CN1721820A - 高精度自动陀螺全能仪及构成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定真北方向陀螺仪和测定三维坐标的自动跟踪电子全站仪构成的快速定位定向系统。由自动陀螺3、自动跟踪电子全站仪1.螺纹连接器2、计时信号通道4、掌上电脑5、电源控制器6、GPS RTK接收机8与RTK接收机9配套的GPS基站9和快速定位定向测量控制软件10等构成。具有无须预热，自动初定向、寻北、零位测量并改正、检核、照准目标、记录存储等功能，只需后视一个已知点上的反射棱镜就能快速确定仪器自身的三维坐标；能在轻风和震动环境下工作，整体自动化程度高，完成全部测量工作所用的人力和时间少。适于地铁盾构掘进、隧道贯通、远程武器快速定位定向、城市地籍测量、船舰舱内测量、矿山紧急救援定位等。

Description

高精度自动陀螺全能仪及构成方法

技术领域：

本发明涉及确定真北方向陀螺仪和测定三维坐标的自动跟踪电子全站仪构成的快速定位定向系统，尤其是将陀螺经纬仪改造成高精度自动陀螺全能仪。仪器适用于地铁盾构掘进、隧道贯通、远程武器快速定位定向、城市地籍测量、船舰舱内测量、矿山紧急救援定位等。

背景技术：

一次定向标准偏差小于±5秒的高精度自动陀螺经纬仪是高精度工程测量和战略导弹精确初定向急需的仪器。采用德国的高精度自动陀螺经纬仪Gyromat3定向，指导掘进，打通了英法海底隧道；俄罗斯的每台远程导弹运载车配备两台±3～5秒的自动陀螺经纬仪；地铁盾构快速掘进需要用自动陀螺定向，作为自动导向测量机器人的测量基准；未来建设向地下发展，自动陀螺经纬仪自动陀螺全站仪是必要的仪器；

但是一次定向标准偏差为±5秒或更低的高精度自动陀螺经纬仪的生产难度大，世界上只有美国、俄罗斯、德国、匈牙利有产品，世界上首屈一指的瑞士Leica公司的中精度陀螺经纬仪是世界上最好的，却还没有自动陀螺经纬仪。

其他国家是否有高精度自动陀螺经纬仪？达到什么水平？未见报导。

我国某测绘研究所曾经研制成功±7秒的自动陀螺经纬仪，原理与德国的类似。从有关研究论文可见，该仪器温度的系统影响明显，数据离散较大。此后未见有生产和研制出更高精度的自动陀螺经纬仪的报导。

作为非高精度自动陀螺经纬仪的研究成果，我国有以下几家：

1993年11月由中南大学与13冶3公司合作完成的GAOS陀螺经纬仪自动定向系统，一次定向的标准偏差为±10秒。

1993年12月由航天部13院、长春光机所和徐州光学仪器厂合作完成的″85预研六突破之一”的快速陀螺罗盘。一次定向的标准偏差为±27秒。

天津某所生产的炮兵用自动陀螺经纬仪的精度约为±20秒和±40秒。

可见我国还没有±5秒以下误差的高精度自动陀螺经纬仪。

由于高精度自动陀螺经纬仪的军事价值很大，美国对我国禁运。有关研究的参考资料和报导也很少。

德国的Gyromat2000被认为是世界上最好的高精度自动陀螺经纬仪^[1]，但是存在以下问题：

①该自动陀螺经纬仪最终定向测量结果是定向边的真方位角陀螺方位角，而不是坐标方位角。这就需要通过内业计算，对定向结果加子午线收敛角改正，再得到坐标方位角。因为测量工作通常是在高斯直角坐标系统中进行的；

②它只有定向的功能，而在地下测量工作中，需要将地面的坐标系统引入地下，即需要精确测定地下点的三维坐标和起始边的方向，这就需要用另外的测距、测量高程和给向的仪器来完成。分别测量就需要更多人力和时间；

③仪器需要足够长的等待时间，以便使仪器内部温度和环境温度之差小于5℃时才开始定向测量，仪器说明书称，当该温度差为20℃时，等待时间长达103分钟！而且，在测量过程中，一旦仪器内部温度变化超过0.25℃/分钟，该次测量会自动告警作废。该仪器以价格高昂为代价，设计了全自动化的一键寻北过程，将寻北时间缩短到8分钟，相对于漫长的等待时间而言，有些得不偿失；

④该全自动仪器全套重达34千克。

⑤全自动仪器一旦出现故障，就完全不能工作，连进行非自动测量也不行了。如果在井下测量时遇此事，非常扫兴；

⑥仪器采用积分法原理工作，制造技术、材料、器件、工艺、调试都要求很高。我国曾经有单位研制，最高达到±7秒的水平，温度影响显著，达到高精度困难，批产更困难；日本人则是将Gyromat2000的自动陀螺部分买来再配上自己生产的电子全站仪才生产出日本的自动陀螺经纬仪AGP1，但是定向精度降为±6秒，价格为180万元/台！；

