陀螺全站仪在矿山贯通测量中的应用

陀螺全站仪在矿山贯通测量中的应用

胡嘉权 魏克敏 黄华

（1．攀煤（集团）公司地质测量处，四川 攀枝花 617066； 2．拓普康（北京）科技发展有限公司，北京 100075）

1

1

2

[摘要] 陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起的仪器。由于它不受时间、环境的限制，同时观测简单方便，效率高，所以它是一种先进的定向仪器。本文结合实际应用，对日本索佳GP1X陀螺全站仪在矿山贯通测量中的应用，提出提高其定向精度与工作效率的几点意见和建议。 [关键词] 陀螺全站仪；定向精度；应用

[中图分类号] TD175 [文献标识码] B [文章编号] 1674-5019（2011）05-0235-03

The Application of Gyro Total Station in Mine Through Survey

HU Jia-quan WEI Ke-min HUANG Hua

1 引言

目前，陀螺全站仪定向测量在矿山测量中已被[1]

广泛应用，相对于传统的陀螺经纬仪，索佳陀螺全站仪把陀螺仪和全站仪有机地联结，并在全站仪中内置了跟踪逆转点法和中天法两种程序，使用和操作更加简单，减少了定向过程中人为操作误差。陀螺全站仪测量精度常用一次定向中误差来衡量。在陀螺全站仪定向过程中，影响其测量精度的因素很[2]

多，一般说来，陀螺全站仪的一次定向中误差都在其出厂时的标称精度内。但是，由于仪器的制造工艺水平限制、测量时外界条件以及使用方法，都直接影响到陀螺定向时的精度。所以，对陀螺全站仪定向精度的分析与探讨，具有重要的实践意义。

一条测线一次观测的步骤为：仪器在测站对中整平；以5个连续跟踪逆转点测定陀螺北方向值；以一测回测定测线方向值。全站仪测定方向的误差包括：

（1）对中整平误差

假定测线边长d=50m，测站偏心和目标偏心e都是1.0mm，则觇标对中误差和仪器对中误差为：

m中=±ρe/（2d）=2×10/(2×50×10) =±2.83″

（2）全站仪测定方向值引起的定向误差

对于GP1X，配置2″的全站仪，则有定向误差mL

为：

mL=2/2=±1.4″ （3）逆转点观测确定陀螺北方向的误差mN0 逆转点观测误差mU包括跟踪瞄准误差和读数误差。

考虑跟踪瞄准误差mv和读数误差mo的共同影响，参考文献4上跟踪瞄准误差mv和读数误差mo的计算方法，mv=4″，mo=3″，则逆转点观测误差mU为：

2mU=±(m2v+mo)=±(16+9)=±5″

53

2 理论分析

陀螺全站仪定向时产生的误差来源与观测方法

[3]

有关。一般采用跟踪逆转点法来进行陀螺定向时，其操作步骤为：在精度较高的已知点上测定仪器常数，在定向边上测出陀螺方位角。引起跟踪逆转点法误差的因素很多，要将整个陀螺定向时各种影响因素都考虑进去，陀螺全站仪定向时的误差来源主要有以下几个方面。

（1）全站仪测定方向值的误差；

（2）上架式陀螺仪与全站仪的连接误差； （3）悬挂带零位变动误差；

（4）灵敏部摆动平衡位置的变动误差；

（5）外界条件，如风流、气温及震动等因素的影响。

以索佳GP1X陀螺全站仪为例，分别对上述因素作如下分析。

2.1 全站仪测定方向的误差

由5个逆转点读数计算平均值的公式为： （U1+3U2+4U3+3U4+U5） N0=（1/12）则相应的误差为：

（mU1+9 mU2+16 mU3+9 mU4+ mU5） mN0=（1/12）

若等精度观测，则mU1= mU2=……= mUn

mN0=±(1+9+16+9+1)/144×mU=±1/2 mU 逆转点观测确定陀螺北方向的误差mN0：

mN0=±1/2 mU=±2.5″

故全站仪测定方向的误差mh为：

2

2

2

2

2

2

2

测绘第34卷第5期2011年10月 236

m2222222

h=2 m中+ mL+ mN0=2×2.83+1.4+2.5=24.2278 mh=±4.9″

2.2 陀螺仪与全站仪的连接误差

每次定向时都要把陀螺仪与全站仪进行连接，拆装再连接必然要造成方向误差，参考同精度WILDT3的实测数据，这项误差的实际影响为：mb=±2″。 2.3 悬挂带零位变动误差

