CN110108265B - 一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，由对中整平系统、微型计算机系统、照准系统、陀螺系统、精密测角及回转系统构成。仪器使用时，首先通过陀螺系统测定待测点的地理纬度，然后通过陀螺系统测定仪器偏北角，最后通过照准系统精确照准目标点测定水平旋转角度并进而解算出待测边的真北方位角。本发明解决了传统陀螺定向仪器无法自主获取地理纬度以及纬度未知情况下无法进行陀螺定向的问题，具有自动化程度高、操作简便、定向精度高、仪器环境适应能力强、抗干扰能力高等优点。

Description

一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器

技术领域

本发明属于大地测量学、地球动力学、惯性导航技术领域，针对受限空间下如超长隧道、矿山开采、城市地铁等大型工程进行贯通测量，以及机动战时无法通过GPS/BDS等方法获得导弹发射、武器制导、方位基准、导航设备标校等精确定向必需的地理纬度参数难题，提供了一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器。

背景技术

在国民建设方面，对于超长隧道、矿山开采、城市地铁等大型工程建设中，为保证其准确的贯通，需要进行高精度的定向与测量工作。然而由于隧道内处于受限空间，很多高精度的测量手段无法应用于其中。随着隧道开采的不断推进，隧道偏移量将不断累积。因此在隧道贯通测量中，通常使用陀螺定向的方法保证隧道的准确贯通。在国防军事方面，导弹发射、武器制导等需要精确的方位信息，在武器发射炮架上通常使用陀螺定向仪器提供初始高精度方位基准。

对于传统的陀螺定向仪器，待测点地理纬度是一个不可或缺的必要参数，必须事先已知待测点的地理纬度或通过其他测量手段获取，然后将测站地理纬度手动输入陀螺定向仪器中。其主要存在以下几点不足：

1.在受限空间或作战时期中，往往无法事先已知待测点的地理纬度，或者高精度的测量手段失效，无法获取待测点的地理纬度，此时则无法使用传统陀螺定向仪器进行定向测量。

2.未能满足现代测量对高自动化以及快速化的要求。

3.目前测绘领域广泛应用的陀螺全站仪存在仪器稳定性差、环境适应性差、抗干扰能力弱等不足，难以满足现代超深超长隧道(井巷)贯通及深部矿山应急救援等工作对受限空间高精度方位基准建立的需求。

发明内容

本发明提供一种可自主获取地理纬度的陀螺定向仪器，该仪器通过敏感地球自转效应自主获取测站地理纬度并测定任意目标的真北方位。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，包括外壳体，还包括设置于外壳体中的内壳体，以及：

对中整平系统，用于在仪器安装时通过指北标识进行初步指北、调整仪器处于水平状态以及使仪器的中心轴线穿过待测点；

照准系统，用于通过调整旋转角度使位于外壳体上方的望远镜照准目标点；

陀螺系统，包括安装于所述内壳体中陀螺房和上浮装置，陀螺房上安装有上浮装置，通过控制和调节上浮装置使陀螺房浮起并处于位置稳定状态，或下落至初始位置；所述的内壳体下方设置有与所述陀螺房下部连接的阻尼传感器转子，外壳体内的底部在周向分布有阻尼传感器定子；

精密测角及回转系统，用于测量所述望远镜的旋转角度，以及驱动所述内壳体转动并测量转动角度；

计算机系统，用于驱动所述陀螺旋转或停止、驱动陀螺房浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子和阻尼传感器定子之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子电流值和阻尼传感器定子电流值、控制内壳体转动至指定角度。

进一步地，所述的阻尼传感器转子的下部连接有陀螺下落锥，位于外壳体底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥配合的陀螺下落槽，通过陀螺下落锥、陀螺下落槽的配合使所述陀螺系统精准复位。

进一步地，所述的对中整平系统包括所述的指北标识、水准管α、水准管β、脚螺旋、上对中标识孔以及下对中标识孔，其中：

所述的指北标识位于外壳体上表面，所述的望远镜上方设置有上支架，上对中标识孔位于上支架的中心处；所述的外壳体下方设置有下平台，外壳体通过其底部的脚螺旋安装在下平台上，下对中标识孔位于所述下平台的中心处；

所述的计算机系统包括微型计算机，微型计算机的上表面为平面，所述水准管α、水准管β均位于所述上表面，其中水准管α位于上表面中心处，水准管α、水准管β的中心轴线垂直且共面。