⑦自动陀螺经纬仪测量过程复杂，很多参数在测量过程中会变化。可是仪器最终显示出来的定向结果和各种参数少，各种参数的变化和正常工作指示也不多，对于进一步研究与改进仪器性能不利。

发明内容：

本发明的目的是：采用新的原理和方法制造出既能够高精度定向又能够高精度定位的自动陀螺全能仪，迅速提高我国自动陀螺经纬仪特别是高精度自动陀螺经纬仪的装备水平，更好地满足国防、地铁与地下工程、海底隧道、超长穿山隧道定向工作的急需，并彻底改变依赖国外以及人工进行陀螺仪定向测量时劳动强度大，定向测量占用的停工时间长，效率低等问题。

本发明高精度自动陀螺全能仪，由自动陀螺3、自动跟踪电子全站仪1、环状螺纹连接器2、计时信号通道4、掌上电脑5、陀螺电源控制器6、电源7、GPS RTK接收机8、与RTK接收机配套的GPS基站9和快速定位定向测量控制软件10等部分构成，其特征是：自动陀螺3通过自动跟踪电子全站仪1支架上的环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上；自动陀螺3的计时信号通过计时信号通道4输入掌上电脑(PDA)5计时，并由掌上电脑5的测量控制软件10控制整个全能仪的定位定向工作；陀螺3电源控制器6由电源7供电并提供高精度自动陀螺3中的陀螺马达的电源；GPS RTK接收机8可以取代自动陀螺3的位置，通过环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上，并与相应的GPS基站9配合完成系统的定位定向工作。

高精度自动陀螺全能仪的自动陀螺3是在普通机械陀螺的基础上，增加双形光标31、测时光栅位置标定器32、光电接收器33、光电信号处理器34、计时信号通道4以及作高精度测时和控制用的掌上电脑5，由掌上电脑5中的自动陀螺快速定位定向系统软件，控制自动陀螺3完成自动定位定向工作。

高精度自动陀螺3的双形光标分为上下两部分，上半部分用单线或双线光标；下部是不透光的半圆中部留一根透光的直线，线宽随仪器而异，为0.04～0.06mm，使通过光标直线部分的光投射到光栅上正好等于光栅的宽度。

高精度自动陀螺3的测时光栅位置标定器32的三条平行且等间距的光栅，由胶片制造或直接与陀螺3的分划板一起制造。

高精度自动陀螺3的光电接收器33选用硅光电池、其他光敏或光电器件；硅光电池感光面紧贴定位光栅，使三条定位光栅的中心线，准确与分划板上的K，0与-K三条分划线的中心线重合。

高精度自动陀螺3的光电信号处理器34由光电信号放大器341、光强指示器342、比较器343、触发器344和接口电路345构成，使用普通的贴片微小型晶体管和数字集成电路及电子元件装在小PCB上，小PCB整体安装在陀螺3部分的壳体上部，也可装于内部或电源控制器箱内，功能是输出计时信号，保证在掌上电脑5中准确记录下光标中心线与光栅的中心线准确重合时的时刻。

高精度自动陀螺全能仪的信号通道4是直接利用掌上电脑5带的RS232标准串口线，进行有线传递，启动PDA计时；或用红外、超声或微波为介质的无线通道如蓝牙传递，电路简单、成熟。

高精度自动陀螺全能仪的自动跟踪电子全站仪1是采用LEICA公司的TCRA、TCA型或其他公司的类似产品，也可以采用望远镜和照准部有无限微动功能和有程序控制马达驱动功能的其他型号电子全站仪1，如TCM型，并具有激光无棱镜测距、红外测距及测角功能，可从望远镜物镜中射出激光或双色定向光束的电子全站仪1。在电子全站仪1的提手上装上连接自动陀螺3的环状螺纹连接器。

高精度自动陀螺全能仪的掌上电脑5具有不低于66MHz的CPU主频，Win CE或其他操作系统，不小于8MB内存，具有计时精度达mS的计时器，有红外或蓝牙通信口，机内装有只需要后视一个已知点上的反射棱镜就能够立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件以及改化GPS RTK定位结果而立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件。

高精度自动陀螺·全能仪，其定位定向软件是采用对称测时法原理自动寻北并显示真北方向和陀螺方位角；自动测量零位并自动改正定向结果；自动用中天法和时差法进行检核，超差报警，可重测；自动进行仪器常数计算与改正；自动计算子午线收敛角计算并显示坐标方位角；自动记录、存储与显示测量环境条件、定向方法、陀螺)仪定向中仪器的各种参数及其变化、起始数据与放样参数、定位定向结果；打印报表等。