悬挂带对陀螺摆动系统的指向起阻碍作用，在观测时采用跟踪的方法可以消除悬挂带扭力的大部分影响。悬挂带材料的力学性质的优劣、陀螺运转造成的升温、外界气候的变化以及摆动系统的机械

锁紧和释放等因素的影响，均会引起零位变动[4]

。参考JT15陀螺经纬仪的实测结果，悬挂带零位变动中误差ma=±4″。

2.4 灵敏部摆动平衡位置的变动误差

影响摆动平衡位置变动的主要因素是：电源电压频率的变化引起角动量的变化，灵敏部内部温度的变化引起重心位移以及由于温升造成悬挂带和导流丝的形变等因素，都会造成平衡位置的变动。灵敏部摆动平衡位置变化最大为20″，中误差为±12″，因此观测时由5个逆转点计数计算出三个摆动中值取平均，得到平衡位置不稳定性引起的方向误差为：

mc=±12/3=±6.9″ 2.5 外界条件，如风流、气温及震动等影响

这些条件的影响程度较为复杂，无法精确测定，可取m外=±7″。

2.6 陀螺方位角一次测定中误差

依据以上理论分析，根据照误差传播定律[5]

，测线陀螺方位角一次测定中误差mT为：

m2= m22222222+6.92+72

Th+ mb+ma+ mc+m外=4.9+2+4= 140.62

mT=±11.9″

误差分析的结果说明，索佳GP1X陀螺全站仪（20″）的设计精度是合理可行的。

3 实例分析

3.1 工程概况

花山矿某新入风斜井是为扩大花山煤矿生产能力，满足生产需要，提高矿井通风能力。由于花山矿某新入风斜井贯通距离长，随着测站增加，支导线误差累积越来越大，极易发生偏差。如果偏差造成对接贯通巷道穿帮或误透，则耗费大量人力、物力和财力，直接影响工期及下一步设计施工，影响矿井设计施工及生产。为确保在规定限差范围内准确贯通，必须采用陀螺定向的方法来校核已经施测的7″导线。 3.2 陀螺定向过程

2011年3月，对花山矿某新入风斜井贯通测量的7″导线边1#-15#、H3-H6进行陀螺定向校核工作，使用仪器为日本索佳GP1X陀螺全站仪。陀螺定向时测定仪器常数的基线为已知四等点四06-川交041，边长为1137.640m,校核的7″导线边1#-15#，边长为354.519m，7″导线边H3-H6，边长为108.505m。定向时严格按照《煤矿测量规程》作业，先在已知点上测定仪器常数，然后到井下校核两条7″导线边，再回到已知点上测定仪器常数，测量时各项限差均符合《规程》要求。 3.3 陀螺定向成果及精度分析

花山矿某新入风斜井陀螺定向的仪器常数测定与精度分析见表1，井下校核导线边陀螺定向成果与精度分析见表2。

实测结果表明，地面已知点测定仪器常数，一次测定陀螺方位角的中误差达到±1.67″，精度较高。井下定向时由于受到风流及其他因素影响，定向精度相对差些，但也符合《煤矿测量规程》规定要求。

从陀螺定向结果对比可以看出，1#-15#边差27.7″，H3-H6边差23.2″，完全满足《煤矿测量规程》中对支导线限差值的要求，说明此次陀螺定向的成果是比较可靠的。