进一步地，所述的照准系统包括所述的望远镜、照准部支架、竖直转轴、竖直微动螺旋、水平微动螺旋以及水平转轴，其中：

所述的照准部支架设置一对，安装在微型计算机上表面上，位于所述一对照准部支架之间设置竖直转轴，所述望远镜安装在竖直转轴上，所述水平转轴连接在微型计算机底部；所述的竖直微动螺旋、水平微动螺旋分别安装在照准部支架上，以及微型计算机侧面。

进一步地，所述的精密测角及回转系统包括垂直度盘、水平度盘以及回转马达，其中：

所述的水平度盘安装在外壳体中，所述的水平转轴下端连接水平度盘；回转马达安装于水平度盘底部并与所述内壳体连接；垂直度盘嵌在照准部支架中并与所述竖直转轴连接。

进一步地，所述的上浮装置包括连接在陀螺房上部的衔接架，衔接架由多根沿圆周方向均匀分布且同一端相互连接的衔接杆构成，在每一根衔接杆的端部均设置有自准直光电传感器，所述内壳体的内壁上设置有与所述自准直光电传感器配合的反射棱镜；

位于所述内壳体中的底部分布有电感线圈，所述衔接架的下部设置有与所述电感线圈配合的衔铁。

进一步地，所述的陀螺房内部设置有陀螺转轴，陀螺转轴的两端通过轴承安装于陀螺房内壁上，陀螺转轴上安装有陀螺。

进一步地，通过对中整平系统安装好仪器之后，待测点地理纬度

的测量公式如下：

上式中，H为陀螺角动量，k为阻尼传感器系数，ω_e为平均地球自转角速度，I_甲R、I_甲S分别为水平度盘在0°位置处阻尼传感器转子的电流值、阻尼传感器定子的电流值；I_乙R、I_乙S分别为所述回转马达驱动内壳体相对于所述0°位置旋转角λ度后所处位置处阻尼传感器转子的电流值、阻尼传感器定子的电流值。

进一步地，利用照准系统照准目标点后，水平度盘测定测线与指北标识之间的夹角Z，继而计算出测线的真北方位角A_CP＝N+Z，其中：

上式中，I_丙R、I_丙S分别为水平度盘在0°位置处阻尼传感器转子的电流值、阻尼传感器定子的电流值；I_丁R、I_丁S分别为所述回转马达驱动内壳体相对于所述0°位置顺时针旋转180°后所处位置处阻尼传感器转子的电流值、阻尼传感器定子的电流值。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明的仪器可快速获取待测点的高精度地理纬度值以及测线的真北方位。

2.本发明可自动获取待测点的纬度，解决了传统陀螺定向仪器无法自主获取地理纬度以及纬度未知情况下无法进行陀螺定向的问题，具有自动化程度高、操作简便、定向精度高、仪器环境适应能力强、抗干扰能力高等优点。

附图说明

图1为利用本发明自主获取地理纬度的原理示意图；

图2为利用本发明自动寻北的原理示意图；

图3为本发明处于待机状态下的内部结构示意图；

图4为本发明处于工作状态下的内部结构示意图；

图5为本发明的衔接架、自准直光电传感器、反射棱镜工作状态下的俯视图；

图6为本发明仪器进行地理纬度获取及寻北的流程示意图；

图7为本发明安置仪器时指北标识位置指向示意图；

图8为位置甲、位置乙的关系图；

图9为位置丙、位置丁的关系图。

图中标号说明：1上对中标识孔，2上支架，3垂直度盘，4竖直转轴，5望远镜，6照准部支架，7竖直微动螺旋，8水准管α，9水准管β，10微型计算机，11显示屏，12键盘，13电源，14水平微动螺旋，15水平转轴，16水平度盘，17指北标识，18外壳体，19回转马达，20内壳体，21衔接架，22自准直光电传感器，23反射棱镜，24衔铁，25电感线圈，26陀螺房，27陀螺转轴，28陀螺，29轴承，30阻尼传感器转子，31阻尼传感器定子，32陀螺下落锥，33陀螺下落槽，34脚螺旋，35下平台，36下对中标识孔。

具体实施方式

本发明公开了一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，包括外壳体18，还包括设置于外壳体18中的内壳体20，该测量仪器还包括：对中整平系统、计算机系统、照准系统、陀螺系统、精密测角及回转系统，下面分别对各个系统进行进一步详细说明。

