[科普中国]-陀螺经纬仪

简述

陀螺经纬仪，是陀螺仪和经纬仪通过连接机构结合为一体的用以测定真北方位角的仪器。它利用陀螺仪本身的物理特性（定轴性和进动性），采用金属带悬挂重心下移的陀螺灵敏部来敏感地球自转角速度水平分量，在重力作用下，产生一个向北进动的力矩，使陀螺仪主轴围绕地球子午面往复摆动，从而测定真北方位角。陀螺经纬仪广泛应用于矿山测量、工程测量和军事测绘中，也是雷达天线定向、无人机飞行定向、火炮和远程武器发射定向的重要配套设备。

陀螺经纬仪由陀螺仪和经纬仪两部分组成。经纬仪于1730年由英国人发明，经过金属经纬仪的漫长过程，20世纪20年代发展为光学经纬仪，60年代以来进入电子经纬仪阶段，现已相当先进，向着智能化方向发展。陀螺仪是陀螺经纬仪的主体，主导着整机的发展进程。

陀螺经纬仪按定向准确度可分为工程级（定向准确度在10''以外）和精密级（定向准确度在10''以内）。定向原理除了英美曾经用过的速度式外，一般都用摆式。陀螺仪和经纬仪整体使用，结合方式有下挂式和上架式两类。下挂式仪器是20世纪50年代发展起来的，几乎所有的精密级仪器和自动化程度较高的仪器均属此类。

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。

控制及显示部分通过传感器采集信号，并对其进行处理，完成对陀螺仪敏感部的锁紧及释放、阻尼控制、方位随动、通信、解算、发送和显示真北方位角等功能。

(2)经纬仪

经纬仪是系统的方位引出装置，也可通过瞄准被测目标测量出目标地理方位角或坐标方位角。经纬仪带有自准直功能，便于测量和标校作业。通常，经纬仪带有串行通信接口，可实现和陀螺仪以及指挥系统的串行数据通信。

(3)三脚架

三脚架提供陀螺经纬仪的支撑。1

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。

高速旋转的自由陀螺的转轴在惯性作用下不会静止在真北方向，而是在真北方向左右摆动。陀螺转轴东西摆动的最大振幅处称为逆转点。因此，陀螺仪与经纬仪相结合，用经纬仪跟踪光标东西逆转点，读取水平度盘读数并取其平均值，从而求得真北方向。2

应用(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，检核条件困难，不可能进行过多的检测作业。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。

(2)通视障碍时的方向角获取

当有通视障碍，不能从已知点获得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角。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、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。

(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。此日影图是指以冬至的真太阳时的8:00～16:00为基准，为了计算、图面绘制的需要，进行高精度真北方向的测定。此时使用陀螺经纬仪测量可不受天气、时间等影响。3