本发明自动陀螺经纬仪的构成方法是：

采用经纬仪照准部不动的对称测时法原理，即精确测定陀螺光标连续两次或三次通过分划板上以0分划线为对称轴的三根分划线K，0，-K的时刻ti，按公式1计算出B，可求得陀螺北方向在经纬仪度盘上的位置，即自动寻北。

        B＝K[1+sin(at₁-at₀)/G]        (1)

其中，B是陀螺轴摆动的平衡位置的分划板读数；

K是选定的对称分划线读数；

$a=\frac{2\mathrm{\π}}{T};$

t₀是陀螺轴通过摆动平衡位置的时间；

A是陀螺摆幅；

T是陀螺自摆周期；

t₁、t₂、t₃分别为陀螺光标线在分划板上的+K、0、-K分划线的穿过时间。

${\mathrm{at}}_0=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin a{t}_1-{2\sin \mathrm{at}}_2-+{\sin \mathrm{at}}_3}{{\cos \mathrm{at}}_1-2{\cos \mathrm{at}}_2-+{\cos \mathrm{at}}_3}\right]$

$A=\frac{-K}{\sin ({\mathrm{at}}_0-{\mathrm{at}}_2)+\sin ({\mathrm{at}}_3-{\mathrm{at}}_0)}$

令：G＝sin(at₀-at₂)+sin(at₃-at₀)

则

$A=\frac{-K}{G}$

求得B值后，即可换算得到陀螺北方向值。再由6点快测法和9点精测法进行数据处理和精度评定。然后，可以测定自动照准的这一条待测边的陀螺方位角。

在掌上电脑(PDA)5中，可以根据输入的测站点坐标，自动计算出子午线收敛角与定向边的坐标方位角。这时，支撑陀螺仪的自动跟踪电子全站仪(测量机器人)1就已经完成了定向；用人工照准或由掌上电脑5程序控制测量机器人1自动照准一个已知坐标点上的反射棱镜，并自动测距、测量水平角和垂直角，在掌上电脑5中便自动计算和显示出测量机器人1的三维坐标。这时，测量机器人1便完成了定位与定向工作，紧接着就可以开始测量机器人1能够进行的各种测量工作。

在地面没有已知测量控制点或控制点被破坏的地方，只要GPS可以工作且在十多千米范围内有控制点，则可以在完成陀螺定向后，取下自动陀螺3，用环状螺纹连接器2装上GPS接收机8按RTK方式定位，完成测量机器人1的定位定向，并开始下一步的工作。

如果事先在掌上电脑5中已经输入了现场放样点的坐标，测量机器人1会立刻自动转到确定的方向，从望远镜物镜中射出激光或双色定向光束，完成给向与放样工作。

在掌上电脑5中，所有的输入数据、定位定向全过程的测量数据、仪器参数及其变化、计算结果、显示的输出数据、给向和放样数据都自动保存下来并可传输至台式计算机，供打印与查询之用。

可见，掌上电脑5、测量机器人1与自动陀螺3结合在一起构成的自动陀螺全能仪，在掌上电脑5中的定位定向程序的控制下，不但实现了寻北过程的全自动化，而且使整个定位、定向、放样测量全过程的自动化程度大为提高。

Gyromat2000着眼于“一键寻北”，用几分钟时间实现寻北过程完全自动化，并为此付出了高昂的代价，其他测量与计算工作仍然需要人工操作并花费很多时间和人力；而本发明高精度自动陀螺全能仪则是立足于整个定位定向与后续测量全过程的自动化。所以，从在现场完成全部测量任务而言，本发明的功能更强，自动化程度更高，工作时间更短，效率更高，同时仪器立足于已有的成熟技术，生产难度较小，产品性价比高。

本发明采用掌上电脑5控制的智能型高精度自动陀螺全能仪的优点和积极效果充分体现如下：

1.本发明高精度自动陀螺全能仪在测量机器人1上安置经过光、机、电路改造好的自动陀螺3再配以掌上电脑5和测量控制程序等构成，同时具有自动定位定向功能。除满足一般自动陀螺的自动寻北的功能外，还有自动照准目标，自动进行用视差法和中天法进行校核测量，自动进行各种计算与改正，在现场就能够取得各种最后的测量结果并指导和完成全部测量工作等诸多功能。而且该仪器不需要预热，是目前在现场完成全部定位定向测量工作速度最快，效率最高的仪器；

2.本全能仪的自动陀螺3由非自动陀螺改造成功后，定向精度和稳定性有很大提高。样机已经小于±5秒，跨入高精度陀螺经纬仪的行列。

3.本全能仪以标准偏差为±0.2秒的高精度零位观测和对测量结果自动加入零位改正的方法成功地解决了因各种原因引起的零位变化问题，这是仪器取得高精度的又一个关键。极有利于仪器常数的稳定和仪器性能的长期稳定。