如图3、图4所示，XX轴为本发明的中心轴线，也是外壳体18的中心轴线，YY轴为望远镜5的竖直转轴4的中心轴线，LL轴为水准管α8的中心轴线，且与XX轴垂直；L′L′轴为水准管β9的中心轴线，且与XX轴垂直，LL轴与L′L′轴在同一水平面上。本实施例中，内壳体20、外壳体18均为空心圆柱形结构，其中外壳体18上部、内壳体20下部均开设有开口，分别用于水平度盘16和水平转轴15的连接、陀螺房26的上下运动。

1.对中整平系统

用于在仪器安装时通过指北标识17进行初步指北、调整仪器处于水平状态以及使仪器的中心轴线穿过待测点。具体地：

对中整平系统包括所述的指北标识17、水准管α8、水准管β9、脚螺旋34、上对中标识孔1以及下对中标识孔36，其中：

所述的指北标识17位于外壳体18上表面，标定了仪器水平度盘16的0°位置指向。所述的望远镜5上方设置有上支架2，上对中标识孔1位于上支架2的中心处；所述的外壳体18下方设置有下平台35，外壳体18通过其底部的脚螺旋34安装在下平台35上，下对中标识孔36位于所述下平台35的中心处；中心轴线XX通过上对中标识孔1和下对中标识孔36。

所述的计算机系统包括微型计算机10，微型计算机10的上表面为平面，所述水准管α8、水准管β9均位于所述上表面，其中水准管α8位于上表面中心处，水准管α8的中心轴线LL轴与水准管β9的中心轴线L′L′垂直且共面，平面LL L′L′平行于微型计算机10上表面。

在仪器安装时，将指北标识17粗略对准北方向(使指北标识17与该点处真北方向夹角小于±5°以内)，同时使XX轴穿过待测点，调节脚螺旋34使水准管α8和水准管β9的气泡居中，此时仪器在YY轴、LL轴以及L′L′轴方向上均处于水平状态。

2.照准系统

用于通过调整旋转角度使位于外壳体18上方的望远镜5照准目标点。具体地：

照准系统包括所述的望远镜5、照准部支架6、竖直转轴4、竖直微动螺旋7、水平微动螺旋14以及水平转轴15，其中：

所述的照准部支架6设置一对，安装在微型计算机10上表面上；所述的上支架2固连在照准部支架6的上部。位于所述一对照准部支架6之间设置竖直转轴4，所述望远镜5安装在竖直转轴4上，YY轴为竖直转轴4的中心轴线，望远镜5可通过竖直转轴4在竖直平面内绕YY轴旋转至任意方向。所述水平转轴15连接在微型计算机10底部，水平转轴15旋转时，带动其上部的微型计算机10、照准部支架6、望远镜5绕XX轴在任意水平方向上旋转。所述的竖直微动螺旋7、水平微动螺旋14分别安装在照准部支架6上，以及微型计算机10侧面。竖直微动螺旋7通过角度调节机构可精确调整望远镜5竖直旋转角度，水平微动螺旋14通过角度调节机构可精确调整望远镜5的水平旋转角度便于精确照准目标点；所述的角度调节机构属于成熟的现有技术，在此不赘述。

3.陀螺系统

安装于所述内壳体20中，包括安装于所述内壳体20中陀螺房26和上浮装置，通过控制和调节上浮装置使陀螺房26浮起并处于位置稳定状态，或下落至初始位置；所述的内壳体20下方设置有与所述陀螺房26下部连接的阻尼传感器转子30，外壳体18内的底部在周向分布有阻尼传感器定子31。所述的上浮装置包括连接在陀螺房26上部的衔接架21，衔接架21由多根沿圆周方向均匀分布且同一端相互连接的衔接杆构成，在每一根衔接杆的端部均设置有自准直光电传感器22，所述内壳体20的内壁上设置有与所述自准直光电传感器22配合的反射棱镜23；位于所述内壳体20中的底部分布有电感线圈25，所述衔接架21的下部设置有与所述电感线圈25配合的衔铁24。所述的陀螺房26内部设置有陀螺转轴27，陀螺转轴27的两端通过轴承29安装于陀螺房26内壁上，陀螺转轴27上安装有陀螺28。

