方位角与其地理方 位角的差值即可求得仪器常数。作业时应首先在 已知边上测定仪器常数（实际上是测定已知边的 陀螺方位角）即测前仪器常数的测定。其主要技 术要求见下表1。
陀螺定向应用
• 1．自由陀螺仪的特性
• 没有任何外力作用，具有三个自由度的陀螺仪称 为自由陀螺仪。
• 自由陀螺仪的特性 • （1）陀螺轴在不受外力矩作用时，它的方向始终
指向初始恒定方位，即所谓定轴性； • （2）陀螺轴在受外力矩作用时，将产生非常重要
的效应－“进动”，即所谓进动性。
陀螺定向应用
自由陀螺仪模型及原理示意图
• 1852年，法国科学家傅科提出地球的自转会在陀 螺仪上产生效应的设想：“无需进行任何天文观 测或地磁观测，只要由陀螺仪观测就可以得出任 何地点的子午线位置”。
• 方位角就是子午线方向与直线方向的夹角，有了 子午线位置当然就有办法确定直线的方位角。
陀螺定向应用
• 受当时条件的限制，傅科的实验未能成功； • 20世纪初，研制成功陀螺罗盘作为航海导航仪器； • 20世纪初50年代，研制成功液浮式矿用陀螺罗盘
两个逆转点5个连续的经纬仪读数值，计算出陀螺 方位角。 • 逆转点法的记录见下表。
陀螺定向应用
陀螺经纬仪定向记录（逆转点法）
陀螺定向应用
• （2）中天法 • 在起始近似定向精度达到以内，整个观测过程中，
a 已知边上测定仪器常数
b 待定边上测定陀螺方位角
陀螺仪定向过程示意图
陀螺定向应用
• （1）在地面已知边上测定仪器常数△。一般测
• 2仪～器3常测数回可在已 知精密A 方0位角的T测线上测定。由
上图a可知，在测线CD上测定其陀螺方位角，当 CD为已知边时，计算所测陀螺方位角与其地理方 位角的差值即可求得仪器常数。作业时应首先在 已知边上测定仪器常数（实际上是测定已知边的 陀螺方位角）即测前仪器常数的测定。其主要技 术要求见下表1。
陀螺定向应用
• 1．自由陀螺仪的特性
• 没有任何外力作用，具有三个自由度的陀螺仪称 为自由陀螺仪。
• 自由陀螺仪的特性 • （1）陀螺轴在不受外力矩作用时，它的方向始终
指向初始恒定方位，即所谓定轴性； • （2）陀螺轴在受外力矩作用时，将产生非常重要
的效应－“进动”，即所谓进动性。
陀螺定向应用
自由陀螺仪模型及原理示意图
• 1852年，法国科学家傅科提出地球的自转会在陀 螺仪上产生效应的设想：“无需进行任何天文观 测或地磁观测，只要由陀螺仪观测就可以得出任 何地点的子午线位置”。
• 方位角就是子午线方向与直线方向的夹角，有了 子午线位置当然就有办法确定直线的方位角。
陀螺定向应用
• 受当时条件的限制，傅科的实验未能成功； • 20世纪初，研制成功陀螺罗盘作为航海导航仪器； • 20世纪初50年代，研制成功液浮式矿用陀螺罗盘
两个逆转点5个连续的经纬仪读数值，计算出陀螺 方位角。 • 逆转点法的记录见下表。
陀螺定向应用
陀螺经纬仪定向记录（逆转点法）
陀螺定向应用
• （2）中天法 • 在起始近似定向精度达到以内，整个观测过程中，
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)。
(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)。
陀螺经纬仪定向在矿井联系测量中的应用
陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分划板零线代表的光轴通常 不在同一竖直面中， 该假想的陀螺仪轴的稳定位置通常不与地理子午 线重合。 二者的夹角称为仪器常数， 一般用Δ表示。 如果陀螺仪子午线 位于地理子午线的东边， Δ为正； 反之， 则为负。 仪器常数Δ可以在已知 方位角的精密导线边直接测出来。 图1中精密导线边CD的地理方位角为 A0。 在C点安置陀螺经纬仪， 测出CD边的陀螺方位角aT， 所以可得仪器 常数： ∆ 行2～3次。 各次之间的互差对于GAK-1， JT15等型号的仪器应小于 40′′ 。 