陀螺经纬仪定向在矿山测量中的应用
应红立
（中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116）
摘要：简要介绍了陀螺经纬仪的定向原理，并进行了陀螺经纬仪定向精度分析；同时
介绍了矿山测量的相关概念和主要任务及其作用；最后阐述了陀螺经纬仪的定向测量及其在矿山测量中的具体应用。
关键词：陀螺定向
陀螺经纬仪误差分析矿山测量
Abstract：Thispaperbrieflydescribesthedirectionalgyroscopeprinciple，andcarriedoutGyroscopeOrientationAccuracyAnalysis；alsointroducedconceptsrelatedtominesurveyingandmaintasksandrole；finallyelaborateddirectionalgyroscopemeasurementanditsapplicationinthemeasurementofthespecificmineapplication.
Keyword：GyroscopicOrientation
Gyrotheodolite
erroranalysis
MineSurveying
0前言
陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪结合在一起用作定向的仪器，目前在矿山、建筑、测绘、铁道、森林、军事等部门得到了广泛的应用[1]。经纬在使用时陀螺仪不受时间和环境的限制，同时观测简单方便、效率高，而且能保证较高的定向精度，所以是一种先进的定向仪器。单就矿山测量而言，它可以完全取代国内矿山测量沿用了数百年之久的几何定向法，克服了几何定向法要占用井筒而造成的耗费大量人力、物力和时间的缺点[2]，是一种省力省工省时先进定向仪器的，因此在矿山测量中应用广泛。
的影响，来达到寻北的目的，它可以在地球南北经纬度75°范围内，不受地形、气候及外界磁场的影响，无论白天或夜间，都能快速地测出站点的真北来。
1.1陀螺的定向原理
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。
陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。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
1陀螺经纬仪概述
陀螺经纬仪利用高速旋转的陀螺马达本身的动力学特性(定轴性、进动性)和地球自转
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[3]。
1.2陀螺经纬仪定向的误差分析陀螺经纬仪的定向精度，以陀螺方位角一次测定中误差来表示。所以陀螺经纬仪定向的误差分析即可认为是陀螺经纬仪一次测定方位角的中误差分析，由于定向式所采用的方法不同，因而误差来源也存在差异[1]。下面仅就国内外常用的跟踪逆转点法为例概述一下。
采用跟踪逆转点法时，影响定向精度的误差可分三大类：测定测线方向值的误差mL0；测定陀螺北方向的误差mL；仪器常数误差mΔ。引起上述三类误差的因素有许多，若将整个作业过程中各种误差因素考虑进去，则可以归纳出陀螺经纬仪的定向误差来源有[4]：
（1）用经纬仪测定测线方向值引起的定向误差mL0；
（2）由5个逆转点确定陀螺北方向值引起的定向误差mN0；
（3）上架式陀螺仪与经纬仪联接引起的定向误差mb；
（4）悬挂带零位变动引起的定向误差m0；
（5）陀螺摆动平衡位置不稳定性引起的定向误差mc；
（6）仪器常数不准引起的定向误差m
Δ；
（7）仪器对中与整平引起的定向误差me；
（8）风力、震动等其它外界因素引起的定向误差。
2矿山测量概述
2.1矿山测量
在矿山建设和采矿过程中，为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理以及矿山报废等进行的测绘工作统称为矿山测量。
2.2矿山测量任务
矿山测量是矿山建设时期和生产时期的重要一环。由于矿山测量工作涉及地面和井下，不但要为矿山生产建设服务，也要为安全生产提供信息，以供领导对安全生产做出决策。矿山测量的任何疏忽或粗率都会影响生产或有可能导致严重事故发生。因此，矿山测量在矿山开采中的责任与作用都是很大的。它的主要任务是[2]：