所述的内壳体20固连于回转马达19下方，内壳体20的下内壁以XX轴为中心以正六边形均匀分布了6个电感线圈25，内壳体20内侧壁上对应位置设有6个反射棱镜23，如图5所示。衔接架21的上的自准直光电传感器22发射沿衔接杆杆臂方向的激光至内壳体20内侧壁上相对应的6个反射棱镜23上，自准直光电传感器22同时会接收反射棱镜23反射回的激光，若反射棱镜23反射回的激光与自准直光电传感器22射出的激光重合，则可以判定陀螺房26处于稳定位置。

衔接架21下方固连有陀螺房26，其内部的陀螺28可带动陀螺转轴27进行旋转。陀螺房26下方与阻尼传感器转子30固连。所述的阻尼传感器转子30的下部连接有陀螺下落锥32，位于外壳体18底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥32配合的陀螺下落槽33，陀螺下落锥32通过落入陀螺下落槽33中可以保证陀螺系统的准确复位。阻尼传感器转子30与阻尼传感器定子31之间可产生均匀的水平电磁场。

4.精密测角及回转系统

用于测量所述望远镜5的旋转角度，以及驱动所述内壳体20转动并测量转动角度。具体地，精密测角及回转系统包括垂直度盘3、水平度盘16以及回转马达19，其中：

所述的水平度盘16安装在外壳体18中，所述的水平转轴15下端连接水平度盘16；回转马达19安装于水平度盘16底部并与所述内壳体20连接；垂直度盘3嵌在照准部支架6中并与所述竖直转轴4连接。垂直度盘3可精确测量望远镜5绕竖直转轴4旋转角度，水平度盘16可精确测量望远镜5以及回转马达19驱动内壳体20(包括其内部陀螺房26)绕XX轴的水平转动角度；回转马达19可带动内壳体20及其内部装置以及衔接架21、陀螺房26及其内部装置、阻尼传感器转子30、陀螺下落锥32围绕XX轴回转至任意角度，并可接收计算机系统的指令回转至指定的位置上。

5.计算机系统

计算机系统包括微型计算机10、键盘12、显示屏11以及电源13。计算机系统用于驱动所述陀螺28旋转或停止、驱动陀螺房26浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子30和阻尼传感器定子31之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子30电流值和阻尼传感器定子31电流值、驱动内壳体20转动至指定角度。具体地，在计算机系统中安装有以下程序以实现所述功能：

5.1陀螺转动程序

陀螺接收计算机系统指令后转速从零增加到额定转速，并维持在额定转速。

5.2陀螺浮起程序

电感线圈25接收计算机系统指令后通电，衔接杆上的衔铁24受到磁力影响，拉起下方的陀螺房26及其内部装置、阻尼传感器转子30、陀螺下落锥32等一起向上浮起。

5.3陀螺稳定位置判定程序

通过使自准直传感器发射光线与内壳体20内侧壁上相应位置的反射棱镜23相互作用以判定陀螺房26是否悬浮于稳定位置。

如图5所示，自准直光电传感器22发射沿杆臂方向的激光至内壳体20内侧壁上相对应的6个反射棱镜23上，自准直光电传感器22同时会接收反射棱镜23反射回的激光，若6组反射棱镜23反射回的激光与自准直光电传感器22射出的激光均重合，则可以判定陀螺房26处于稳定位置。若激光不重合，则通过调整衔接杆杆臂下方的电感线圈25电流大小以及阻尼传感器转子30与阻尼传感器定子31之间的均匀水平电磁场大小，直至6组反射棱镜23反射回的激光与自准直光电传感器22射出的激光均重合。

5.4阻尼传感器电流测量程序

通过在阻尼传感器转子30与阻尼传感器定子31之间形成均匀水平电磁场，实时采集阻尼传感器转子30的电流值I_R以及阻尼传感器定子31的电流值I_S，并将测量的电流值结果保存在微型计算机10中。

5.5陀螺下落程序

电感线圈25接收计算机系统指令后断电，衔接架21、陀螺房26及其内部装置、阻尼传感器转子30、陀螺下落锥32在重力作用下下落，陀螺下落锥32落入陀螺下落槽33中使陀螺系统准确复位。

