1、陀螺仪定向原理与索佳GPX介绍徐忠阳www.z-目录 方位角定义与测量方法 陀螺仪定向原理与使用 索佳GPxX系列全站式陀螺仪特点简介www.z-方位角（ azimuth）是指从某一点的指北方向线算起，按顺时针方向至某目标点的方向线之间的水平夹角。z 从真子午线算起的称之为 “真方位角 ”；z 从磁子午线算起的称之为 “磁方位角 ”；z 从坐标系中的纵线算起的称之为 “坐标方位角 ”。1. 方位角的定义与测量方法1.1 真北、磁北和坐标北www.z-方位角 环境要求 天气要求 精度 速度 已知点陀螺仪 真北坐标北坐标北坐标北真北磁北无 无 好 快 不需要GPS 静态 有 无 好 慢 需要指北针
2、 无 无 低 快需要需要不需要不需要GPS RTK 有 无 低 快后视定向 有 有 好 快天文观测 有 有 好 慢1. 方位角的定义与测量方法1.2 不同方位角的测量方法www.z- 陀螺仪的特性 陀螺仪的定向原理 陀螺仪的分类 陀螺仪的基本结构 陀螺仪的操作 陀螺仪定向作业流程2. 陀螺仪定向原理与使用方法内容目录www.z-陀螺仪是根据自由陀螺(在不受外力作用时，具有三个自由度的陀螺仪)的原理制造而成的。自由陀螺仪具有以下两个基本特性：定轴性、进动性。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.1 陀螺仪的定轴性、进动性www.z-（ 1）定轴性（ 2）进动性陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向
3、初始恒定方向；陀螺轴在受到外力作用时，将产生非常重要的效应 “进动 ”。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.1 陀螺仪的定轴性、进动性www.z-如右下图，左端为一可转动的陀螺，右端为一可移动的悬重。z 当调节悬重的位置使杠杆水平时，可以看到陀螺转动后，其轴线的方向 始终保持不变，即可验证定轴性。z 当将悬重向左移动一小段距离，即相当于陀螺轴受到一个向下的作用力时，陀螺转动后，杠杆将保持水平，但将在水平面上作逆时针方向的转动；2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.1 陀螺仪的定轴性、进动性z 同理，将悬重右移一小段距离，即陀螺轴受到一个向上的作用力时，陀螺转动后，杠杆仍保持水平，但将在水平面上作顺时
4、针方向的转动，这样即可验证自由陀螺仪的进动性。陀螺仪www.z-目前常用的陀螺仪是采用两个完全自由度和一个不完全自由度的钟摆式陀螺仪。它是根据上述的陀螺仪的定轴性 和 进动性 两个基本特性，并考虑到陀螺仪对地球自转的相对运动，使陀螺轴在测站子午线附近作简谐摆动的原理而制成的。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理钟摆式陀螺如右图，在自由陀螺仪轴上加以悬重 Q，则陀螺仪灵敏部的重心由中心 O下移到 O1点，结果便限制了自由陀螺仪绕 y轴旋转的自由度，亦即x轴因悬重 Q的作用，而永远趋于和水平面平行的状态。因为它的灵敏部和钟摆相似 (重心位于过中心的铅垂线上，且低于中心 )，所以称为
5、钟摆式陀螺仪。www.z-地球以角速度E(E=1周/昼夜=7.2510-5rad/s)绕其自转轴旋转，故地球上的一切东西都随着地球转动。如从宇宙空间来看地轴北端，地球是在作逆时针方向旋转，其旋转角速度的矢量E沿其自转轴指向北端。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理地球自转www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动当陀螺仪在北纬某地设站，其主轴无论是方位角（相对子午线）和高度角（相对水平面）都不停地发生变化。由此可见，陀螺仪主轴在地球上的视运动，不仅与 纬
6、度 有关，还与主轴与 子午面 及水平面之间的夹角有关。www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动（ 1）重力矩MPP=Plsin/Hl- 陀螺悬挂点O至重心O之间的长度P- 陀螺灵敏部的重量- 陀螺主轴与地平面之间的夹角（高度角）H- 陀螺转子的动量矩（角动量）重力矩进动角速度 PMP=Plsinwww.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动（ 1）指向力矩 MHMH=HEcos sinE- 地球自转角速度 - 测站地理纬度 - 陀螺主轴与子午面之间的水平夹角（方位角角）H- 陀螺转子的动量矩(角动量)www.z-