（1）建立地面和井下测量控制系统，测绘地形图；
（2）矿山建设中的施工测量；（3）测绘各种图纸；
（4）对资源利用和生产情况进行检查与监督；
（5）“三下”开采和矿柱留设；（6）土地复垦和环境治理；（7）矿区内地籍测量；
（8）矿区月、季、年生产计划和长远规划。
2.3矿山测量作用
（1）保证作用：通过及时提供反映生产状况的各种图纸，准确掌握储量变动情况，参与采矿计划的制定。
（2）监督作用：矿山测量人员要依靠有关法规和规定，经常检查各种采掘工程质量，以减少资源浪费。
（3）安全指导：作用利用各种图纸，及时正确指导，使采矿巷道不掘进到危险区。同时预测采空后岩层与地表移动范围，避免建筑物和人员安全事故发生。
3陀螺经纬仪在矿山测量中的应用
3.1陀螺经纬仪的定向测量
陀螺经纬仪的定向测量可分为：陀螺经纬仪定向的作业过程和陀螺方位角的一次测定作业过程
3.1.1陀螺经纬仪定向的作业过程（1）在地面已知边上测定仪器常数。陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分划板零线所代表的光轴通常不在同一竖直面中，所以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△。
（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50米，仪器安置在井下C点处，可测出井下CD边的陀螺方位角α。则定向边的地理方位角A为：A=α+△
（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互差对GAK-1、JT15型仪器应小于40”。
（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。
（5）求算井下定向边坐标方位角。3.1.2陀螺方位角的一次测定作业过程（1）在测站上整平对中陀螺经纬仪，以一个测回测定待定边或已知边的方向值，然后将仪器大致对正北方；
（2）粗略定向(测定近似北方向)；
（3）测前悬带零位观测；（4）精密定向(测定精密陀螺北)；（5）测后悬带零位观测；
（6）以一个测回测定待定边或已知边的方向值，当测前测后两次观测的方向值的互差小于规定的数值时，取其平均值作为测线方向值。
3.2陀螺经纬仪在矿山测量中的具体作用[2]：
由于井下测量环境特殊，导线只能布设成支导线，没有检核条件。这样就增加了误差的积累，特别是测角误差的积累。为了降低误差的积累，提高导线的定向精度，我们通常在井下导线上加测一定数量的陀螺定向边，来检查和限制测角误差的积累。下面是经纬仪在矿山测量中的具体应用[1]：
（1）为井下每一水平进行定向；
（2）控制导线测量方向误差的积累。在导线测量工作中可以在适当地点加测一陀螺方位边，既可发现测量水平角的粗差，又可有效地减少方向误差的积累；
（3）矿山及地下工程大型巷道贯通定向；
（4）在荫蔽地区，线路、管道、隧道等工程的定向；
（5）与光电测距仪配套使用，可用极坐标法测设新点和敷设高精度的光电测距———陀螺定向导线。
4结束语
近50年来，随着电子技术、计算机技术、光机技术和通讯技术的发展，测绘仪器制造也得到了长足进展，其高科技产品代表之一就是陀螺经纬仪。陀螺经纬仪系统性能良好，精度高，集光、机、电、算于一体，在矿山的贯通测量和定向测量等大型测量中发挥了重要作用。使用陀螺经纬仪能有效减少常规几何定向时耗费大量人力、物力和占用井简时间，降低成本，提高劳动生产率，并能控制随着环境的恶劣，井筒深度增加以及矿区的延伸发展，在井下导线测量中，为了控制导线边方向误差的积累，常采用陀螺经纬仪在井下导线的适当位置加测陀螺定向边，作为井下基本控制网的方位控制，这样可以在不提高导线施测精度的情况下，大大提高井下导线点的点位精度。
参考文献：
[1]张国良．陀螺经纬仪定向[M]．徐州：中
国矿业大学出版社，1988．
[2]张国良，朱家钰，顾和和．矿山测量学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2008．
[3]陈俊杰，刘计寒，王庆林，袁占良.陀螺经纬仪定向精度分析[J].测绘与空间地理信息，2008，(05).
[4]张明，陈亚楠.陀螺经纬仪定向精度的分析[J].矿山测量，2006，6.