5.6陀螺停止程序

陀螺28接收计算机系统指令后转速从额定转速逐渐减速到零。

5.7回转程序

回转马达19接收计算机系统指令后，带动内壳体20及其内壁上的电感线圈25、反射棱镜23以及衔接架21、陀螺房26及其内部装置、阻尼传感器转子30、陀螺下落锥32围绕XX轴回转至计算机系统所指定的角度上；回转完成后，水平度盘16进行精密角度测量，判定回转马达19是否回转到指定角度上。

除此之外，计算机系统中还包括光电测距程序、水平角测量程序、竖直角测量程序、坐标解算程序等常规全站仪所内置的测量程序。

本发明自主获取地理纬度并自动寻北的理论依据如下：

如图1所示，回转马达19首先在位置A处测量阻尼传感器转子30的电流值I_AR以及阻尼传感器定子31的电流值I_AS，然后逆时针旋转一个小角度λ转至位置B处测量阻尼传感器转子30的电流值I_BR以及阻尼传感器定子31的电流值I_BS。位置A与位置B之间的夹角λ可通过水平度盘16精确测量得出。由采集到的阻尼传感器电流值与地理纬度

之间的关系可得：

式中，H为陀螺28角动量，k为阻尼传感器系数，H与k的值在仪器出厂前已经由生产厂家测定并储存于仪器中；ω_e为平均地球自转角速度，ω_e＝7.292115147×10^-5rad/s；

为该点处的地理纬度；N为回转马达19与真北方向的夹角，即仪器偏北角。

将公式1与公式2做差，得：

当α为一个小角度(几度)时，即当仪器架设时指北标识17与待测点处真北方向的夹角为一个小角度时，有：

sin(N+λ)-sinN≈sinλ 式4

则此时，公式3转化为：

进而可求解出该点处的地理纬度值：

如图2所示，回转马达19在位置C处测量阻尼传感器转子30的电流值I_CR以及阻尼传感器定子31的电流值I_CS，然后逆时针旋转一个小角度λ转至位置D处测量阻尼传感器转子30的电流值I_DR以及阻尼传感器定子31的电流值I_DS。由采集到的阻尼传感器电流值、该点处的地理纬度解算值

以及仪器偏北角N之间的关系可得：

将公式7与公式8做差，得：

进而可求解出此时的仪器偏北角N：

下面对本发明的具体工作流程进行说明，仪器自动获取纬度并进行高精度定向的工作流程图如图6所示，包括以下步骤：

步骤1，安置仪器

如图7所示，在测线AB起点处的待测点A上安置仪器，使仪器指北标识17与该点处真北方向夹角小于±5°以内，使通过上对中标识孔1以及下对中标识孔36的中心轴线XX轴穿过待测点；调节脚螺旋34使水准管α8和水准管β9的气泡居中，此时仪器在YY轴、LL轴以及L′L′轴方向上均处于水平状态。

步骤2，待测点地理纬度测量

打开仪器电源13，在接收到微型计算机10的指令后，按顺序依次执行陀螺转动程序、陀螺浮起程序、陀螺稳定位置判定程序、阻尼传感器电流测量程序以及陀螺下落程序、陀螺停止程序，得到水平测角装置0°位置处(如图8中所示位置甲)对应的阻尼传感器转子30的电流值I_甲R以及阻尼传感器定子31的电流值I_甲S；然后回转程序启动，回转马达19逆时针旋转一个小角度λ，再一次按顺序依次执行陀螺转动程序、陀螺浮起程序、陀螺稳定位置判定程序、阻尼传感器电流测量程序以及陀螺下落程序、陀螺停止程序，采集乙位置处(如图8所示)对应的阻尼传感器转子30的电流值I_乙R以及阻尼传感器定子31的电流值I_乙S；。由采集到的阻尼传感器电流值与仪器测定出的地理纬度之间的关系可解算出待测点的地理纬度

式中，H为陀螺28角动量，k为阻尼传感器系数，H与k的值在仪器出厂时已经由生产厂家精确标定并存储于微型计算机10中；ω_e为平均地球自转角速度，ω_e＝7.292115147×10^-5rad/s。将解算出的待测点地理纬度