陀螺定向后，对1#-15#、H13-H6进行了方位调整，采用此次陀螺定向成果。花山矿某新入风斜井于2011年4月6日精确贯通，最终实际测量结果：

坐标增量闭合差△X=±93 mm，△Y=±14 mm； 角度闭合差为12〃； 高程闭合差±86mm；

导线全长相对闭合差为：1／60000。 从最终贯通结果可以看出，采用陀螺定向后，贯通精度有了明显提高，完全符合贯通测量设计的各项技术要求。

4 结论及建议

通过对索佳GP1X陀螺全站仪定向精度进行理论

分析和现场实测得出如下结论：

（1）现场实测结果表明，索佳GP1X陀螺全站仪一次测定陀螺方位角的中误差达到±1.67″，远小于其标称精度±20″，完全满足矿山大型贯通测量工程的要求。

（2）在测定仪器常数时，在满足《煤矿测量规程》要求的前提下，尽可能选择精度高的已知边，如条件允许，尽量采用贯通测量的起始边，以减小测定仪器常数时的误差。

（3）在外界条件较为不利的条件下，如大风、

测绘第34卷第5期2011年10月 237

表1 花山矿某新入风斜井陀螺定向的仪器常数测定 陀螺方位角（αt） 坐标方位角 子午线收敛角°′″ 仪器常数（△）边名 （α0） （γ0） 序号 观测值 均值 1 331 33 28 2 331 33 26 331°33′ 四06-川交041 331°43′17″ -0°10′35″-0°0′43.6″3 331 33 26 25.6″ 4 331 33 24 5 331 33 24 四06坐标：略 γ0=y0*k0=-0°10 ′35″ 仪器常数△=α0+γ0-αt=-0°0′43.6″ 备注 一次测定陀螺方位角的中误差：m△=±[VV]/(N-1)=±1.67″ 仪器常数平均值的中误差m△平=±m△/N=±0.75″ 表2 花山矿某新入风斜井陀螺定向井下定向边计算分析表 测线陀螺方位角

边名

序号

观测值

°′″

平均值 °′″

子午线收敛角（γ0）仪器常数（△）

坐标方位角

α

1 235 50 40

1#-15# 2 235 51 03 235 50 46.3

3 235 50 36 1 147 22 39 2 147 23 02

H3-H6 147 22 47.8

3 147 22 40 4 147 22 50

矿地测科提供7″导线坐标：

备注 1#点坐标：略

H3点坐标：略

-0°10 ′35″ -0°0′43.6″ 236 00 37.7

-0°10 ′33″ -0°0′43.6″ 147 32 37.2

注：由于在定向过程中零位互差未超过0.2格，因此未加入零位改正。

大雾、温度变化较大的情况下，不宜进行陀螺定向测量工作。

（4）虽然陀螺全站仪较陀螺经纬仪有了较大改进，可以直接测定出陀螺方位角，但在测量时，一定要规范记录原始测量数据。采用逆转点法观测时,一般连续观测5个逆转点,计算三个陀螺摆动中值.相邻摆动中值互差的限差为30秒,间隔摆动中值的互差的限差为45秒；采用中天法测量时，相邻时间差的互差为0.6s，间隔时间差的互差为0.8s，只有满足上述要求，测出的结果才是真实可靠的。

（5）在采用跟踪逆转点法进行陀螺定向时，由于配置的SET2X全站仪跟踪行程太短，跟踪时不太方便，建议厂家将全站仪制动改为无限制摩擦。

（6）陀螺仪读数度盘刻度最小分划为0.5格，估读时读数因人而异。建议厂家将最小分划改为0.1格，这样用中天法测量出的结果能更为精确。

参考文献

程，2006，15（1）：1-5.

[3] 周立吾，张国良，林家聪. 生产矿井测量[M]. 徐州：中

国矿业大学出版社，1987. 80-93.

[4] 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，2003. 86-100.

[5] 武汉测绘科技大学测量平差教研室. 测量平差基础[M].

北京：测绘出版社，1994. 32-47.

[收稿日期] 2011-05-23

，云南丽江人，1994年毕业于阜[作者简介] 胡嘉权（1972-）

新矿业学院测量工程系，工程师，从事大地测量及矿井测量工作。

[1] 索佳陀螺仪使用培训教材[Z].

[2] 张学庄. 提高陀螺经纬仪定向效率的方法[J]. 测绘工