【摘要】陀螺全站仪是利用高速回转体的内置陀螺进行真北方向的准确定位的高精度定向仪器，可以不依赖其他条件就能够测定真北方向。仪器常数的稳定性直接影响到定向结果的可靠性。针对该问题, 文章从仪器常数探讨了陀螺定向的精度问题, 总结了影响仪器常数稳定性的因素。提出了在使用陀螺全站仪前应对仪器进行检测、 认真观测并计算零位值的建议。
【关键词】陀螺全站仪；仪器常数；影响因素
0.引言
陀螺全站仪的定向精度是指陀螺全站仪定向观测值的离散度及偏离真值的程度。若将仪器架设在已知真北方位的基准边上, 则多次试验测出的方位角与实际方位角进行对比, 求出的均方差即为陀螺全站仪的定向精度。该指标可用来考核仪器定向的重复性和仪器常数的稳定性。由于在计算定向边的地理方位角时需要加入仪器常数, 因而仪器常数的测定精度和可靠性直接影响到定向结果的精度和可靠性。针对陀螺全站仪的仪器常数及其测定, 本文进行了一些有益的讨论。
1.仪器车载运输对仪器常数稳定性的影响
仪器常数运输振动发生变化, 主要来源于以下两个方面。
1.1仪器结构中联接件的变形及相互位置变化。
1.2各联接件加工及装配残存的应力受震动而产生释放。
这些影响很难进行定量分析确定,只有通过在陀螺全站仪的设计中采取以下措施, 解决仪器车载运输振动造成的常数变化: 在结构允许的前提下,加大各联接部件的尺寸,有效增强联接的牢固性; 减小各联接件之间的配合间隙,避免震动后各联接件的位置变化; \对主要联接零件采取稳定性回火、时效等工艺措施消除机械应力变形, 光学件采用胶粘亚紧的固定式; 在仪器运输过程中加设防震基座。
2.环境温度变化对仪器常数的影响
2.1当外界环境温度发生变化时, 在以下几方面对仪器产生影响
2.1.1各结构零件的热膨胀率的差异, 造成相互之间位置关系变化及应力变化。
2.1.2电子元器件性能变化产生电零位漂移。
2.1.3各敏感器件如陀螺电机、 悬带等物理参数发生变化。
以上几种现象,都会造成仪器常数的变化,由于现有技术的限制,有些不利因素无法通过设计完全消除, 但可将其减弱,因此, 环境温度变化下仪器常数的稳定性,需从设计及寻找仪器常数变化规律两个角度解决。
2.2环境温度修正
对于仪器设计无法消除温度变化影响的剩余残差, 拟采用温度修正的方法解决。在这方面,需要进行大量的实验分析,建立仪器常数随环境温度变化的数学模型,是解决该问题的最佳途径。我们在高低温实验室对Y/JTG-1陀螺全站仪的仪器常数随温度变化进行了实验, 数据见表 4所示。实验在仪器设计适应环境温度的低温、 室温和高温条件下,各观测仪器常数 5个测回, 然后计算仪器常数的平均值, 最后检验其常数互差是否满足 22m的稳定性要求。
环境温度由 8℃ 变化到 17℃(温差 9℃ )仪器常数变化 14 ,变化率为 1 . 56 /℃ ;环境温度由 17℃ 变化至 25℃ (温差为 8℃ )时,仪器常数变化 11.3, 变化率为1.41/℃;环境温度由25℃ 变化至33.5℃ (温差为 8.5℃ )时,仪器常数变化 12.2,变化率为 1.44 /℃。平均变化率为1.44/℃。随着温度的变化, 仪器常数大体上呈线性变化。此外, 在实验中发现,仪器常数随温度变化具有可逆性,这样,使得仪器常数的温度修正,具有很大的可行性。显然,基于以上实验结果, 可实施仪器常数的温度修正, 减弱环境温度变化引起的常数漂移。
2.3针对仪器常数测定的几点建议
2.3.1建立高精度的方位基准
陀螺全站仪能够高精度测定真北方向的前提是必须消除仪器的系统误差, 即仪器常数。因而需要建立高精度的方位基准, 而高精度的方位基准一般只能用天文观测方法得到,为此应以二等天文测量以上的精度建立方位基准。
2.3.2合理确定观测次数
由于观测次数直接影响定向精度及仪器常数的测定精度, 应该合理确定观测次数, 使观测值能达到所需的精度即可。通常在实际测量中, 对同一个量的观测次数一般不超过 10次, 因而测定仪器常数时观测 8个测回即可。
2.3.3常数的稳定周期
仪器常数的稳定周期为两个月, 或测量 100次, 或一次公路运输不超过 1500km。在仪器常数稳定周期内仪器的定向精度应满足指标要求。
2.3.4室内条件下常数标定
采用短边方位传递的方法将基准从室外传递到室内,建立一条高精度的固定边 ( 10m以上 ), 采用单站重复检定法测定仪器常数。观测 8个测回, 计算所得常数取均值即为仪器常数。为了减小系统性影响, 每次观测都要重新对中调平仪器。
2.3.5 室外条件下常数标定
按二等天文测量的精度在室外建立一条长 100m以上的基准边, 其中室内点在地面做标志架设陀螺全站仪,室外点为永久性固定的照准目标点。观测 8个测回, 计算所得常数取均值即为仪器常数。
2.3.6定义广义的仪器常数
由于陀螺的指向力矩随着地理纬度的增加而减小, 导致仪器的定向精度随着地理纬度的增加而降低, 因而定向精度是地理纬度的函数。在实际应用中, 一般把地理纬度对定向精度的影响归结为仪器常数的改正, 即在测区的一条已知边上测定仪器常数, 将新测定的仪器常数装入仪器中, 用软件修正陀螺仪的测试数据。但实际上采用这样的方法并不能完全消除地理纬度对定向精度的影响, 因而《陀螺寻北仪通用规范》 将陀螺仪的寻北精度定义为R/cosU( U为测站的地理纬度, R为一次定向的标准偏差 )。如果把广义的仪器常数定义为相对稳定的 E 和随纬度变化的 E U之和, 通过试验和数学分析方法获得 E随时间的漂移规律和计算 E U 的经验公式, 在定向结果中削弱其影响, 从而可以稳定仪器的定向精度, 那么一台仪器无论在何处使用, 理论上都能达到设计的精度, 也便于仪器之间的精度比较。
3.结束语
仪器常数是陀螺全站仪的一个重要改正, 它的精度对仪器的定向精度影响很大。若仪器常数不稳定, 则会造成仪器的性能降低, 甚至丧失使用功能。本文在讨论影响仪器常数变化的几种主要因素，并作了定性或定量的分析, 并提出了几点建议。希望通过以上讨论, 对陀螺全站仪的检定和使用有所帮助。■
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