陀螺经纬仪定向在矿山测量中的应用
应红立
（中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116）
摘要：简要介绍了陀螺经纬仪的定向原理，并进行了陀螺经纬仪定向精度分析；同时
介绍了矿山测量的相关概念和主要任务及其作用；最后阐述了陀螺经纬仪的定向测量及其在矿山测量中的具体应用。
关键词：陀螺定向
陀螺经纬仪误差分析矿山测量
Abstract：Thispaperbrieflydescribesthedirectionalgyroscopeprinciple，andcarriedoutGyroscopeOrientationAccuracyAnalysis；alsointroducedconceptsrelatedtominesurveyingandmaintasksandrole；finallyelaborateddirectionalgyroscopemeasurementanditsapplicationinthemeasurementofthespecificmineapplication.
Keyword：GyroscopicOrientation
Gyrotheodolite
erroranalysis
MineSurveying
0前言
陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪结合在一起用作定向的仪器，目前在矿山、建筑、测绘、铁道、森林、军事等部门得到了广泛的应用[1]。经纬在使用时陀螺仪不受时间和环境的限制，同时观测简单方便、效率高，而且能保证较高的定向精度，所以是一种先进的定向仪器。单就矿山测量而言，它可以完全取代国内矿山测量沿用了数百年之久的几何定向法，克服了几何定向法要占用井筒而造成的耗费大量人力、物力和时间的缺点[2]，是一种省力省工省时先进定向仪器的，因此在矿山测量中应用广泛。
的影响，来达到寻北的目的，它可以在地球南北经纬度75°范围内，不受地形、气候及外界磁场的影响，无论白天或夜间，都能快速地测出站点的真北来。
1.1陀螺的定向原理
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。
陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。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
1陀螺经纬仪概述
陀螺经纬仪利用高速旋转的陀螺马达本身的动力学特性(定轴性、进动性)和地球自转
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[3]。
1.2陀螺经纬仪定向的误差分析陀螺经纬仪的定向精度，以陀螺方位角一次测定中误差来表示。所以陀螺经纬仪定向的误差分析即可认为是陀螺经纬仪一次测定方位角的中误差分析，由于定向式所采用的方法不同，因而误差来源也存在差异[1]。下面仅就国内外常用的跟踪逆转点法为例概述一下。
采用跟踪逆转点法时，影响定向精度的误差可分三大类：测定测线方向值的误差mL0；测定陀螺北方向的误差mL；仪器常数误差mΔ。引起上述三类误差的因素有许多，若将整个作业过程中各种误差因素考虑进去，则可以归纳出陀螺经纬仪的定向误差来源有[4]：
（1）用经纬仪测定测线方向值引起的定向误差mL0；
（2）由5个逆转点确定陀螺北方向值引起的定向误差mN0；
（3）上架式陀螺仪与经纬仪联接引起的定向误差mb；
（4）悬挂带零位变动引起的定向误差m0；
（5）陀螺摆动平衡位置不稳定性引起的定向误差mc；
（6）仪器常数不准引起的定向误差m
Δ；
（7）仪器对中与整平引起的定向误差me；
（8）风力、震动等其它外界因素引起的定向误差。
2矿山测量概述
2.1矿山测量
在矿山建设和采矿过程中，为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理以及矿山报废等进行的测绘工作统称为矿山测量。
2.2矿山测量任务
矿山测量是矿山建设时期和生产时期的重要一环。由于矿山测量工作涉及地面和井下，不但要为矿山生产建设服务，也要为安全生产提供信息，以供领导对安全生产做出决策。矿山测量的任何疏忽或粗率都会影响生产或有可能导致严重事故发生。因此，矿山测量在矿山开采中的责任与作用都是很大的。它的主要任务是[2]：