每次测量后， 要停止陀螺运转10 ～15min， 经纬仪度盘应变换180° / （2～3） 。 （2） 在井下定向边上测定陀螺方位角 井下定向边的长度应大于50m， 仪器安置在C′ 点上， 如图1， 可测 出C′ D′ 边的陀螺方位角aT ， 则定向边的地理方位角A为 A = aT ′ +∆ 。 测定定向边陀螺方位角应独立进行两次， 其互差对于GAK-1， JT15等型 号的仪器应小于40″ 。 （3） 仪器上井后重新测定仪器常数 仪器上井后， 应在已知边上重新测定仪器常数2～3次。 前后两次 测定的仪器常数， 其中任意两个仪器常数的互差对GAK-1、 JT15型仪器 应小于40″ 。 然后求出仪器常数的最或是值， 并按白塞尔公式来评定一 次测定中误差。 （4） 求算子午线收敛角 一般地面精密导线边或三角网边已知的是坐标方位角α0， 需要求算 的井下定向边， 也是要求出其坐标方位角 α， 而不是地理方位角A。 因此还需 要求算子午线收敛角 γ 。 地理方位角和坐标方位角的关系为： A0
中： ——仪器常数的平均值。a
= A0 − aT = a0 + g 0 − aT ′ + ∆平 − g = A − g = aT
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
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
陀螺经纬仪观测方法研究与应用
陀螺经纬仪观测方法研究与应用【摘要】陀螺经纬仪（gyro theodolite）是带有陀螺仪装置、用于测定直线真方位角的经纬仪。
其关键装置之一是陀螺仪，简称陀螺，又称回转仪。
陀螺经纬仪的用途在于它能够确定真北方向（子午面）在水平度盘上的读数，在跟踪状态下即陀螺轴进动（摆动）中心所对应的水平度盘读数，求M的方式不同，确定了两大类陀螺经纬仪定向观测方法：跟踪式与不跟踪式。
本文对观测精度进行分析后总结出观测方法、注意事项。
【关键词】陀螺经纬仪；观测方法；研究与应用引言陀螺经纬仪（见图1）主要由一个高速旋转的转子支承在一个或两个框架上而构成。
具有一个框架的称二自由度陀螺仪；具有内外两个框架的称三自由度陀螺仪。
经纬仪上安置悬挂式陀螺仪，是利用其具指北性确定真子午线北方向，再用经纬仪测定出真子午线北方向至待定方向所夹的水平角，即真方位角。
指北性，是指悬挂式者在受重力作用和地球自转角速度影响下，陀螺轴将产生进动、逐渐向真子面靠拢，最终达到以真子面为对称中心，作角简谐运动的特性。
确定真子午线北方向的常用方法，有中天法和逆转点法。
图1 陀螺经纬仪目前主要应用于矿用巷道施工测量，以及盾构掘进中的水平及真北方向测量，可大大弥补导线过长所造成的精度损失。
1 陀螺经纬仪观测方法简介1.1 逆转点法逆转点法是一种最基本的陀螺定向方法。
用逆转点法进行定向观测时，要求照准部处于跟踪状态，即在观测过程中使目镜分划板的零刻线始终与陀螺灵敏部的摆动光标相重合。
当跟踪陀螺灵敏部到逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u1；跟踪到另一个逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u2。
连续读取五个逆转点读数u1、u2、u3、u4、u5，取舒勒平均值计算结果。
五个读数可以得到三个舒勒平均值N1、N2、N3：则一次测定陀螺方位角的平均值为：N均=（N1+N2+N3）/3=（u1+3u2+4u3+3u4+u5）/12。
1.2 中天法陀螺经纬仪照准部固定不动，当灵敏部的摆动光标线通过目镜分划板零刻线时，在秒表上读取中天时间ti，光标线到达逆转点时，在目镜分划板上读取摆幅格值aE和aW，取连续的五个中天时间t1、t2、t3、t4、t5，依此求得陀螺北方向值N。
测绘专业实验实习—— 陀螺经纬仪定向方法实验指导书
