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        GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀尋北關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究

        2014-03-29 02:02:38
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:磁懸浮全站儀高精度

        石 震

        長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安710054

        陀螺全站儀是一種通過敏感地球自轉(zhuǎn)角動(dòng)量,能獨(dú)立、無依托測(cè)定任意方向真北方位角的慣性定向儀器,在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的重要作用,被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射、陣地聯(lián)測(cè)及礦山、地鐵、隧道等大型地下工程貫通測(cè)量中。本文以我國(guó)自主研發(fā)的GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀定向系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)磁懸浮支承體系下陀螺定向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尋北關(guān)鍵技術(shù)、采樣數(shù)據(jù)特征及工程應(yīng)用問題進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:

        (1)提出并推導(dǎo)了靜態(tài)模式下的陀螺尋北理論模型。在測(cè)繪領(lǐng)域常用的陀螺全站儀(經(jīng)緯儀)利用懸掛帶使陀螺靈敏部處于單自由度的懸掛狀態(tài),在地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響下實(shí)現(xiàn)繞子午線往復(fù)擺動(dòng),通過觀測(cè)擺動(dòng)周期或測(cè)量擺動(dòng)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)尋北定向;本文在大量試驗(yàn)、研究、分析懸掛帶陀螺的尋北運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,提出了一種通過施加反向力矩的方式對(duì)陀螺的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干預(yù),使陀螺靈敏部在反向力矩和地球指向力矩的共同作用下達(dá)到力矩平衡,在此靜態(tài)平衡狀態(tài)下,通過對(duì)反向力矩的測(cè)量,并根據(jù)陀螺敏感力矩與角位移的關(guān)系M=H×ωecosφsinα,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)模式尋北。

        (2)根據(jù)GAT磁懸浮陀螺全站儀的靜態(tài)尋北原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,提出并設(shè)計(jì)了針對(duì)陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬仿真程式。磁懸浮陀螺全站儀在靜態(tài)尋北模式下,其尋北觀測(cè)位置(力矩平衡位置)固定,通過觀測(cè)力矩器定、轉(zhuǎn)子電流值即可求解陀螺平衡位置的敏感力矩值M=kIRIS,而采集一組定、轉(zhuǎn)子觀測(cè)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出一個(gè)敏感力矩值Mi,一個(gè)敏感力矩值則對(duì)應(yīng)一個(gè)角位移αi。GAT磁懸浮陀螺全站儀每一個(gè)尋北測(cè)回(8min)將獨(dú)立采集4萬組定、轉(zhuǎn)子電流,據(jù)此可獲得4萬個(gè)獨(dú)立陀螺方位角。因此陀螺定、轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值反映了系統(tǒng)瞬時(shí)的尋北狀態(tài),對(duì)每個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)的監(jiān)控則可控制測(cè)回尋北數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)GAT磁懸浮陀螺靈敏部尋北狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及原始數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ),并編制仿真軟件對(duì)陀螺尋北過程實(shí)時(shí)模擬。

        (3)提出并設(shè)計(jì)了逐次多位置粗尋北技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)了磁懸浮陀螺在近北位置的高精度尋北測(cè)量,提高了定向效率。根據(jù)磁懸浮陀螺尋北理論模型,陀螺在近北方向進(jìn)行尋北定向測(cè)量可有效縮短回轉(zhuǎn)時(shí)間,提高陀螺采樣數(shù)據(jù)質(zhì)量和尋北定向精度;磁懸浮陀螺借助于回轉(zhuǎn)系統(tǒng),在多個(gè)平衡位置進(jìn)行尋北數(shù)據(jù)采集,根據(jù)每一個(gè)尋北位置的采樣數(shù)據(jù)推算與真北方位的角位移量,并以此作為下一次回轉(zhuǎn)的目標(biāo)位置,這樣通過多位置采集尋北數(shù)據(jù)和多次回轉(zhuǎn),使尋北平衡位置逐漸逼近真北方位,最終實(shí)現(xiàn)陀螺近北方向的小角度高精度尋北;與此同時(shí),該技術(shù)方案放寬了對(duì)初始架設(shè)方位條件的限制,實(shí)現(xiàn)了全位置架設(shè),提高了磁懸浮陀螺全站儀的適應(yīng)能力與定向效率。

        (4)針對(duì)雙位置精尋北技術(shù)方案,推導(dǎo)了南北兩對(duì)向位置回轉(zhuǎn)尋北定向測(cè)量的誤差模型并進(jìn)行儀器系統(tǒng)優(yōu)化。針對(duì)磁懸浮陀螺的尋北力矩模型,深入分析其在4個(gè)尋北對(duì)稱位置敏感力矩的情況,認(rèn)為在相差180°的兩個(gè)盤位采集的轉(zhuǎn)子觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,可通過雙位置采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行差分的方法有效減弱或消除采樣數(shù)據(jù)中包含的常數(shù)性系統(tǒng)誤差,提高儀器的絕對(duì)尋北精度。

        (5)在磁懸浮陀螺全站儀應(yīng)用方面,在對(duì)子午線收斂角及陀螺儀器常數(shù)兩個(gè)重要定向參量分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合GAT磁懸浮陀螺全站儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了基于度盤配置儀器常數(shù)補(bǔ)償?shù)耐勇荻ㄏ蛐路椒?,并通過試驗(yàn)證實(shí)了該方法的可操作性,在一定程度上提高陀螺定向測(cè)量的工作效率;

        (6)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于高精度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)網(wǎng)的陀螺全站儀絕對(duì)尋北精度和相對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法,并采用該方法分別對(duì)GAT磁懸浮陀螺全站儀和Gyromat2000陀螺全站儀的尋北精度和穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際評(píng)價(jià),結(jié)果表明:該方法可以客觀真實(shí)地反映陀螺全站儀的尋北精度指標(biāo)且具有一定的普適性。

        (7)對(duì)陀螺在相關(guān)地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了探討,提出并推導(dǎo)了利用磁懸浮陀螺儀監(jiān)測(cè)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)變化的基本理論模型,并以磁懸浮陀螺為例對(duì)該理論模型及其可行性進(jìn)行了分析、試驗(yàn),研究結(jié)果表明目前利用陀螺儀監(jiān)測(cè)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)在理論上是可行的,實(shí)際應(yīng)用尚需進(jìn)一步提高陀螺儀測(cè)量分辨率。

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