（1）建立地面和井下测量控制系统，测绘地形图；
（2）矿山建设中的施工测量；（3）测绘各种图纸；
（4）对资源利用和生产情况进行检查与监督；
（5）“三下”开采和矿柱留设；（6）土地复垦和环境治理；（7）矿区内地籍测量；
（8）矿区月、季、年生产计划和长远规划。
2.3矿山测量作用
（1）保证作用：通过及时提供反映生产状况的各种图纸，准确掌握储量变动情况，参与采矿计划的制定。
（2）监督作用：矿山测量人员要依靠有关法规和规定，经常检查各种采掘工程质量，以减少资源浪费。
（3）安全指导：作用利用各种图纸，及时正确指导，使采矿巷道不掘进到危险区。同时预测采空后岩层与地表移动范围，避免建筑物和人员安全事故发生。
3陀螺经纬仪在矿山测量中的应用
3.1陀螺经纬仪的定向测量
陀螺经纬仪的定向测量可分为：陀螺经纬仪定向的作业过程和陀螺方位角的一次测定作业过程
3.1.1陀螺经纬仪定向的作业过程（1）在地面已知边上测定仪器常数。陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分划板零线所代表的光轴通常不在同一竖直面中，所以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△。
（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50米，仪器安置在井下C点处，可测出井下CD边的陀螺方位角α。则定向边的地理方位角A为：A=α+△
（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互差对GAK-1、JT15型仪器应小于40”。
（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。
（5）求算井下定向边坐标方位角。3.1.2陀螺方位角的一次测定作业过程（1）在测站上整平对中陀螺经纬仪，以一个测回测定待定边或已知边的方向值，然后将仪器大致对正北方；
（2）粗略定向(测定近似北方向)；
（3）测前悬带零位观测；（4）精密定向(测定精密陀螺北)；（5）测后悬带零位观测；
（6）以一个测回测定待定边或已知边的方向值，当测前测后两次观测的方向值的互差小于规定的数值时，取其平均值作为测线方向值。
3.2陀螺经纬仪在矿山测量中的具体作用[2]：
由于井下测量环境特殊，导线只能布设成支导线，没有检核条件。这样就增加了误差的积累，特别是测角误差的积累。为了降低误差的积累，提高导线的定向精度，我们通常在井下导线上加测一定数量的陀螺定向边，来检查和限制测角误差的积累。下面是经纬仪在矿山测量中的具体应用[1]：
（1）为井下每一水平进行定向；
（2）控制导线测量方向误差的积累。在导线测量工作中可以在适当地点加测一陀螺方位边，既可发现测量水平角的粗差，又可有效地减少方向误差的积累；
（3）矿山及地下工程大型巷道贯通定向；
（4）在荫蔽地区，线路、管道、隧道等工程的定向；
（5）与光电测距仪配套使用，可用极坐标法测设新点和敷设高精度的光电测距———陀螺定向导线。
4结束语
近50年来，随着电子技术、计算机技术、光机技术和通讯技术的发展，测绘仪器制造也得到了长足进展，其高科技产品代表之一就是陀螺经纬仪。陀螺经纬仪系统性能良好，精度高，集光、机、电、算于一体，在矿山的贯通测量和定向测量等大型测量中发挥了重要作用。使用陀螺经纬仪能有效减少常规几何定向时耗费大量人力、物力和占用井简时间，降低成本，提高劳动生产率，并能控制随着环境的恶劣，井筒深度增加以及矿区的延伸发展，在井下导线测量中，为了控制导线边方向误差的积累，常采用陀螺经纬仪在井下导线的适当位置加测陀螺定向边，作为井下基本控制网的方位控制，这样可以在不提高导线施测精度的情况下，大大提高井下导线点的点位精度。
参考文献：
[1]张国良．陀螺经纬仪定向[M]．徐州：中
国矿业大学出版社，1988．
[2]张国良，朱家钰，顾和和．矿山测量学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2008．
[3]陈俊杰，刘计寒，王庆林，袁占良.陀螺经纬仪定向精度分析[J].测绘与空间地理信息，2008，(05).
[4]张明，陈亚楠.陀螺经纬仪定向精度的分析[J].矿山测量，2006，6.