实验四 陀螺经纬仪定向方法一、实验目的了解陀螺仪定向的原理，熟悉陀螺仪常用的定向方法，学会使用逆转点法和中天法进行精密定向。
二、实验仪器索佳GP-1陀螺全站仪1台，三脚架1个，棱镜1个。
三、陀螺仪一次测定作业流程本实验为演示实验，由指导教师结合PPT 及仪器操作进行演示教学。
1、陀螺仪悬挂带零位观测【原理】悬挂零位是指陀螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬带和导流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，即扭力矩为零的位置。
观测三次。
在陀螺观测开始之前和结束之后，要作悬带零位观测，相应简称为测前零位和测后零位观测。
【方法】测定悬挂零位时，先将全站仪整平并固定照准部，下方陀螺灵敏部（不启动马达），从读数目镜中观测灵敏部的摆动，在分划板上连续读三个逆转点的读数，估读到0.1格。
()132122L a a a =++⎡⎤⎣⎦2、陀螺仪粗定向在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，首先进行粗略定向，即把全站仪望远镜视准轴置于近似北方向。
3、精密定向（逆转点法）粗定向后，全站仪转到粗定向的北方向，再次下放陀螺，控制摆幅在5~8格之间，用逆转点法通过全站仪精确跟踪逆转点。
[]131224*********a a N a a a N a N N n +⎛⎫=+ ⎪⎝⎭+⎛⎫=+ ⎪⎝⎭=-……4、精密定向（中天法）首先通过逆转点法确定陀螺北方向在±20′内，然后托起陀螺；再放陀螺使其摆幅在8~10格之间，用中天法开始观测；至少测量2个周期。
5、测后零位。
四、陀螺仪一次定向作业流程1、在地面已知边上测定仪器常数由于陀螺轴衰微弱的摆动系数保持不变，故其摆动的平衡位置可以仍未是假想的陀螺主轴稳定的位置。
陀螺主轴虽然指示出真北方向，但是这个方向必须借助陀螺仪光学系统读数。
由于陀螺主轴与陀螺仪光学系统的光轴以及经纬仪视准轴不在同一竖直面捏，因而陀螺仪的指向与地理子午线N 不重合，两者之间的差值称为仪器常数∆（与磁偏角概念不同）。
陀螺经纬仪在矿井联系测量中的应用
式中： Ａ ０ 为 已知边 的地 理方 位 角 ， ｏ ｌ Ｔ 为该 边 的陀螺 方位 角 仪 器常 数一 次测 定 中误 差 的计算 如 下
位进行重新标定。 陀螺定向是以陀螺经纬仪为观测仪器， 利用陀螺指北原理 ， 通 过观 测 、 计算 获得导 线边 方位 的一种 方法 。 该方 法主 要优 势是能 在不知 道导 线 边两 端点 坐标 的情 况下得 到 该边 的坐标 方位 ， 即达 到定 向的 目的 。
仪 器常 数 一次测 定中 误差 为： ｍ Ａ＝ 士 ￣ ／ ［ Ｖ ｖ ］ ／ （ ｎ — １ ） ＝ ± １ ． ８ ３ ”
３ 、 井下 定 向边 上 测定 陀螺 方位 角
５ ８ 秒， 不跟踪周期约６ 分ｌ ８ 秒， 启动时间约６ ０ 秒， 制动时间约５ Ｏ 秒。 （ 二） 陀 螺 经 纬 仪 定 向 时 读数 方法 Ａ Ｇ Ｔ一１ 采用对 称 测时法 原理工 作 ， 采用９ 点法测量 ， 并有 中天法和 时差法 检核。 Ａ Ｇ 卜 １ 的读数方 法采用 一维 线性 位置 敏感探 测器（ 以下 简称光 电接收 传 感器 行数据采集。 它由一单块集成电路构成， 它运用光敏二极管的表面阻抗 连续性 的特 点提供 连 续的位 置信息 。 正因如 此 ， 在观 测过程 中 ， 即使 外界风 流 、 震动 等一 些扰动 ， 一般 也不 会造成 仪器 超 限 。
式中： ｄ —— 同 一边 两次 定 向方 位 角之差 ， ｎ — 一 差值 的个 数 。
娃 姆 盘瓤 ～厂 土４《 韵”
．
坪子 煤矿 工业 广场 附近 有 １ ９ ５ ４ 年 北京 坐标 系Ｄ 级 Ｇ Ｐ Ｓ 控制 点 两个 ， 分 别