7、z 综合前面所述，摆式陀螺仪围绕子午面左右摆动是重力矩和指向力矩综合作用的结果。z 随着地球自转，陀螺仪主轴 X的高度角发生变化形成重力矩，使陀螺仪产生进动效应。z 而地球的自转又使陀螺产生指向力矩，使陀螺仪的进动围绕子午面进行。当陀螺仪主轴 X越接近子午面，指向力矩越小，当X 轴指向子午面（即 为零时），则指向力矩为零，但此时陀螺仪因惯性的作用以最快的速度通过子午面。z 当陀螺仪主轴 X远离子午面时，相反方向的指向力矩使陀螺仪的进动速度慢慢降低，直至达到平衡点而停止。z 然后，在指向力矩的作用下，陀螺仪主轴 X又向子午面方向运行，周而复始，使陀螺仪围绕子午面（真北方向）做摆式运动，实现了真北
8、定向的目的。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.2 陀螺仪定向原理陀螺仪相对地球的运动www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.3 陀螺仪的分类陀螺经纬仪全站式陀螺仪 全自动全站式陀螺仪上架式上架式 下架式www.z-z陀螺仪的结构全站式陀螺仪是将陀螺仪安放在全站仪之上而构成的，其中陀螺仪部分的基本结构如右图。悬挂带陀螺分划板目镜筒2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.4 陀螺仪的基本结构www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法
9、2.4 陀螺仪的基本结构z全站式陀螺仪的组成（1）全站仪（2）陀螺仪（3）逆变器（4）电池（5）电源电缆www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作z 基本操作流程锁紧螺旋完全锁紧观测开机关机锁紧螺旋完全锁紧www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作z 基本操作流程全站仪朝向近似北方向，零位观测粗定向：逆转点法跟踪 2个逆转点逆转点法观测 中天法观测显示精确真北定向值 （精度优于 20”）把定向结果（真北零方向）设置到全站仪的水平度盘中照准方位标，读取方位角要求：粗定向在 2以内 要求：粗定向在 20以内www.z-z 悬挂带零位悬带零位是指陀
10、螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬带和导流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，即扭力矩为零的位置。z 观测要求在陀螺观测开始之前和结束之后，要作悬带零位观测，相应简称为 测前零位 观测和 测后零位 观测。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（1）陀螺仪悬挂带零位观测www.z-z 观测方法测定悬挂零位时，先将全站仪整平并固定照准部，下放陀螺灵敏部（不能启动马达），从读数目镜中观测灵敏部的摆动，在分划板上连续读三个逆转点的读数，估读到 0.1格。z 零位计算L=1/2(a1+a3)/2+a2 零位观测2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（1）陀螺仪悬挂带零位观测ww
11、w.z-在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，首先进行粗略定向，即把全站仪望远镜视准轴置于近似北。寻找近似北的方法：z 配有粗定向盘的陀螺仪，可用罗盘达到粗定向的目的。z 在已知边上测定仪器常数时，可利用已知边的坐标方位角及仪器站的子午线收敛角来直接寻找近似北方。z 当在未知边上定向，且仪器本身又无粗定向罗盘附件时，可用仪器本身来寻找北方，常用的方法为两个逆转点法。2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（2）粗定向www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（3）精密定向逆转点法粗定向后，全站仪转到粗定向的北方向，再次下放陀螺，控制摆幅在58格之间，用逆转点法开始通过全站仪平稳的精确跟踪逆转点， 一般不少于 5个逆转点【不能骤然跟踪，否则测量出来的陀螺北方向不准确】。www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（3）精密定向逆转点法www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（4）精密定向中天法首先通过逆转点法确定陀螺北方向在 20之内，然后托起陀螺；再次下放陀螺使其摆幅在 8 10格之间，用中天法开始观测；至少测量 2个周期。www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.5 全站仪陀螺仪的操作（4）精密定向中天法www.z-2. 陀螺仪定向原理与使用方法2.6 全自动陀螺仪简介