显示在显示屏11上，同时保存于微型计算机10中。最后，回转程序启动，回转马达19顺时针旋转λ回到原始的0°位置处。

本实施例中，λ＝0.2°。在实际操作中，λ可以为其他的小角度值，例如小于3°的任意角度。

步骤3，仪器偏北角测量

接收到微型计算机10的指令后，按顺序依次执行陀螺转动程序、陀螺浮起程序、陀螺稳定位置判定程序、阻尼传感器电流测量程序以及陀螺下落程序、陀螺停止程序，得到水平测角装置0°位置处(如图9中所示位置丙)对应的阻尼传感器转子30的电流值I_丙R以及阻尼传感器定子31的电流值I_丙S；然后回转程序启动，回转马达19顺时针旋转180°，再一次按顺序依次执行陀螺转动程序、陀螺浮起程序、陀螺稳定位置判定程序、阻尼传感器电流测量程序以及陀螺下落程序、陀螺停止程序，采集丁位置处(如图9所示)对应的阻尼传感器转子30的电流值I_丁R以及阻尼传感器定子31的电流值I_丁S；。由采集到的阻尼传感器电流值与仪器偏北角N的关系得：

式中，

为步骤2中所得出的待测点地理纬度。将解算出的仪器偏北角N显示在显示屏11上，同时保存于微型计算机10中。最后，回转程序启动，回转马达19顺时针旋转180°回到零位。

步骤4，照准测量

如图4所示，首先让垂直度盘3位于观测方向的左侧，通过转动竖直转轴4和水平转轴15使望远镜5粗略对准目标点B，然后调节竖直微动螺旋7和水平微动螺旋14使望远镜5精确对准目标点B，水平度盘16测量望远镜5水平旋转角度值Z_L1，同时显示在显示屏11上，并储存于微型计算机10中；然后转动竖直转轴4和水平转轴15使望远在竖直方向和水平方向上各旋转180°，此时垂直度盘3位于观测方向的右侧，通过转动竖直转轴4和水平转轴15使望远镜5粗略对准目标点B，然后调节竖直微动螺旋7和水平微动螺旋14使望远镜5精确对准目标点B，水平度盘16测量望远镜5水平旋转角度值Z_R1，同时显示在显示屏11上，并储存于微型计算机10中，此即完成一个测回的照准测量。重复上述操作，再进行一个测回的照准测量，获得望远镜5的水平旋转角度值Z_L2和Z_R2。由照准测量的水平旋转角度值Z与Z_L1、Z_R1、Z_L2、Z_R2之间的关系得：

同时，将照准测量的水平旋转角度值Z的计算结果显示在显示屏11上并存储于微型计算机10中。

步骤5，测线真北方位角解算

如图7所示，由测线AB的真北方位角A_CP与仪器偏北角N、照准测量的水平旋转角度值Z之间的关系得：

A_CP＝N+Z

角度值A_CP即为测线AB的真北方位角最终解算结果，同时将测线AB的真北方位角解算结果显示在显示屏11上。

此外，本发明还可单独用于测定待测点的地理纬度值，或进行全站仪可完成的光电测距、水平角测量、竖直角测量、坐标测量等常规类型的测量工作。

需要说明的是本发明并不仅限于上述具体实施例，还可根据本发明的构思得到其他不同的具体方案，例如本发明在待测点地理纬度测量中选择的两个位置为0°和逆时针旋转的λ＝0.3°处进行测量，在照准测量中仅进行一个测回的测量等等，诸如此等改变以及等效变换等均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，包括外壳体(18)，其特征在于，还包括设置于外壳体(18)中的内壳体(20)，以及：

对中整平系统，用于在仪器安装时通过指北标识(17)进行初步指北、调整仪器处于水平状态以及使仪器的中心轴线穿过待测点；

照准系统，用于通过调整旋转角度使位于外壳体(18)上方的望远镜(5)照准目标点；所述的照准系统包括所述的望远镜(5)、照准部支架(6)、竖直转轴(4)、竖直微动螺旋(7)、水平微动螺旋(14)以及水平转轴(15)，其中：

所述的照准部支架(6)设置一对，安装在微型计算机(10)上表面上，位于所述一对照准部支架(6)之间设置竖直转轴(4)，所述望远镜(5)安装在竖直转轴(4)上，所述水平转轴(15)连接在微型计算机(10)底部；所述的竖直微动螺旋(7)、水平微动螺旋(14)分别安装在照准部支架(6)上，以及微型计算机(10)侧面；