（ ３ ） 因子午线收敛角误差ｍｖ 很小 ， 可忽略不计。 故陀螺定向边一次测定
陀螺经纬仪定向在矿山测量中的应用
1 引言随着电子技术、通信技术以及光机技术的快速发展，测量仪器的生产和制造工艺也在不断提高，陀螺经纬仪作为一种矿山测量中常见的仪器，对于矿山作业的效率有着至关重要的影响。
2 陀螺经纬仪的特性和工作原理陀螺经纬仪是利用陀螺马达高速旋转时的定轴性和进动性，配合地球本身自转的作用，从而实现方向的确定。
在地球上南北纬度75°内的范围，能够不受地形、天气、地磁场的影响，不管白天还是晚上都能够快速准确地确定正北方向。
由于陀螺经纬仪优秀的系统原理、高度的精密性、广泛的应对能力，使其在矿山测量工作中占有重要的地位，为定向测量以及矿山贯通测量、联系测量等大型测量提供了帮助。
通常根据测角中的误差来区分井下导线的等级，基本的控制导线有7″和15″两种。
当陀螺定向一次启动误差在正负7″区间内的陀螺经纬仪，一般采用附合导线或闭合导线终端的定向测量方法，有时候也会采用起始边定向的测量方法，分为一井和两井的井下起始边定向测量。
陀螺经纬仪能够有效降低过去几何测量定向工作中的人力、物力、财力的消耗，节约了时间，降低了成本，提高了生产效率和企业效益，并且由于陀螺经纬仪能够应对各种不同的天气、地形，提高了在极端恶劣条件下定向测量工作的准确性以及井下平面工作时的测量精度。
陀螺经纬仪能够在井下进行精确的水平方向的定向测量，随着控制导线的测量和不断地提高准确度，同时校检控制导线测量中的误差，完成矿山的定向测量以及大型工程的贯通。
3 陀螺经纬仪定向在矿山贯通测量中的应用矿山测量中经常会要求某个巷道按照设计与另一条指定的巷道贯通连接，就是常说的巷道的贯通。
通常在进行贯通作业时，会同时开展多项挖掘工作，进而提高作业效率。
与此同时，为了能够让挖掘工作顺利进行，确保不同的工作小队能够按照计划准确进行掘进，必须进行预定方向的测量，这就是贯通测量。
贯通测量有利于确保工作的顺利进行，加快施工进度，改善工作环境，确保矿山开采和挖掘在正确的方向上进行。
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陀螺经纬仪观测方法研究与应用
【摘要】陀螺经纬仪（gyro theodolite）是带有陀螺仪装置、用于测定直线真方位角的经纬仪。
其关键装置之一是陀螺仪，简称陀螺，又称回转仪。
陀螺经纬仪的用途在于它能够确定真北方向（子午面）在水平度盘上的读数，在跟踪状态下即陀螺轴进动（摆动）中心所对应的水平度盘读数，求M的方式不同，确定了两大类陀螺经纬仪定向观测方法：跟踪式与不跟踪式。
本文对观测精度进行分析后总结出观测方法、注意事项。
【关键词】陀螺经纬仪；观测方法；研究与应用
引言
陀螺经纬仪（见图1）主要由一个高速旋转的转子支承在一个或两个框架上而构成。
具有一个框架的称二自由度陀螺仪；具有内外两个框架的称三自由度陀螺仪。
经纬仪上安置悬挂式陀螺仪，是利用其具指北性确定真子午线北方向，再用经纬仪测定出真子午线北方向至待定方向所夹的水平角，即真方位角。
指北性，是指悬挂式者在受重力作用和地球自转角速度影响下，陀螺轴将产生进动、逐渐向真子面靠拢，最终达到以真子面为对称中心，作角简谐运动的特性。
确定真子午线北方向的常用方法，有中天法和逆转点法。
图1 陀螺经纬仪
目前主要应用于矿用巷道施工测量，以及盾构掘进中的水平及真北方向测量，可大大弥补导线过长所造成的精度损失。
1 陀螺经纬仪观测方法简介
1.1 逆转点法
逆转点法是一种最基本的陀螺定向方法。
用逆转点法进行定向观测时，要求照准部处于跟踪状态，即在观测过程中使目镜分划板的零刻线始终与陀螺灵敏部的摆动光标相重合。
当跟踪陀螺灵敏部到逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u1；跟踪到另一个逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u2。
连续读取五个逆转点读数u1、u2、u3、u4、u5，取舒勒平均值计算结果。
五个读数可以得到三个舒勒平均值N1、N2、N3：
则一次测定陀螺方位角的平均值为：
N均=（N1+N2+N3）/3=（u1+3u2+4u3+3u4+u5）/12。
1.2 中天法
陀螺经纬仪照准部固定不动，当灵敏部的摆动光标线通过目镜分划板零刻线时，在秒表上读取中天时间ti，光标线到达逆转点时，在目镜分划板上读取摆幅格值aE和aW，取连续的五个中天时间t1、t2、t3、t4、t5，依此求得陀螺北方向值N。
N=N/+c×a×△t-δ×λ×τ
其中：N/—近似北方向值
c—比例系数
a—摆幅，为
△t—时间差
δ—零位格值
λ—零位改正系数
τ—分划板格值
1.3 时差法
假定陀螺灵敏部在子午线附近作匀速线性运动，在不跟踪的情况下，观测灵敏部摆动光标线与目镜分划板零线相对称的两分划线的穿过时间，据此计算出陀螺方位角值N：N= N/+c×（△t/△t /）
N/—近似北方向值
c—Δα×（1+k）/4
△t、△t /—时间差
1.4 计时摆幅法Ⅰ
通过测定某个待定分划线（最接近摆动中心）的中天时间来求算灵敏部的摆动中心。
N= N/+（1+λ）×τ×β+λ×τ×δ
其中：β=（β1+β2+β3+β4）/4，βi=（ai×（pi-1）+ao）/pi，a0=（a1+a2）/2取整，pi=2Sin2vi，vi=90×（ti-ti-1）/T2，T2为不跟踪周期。
1.5 计时摆幅法Ⅱ
与计时摆幅法Ⅰ大致相同。
但它不观测摆幅，而是测定通过靠近逆转点处的某整分划线的格值及穿过时间。
计算公式近似，只是β的计算不同：
βi= ao+（a0-a1）×A1/B1/D1
其中：A1=Cos（π×（t2-t1）/T2），B1=Sin（π×（t2-t1）/T2），D1=2Sin（π×（t1-t0）/T2）。
2 观测方法
（1）在定向边的一端安置陀螺经纬仪，用一个测回测定定向边的方向值，读取水平读盘读数。
（2）开动马达几分钟，切断电源，下放陀螺灵敏部摆动系统，按摆幅法测定悬挂带零位。
（3）将陀螺经纬仪照准部置于近似北方向，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部摆动系统，让光标不超过目镜分划板，取左右两个摆幅值的代数和取整得观测中天的刻划a0。
（4）测定光标穿过a0刻划的时间ti和左右摆幅值aE、aW观测两个周期。
（5）用摆幅法测定后零位。
（6）以一个测回测定定向边方向值。
3 精度分析
由于陀螺经纬仪的陀螺旋转轴，在陀螺转动和地球自转的综合作用下，向子午面进动的轨迹为正弦曲线，其逆转点基本上对称于子午面。
因此，陀螺轴通过子午面前后，可将其视为匀速进动，而且运动的轨迹基本上是一条直线段。
用改进的中天法定向时，陀螺灵敏部光标在通过a0刻线前后，可视作匀速直线运动。
这样，光标穿过与a0刻线对称的两个刻划线的时间平均值，相当于光标穿过a0刻线线的时间。
从而观测a0刻线两侧的几个刻划线，可以间接地用改进的中天法计算公式求得陀螺方位角。
4 结语
陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合成一体的、全天候，并且不依赖其它条件就能够测定真北方位的精密物理定向仪器，有着广泛的应用。
随着科学技术、工程建设和经济建设的迅速发展，对陀螺经纬仪定向精度的要求越来越高，而国内外在高精度陀螺经纬仪定向精度方面的研究较少，尤其在
陀螺经纬仪定向精度评定规范以及外界因素对陀螺经纬仪定向精度影响方面的研究成果欠缺。
所以，为提高陀螺方位角的观测精度，可增加观测刻划数，在a0两侧的三对分划线上读取时间。
这样作并不增加总的观测时间，每一对对称刻划都可以计算出一个ΔN，取平均值（或加权平均值）作为一测回观测值，可以稳定提高定向精度。
参考文献：
[3]王洪兰.陀螺理论及在工程测量中的应用[M].国防工业出版社，1995.。