陀螺系统，包括安装于所述内壳体(20)中陀螺房(26)和上浮装置，通过控制和调节上浮装置使陀螺房(26)浮起并处于位置稳定状态，或下落至初始位置；所述的内壳体(20)下方设置有与所述陀螺房(26)下部连接的阻尼传感器转子(30)，外壳体(18)内的底部在周向分布有阻尼传感器定子(31)；

精密测角及回转系统，用于测量所述望远镜(5)的旋转角度，以及驱动所述内壳体(20)转动并测量转动角度；所述的精密测角及回转系统包括垂直度盘(3)、水平度盘(16)以及回转马达(19)，其中：

所述的水平度盘(16)安装在外壳体(18)中，所述的水平转轴(15)下端连接水平度盘(16)；回转马达(19)安装于水平度盘(16)底部并与所述内壳体(20)连接；垂直度盘(3)嵌在照准部支架(6)中并与所述竖直转轴(4)连接；

计算机系统，用于驱动所述陀螺(28)旋转或停止、驱动陀螺房(26)浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子(30)和阻尼传感器定子(31)之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子(30)电流值和阻尼传感器定子(31)电流值、控制内壳体(20)转动至指定角度；

通过对中整平系统安装好仪器之后，待测点地理纬度

的测量公式如下：

上式中，H为陀螺(28)角动量，k为传感器系数，ω_e为平均地球自转角速度，I_甲R、I_甲S分别为水平度盘(16)在0°位置处阻尼传感器转子(30)的电流值、阻尼传感器定子(31)的电流值；I_乙R、I_乙S分别为所述回转马达(19)驱动内壳体(20)相对于所述0°位置旋转角λ度后所处位置处阻尼传感器转子(30)的电流值、阻尼传感器定子(31)的电流值。

2.如权利要求1所述的自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，其特征在于，所述的阻尼传感器转子(30)的下部连接有陀螺下落锥(32)，位于外壳体(18)底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥(32)配合的陀螺下落槽(33)，通过陀螺下落锥(32)、陀螺下落槽(33)的配合使所述陀螺系统精准复位。

3.如权利要求1所述的自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，其特征在于，所述的对中整平系统包括所述的指北标识(17)、水准管α(8)、水准管β(9)、脚螺旋(34)、上对中标识孔(1)以及下对中标识孔(36)，其中：

所述的指北标识(17)位于外壳体(18)上表面，所述的望远镜(5)上方设置有上支架(2)，上对中标识孔(1)位于上支架(2)的中心处；所述的外壳体(18)下方设置有下平台(35)，外壳体(18)通过其底部的脚螺旋(34)安装在下平台(35)上，下对中标识孔(36)位于所述下平台(35)的中心处；

所述的计算机系统包括微型计算机(10)，微型计算机(10)的上表面为平面，所述水准管α(8)、水准管β(9)均位于所述上表面，其中水准管α(8)位于上表面中心处，水准管α(8)、水准管β(9)的中心轴线垂直且共面。

4.如权利要求1所述的自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，其特征在于，所述的上浮装置包括连接在陀螺房(26)上部的衔接架(21)，衔接架(21)由多根沿圆周方向均匀分布且同一端相互连接的衔接杆构成，在每一根衔接杆的端部均设置有自准直光电传感器(22)，所述内壳体(20)的内壁上设置有与所述自准直光电传感器(22)配合的反射棱镜(23)；

位于所述内壳体(20)中的底部分布有电感线圈(25)，所述衔接架(21)的下部设置有与所述电感线圈(25)配合的衔铁(24)。

5.如权利要求1所述的自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，其特征在于，所述的陀螺房(26)内部设置有陀螺转轴(27)，陀螺转轴(27)的两端通过轴承(29)安装于陀螺房(26)内壁上，陀螺转轴(27)上安装有陀螺(28)。

6.如权利要求1所述的自主获取地理纬度并自动寻北的陀螺测量仪器，其特征在于，利用照准系统照准目标点后，水平度盘(16)测定测线与指北标识(17)之间的夹角Z，继而计算出测线的真北方位角A_CP＝N+Z，其中：

上式中，I_丙R、I_丙S分别为水平度盘(16)在0°位置处阻尼传感器转子(30)的电流值、阻尼传感器定子(31)的电流值；I_丁R、I_丁S分别为所述回转马达(19)驱动内壳体(20)相对于所述0°位置顺时针旋转180°后所处位置处阻尼传感器转子(30)的电流值、阻尼传感器定子(31)的电流值。

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