4.本全能仪引入掌上电脑5，集测量、控制、信号处理、记录、计算、存储、显示、报表于一身，提高了定向精度，多功能，智能化程度，对自动陀螺3是一种创新，具有自主知识产权。

5.本全能仪自动详细记录了定向测量中的测量环境条件、各种测量结果与仪器数据、误差等等，提供了一种进一步研究与改进仪器，提高精度的手段。这是其他自动陀螺所没有的，对提高我国的自动陀螺研究与生产水平有重要意义。

6.本发明自主开发的PDA测量控制软件能够一步一步引导操作者顺利完成陀螺定向工作，不致误操作；还随时提供每一步骤的进程和正常工作指示；同时保留了人工定向测量的全部功能。提高了可靠性。

7.本全能仪有抗轻风吹和震动的性能，使得仪器在地铁与矿山井下工作时，其他工作不需要停工，能够减少停工损失。

8.本发明提供了成功改造我国现有数量最多的GAK-1和JT15型中精度非自动陀螺为自动陀螺的成套技术，将这些仪器改造成为中、高精度自动陀螺经纬仪将迅速提高全行业的定向装备和技术水平，节约大量经费和生产成本。

9.本全能仪的制造简便，有利于批量生产，满足经济建设和国防建设的急需，打破禁运。仪器性价比高估计为进口价的1/3。

下面结合附图和实施例作进一步的说明。

附图说明：

图1：自动陀螺全能仪构成框图；

电子全站仪1    环状罗纹连接器2     自动陀螺3

计时信号通道4  掌上电脑(PDA)5      陀螺电源控制器6

电源7          GPSRTK接收机8       GPS基站9

掌上电脑的测量控制软件10

图2：自动陀螺部分构成框图；

双形光标31         测时光棚位置标定器32

光电接收器33       光电信号处理器34

分划板刻度尺35

图3：光电信号处理器的构成图；

光电信号放大器341            光强指示器342

比较器343                    触发器344

接口电路345

图4：双形光标图；

图5：测时光栅位置标定器。

图1描述了本发明高精度自动陀螺全能仪由自动跟踪电子全站仪1又称为测量机器人1或马达驱动电子全站仪1的构成：自动陀螺3通过自动跟踪电子全站仪1支架上的环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上；自动陀螺3的计时信号通过计时信号通道4输入掌上电脑(PDA)5计时，并由掌上电脑5的测量控制软件10控制整个全能仪的定位定向工作；陀螺电源控制器6由电源7供电并提供高精度自动陀螺3中的陀螺马达的电源；GPSRTK接收机8可以取代自动陀螺3的位置，通过环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上，并与相应的GPS基站9配合完成系统的定位定向工作。

本发明和已经有的自动陀螺经纬仪或自动陀螺全站仪的不同之处是：采用马达驱动全站仪1或测量机器人1作为自动陀螺3的支撑体。它除有一般电子全站仪1的测距、测角、计算、电子气泡、双轴补偿等功能外，还特有望远镜与照准部可以无限微动，又可以由计算机或掌上电脑5程序控制其转动，并自动照准目标反射棱镜的功能。

本发明高精度自动陀螺全能仪不但可在人工操作陀螺仪进行初定向和寻北时方便操作，提高测量精度，而且便于实现自动初定向、自动寻北和照准目标；仪器特有的短程激光测距和双色光源给向功能有利于在现场实现快速给向与放样。

从制造精度、功能和自动化程度不同的系列自动陀螺全能仪产品考虑，也可以选用没有马达驱动的电子全站仪1，这时，虽然不便自动初定向，但是比用电子或光学经纬仪要方便得多，功能也强得多。

本发明的自动陀螺3是在一般非自动陀螺经纬仪的陀螺部分的基础上增加光电接收器33和充电信号处理器34，再配上掌上电脑5进行测量、控制计算、记录、显示和存储，实现自动化。其光、机、电子部分与一般陀螺有不同，如图2所示：用双形光标31取代原光标。在随后的光路上，在原分划板刻度尺35的正下方，固定由3个等间距平行透光条构成的测时光栅位置标定器32和由硅光电池等光敏或光电转换器件构成的光电信号接收器33。陀螺工作时，光标随陀螺摆动，从光标下部出射的光扫过光栅时，从光电信号接收器33输出的电信号进入光电信号处理器34。从光电信号处理器34输出的计时触发信号经过计时信号通道4进入掌上电脑5作高精度测时。

图4描述了双形光标的形状，分为上下两部分。上半部分是单线或双线光标(同原陀螺经纬仪的光标)；下部是不透光的半圆中部留一根透光的直线。透光直线部分的宽度为0.04～0.06mm，使通过光标直线透光部分的光投射到光栅上的宽度等于光栅的宽度。用新的光标取代原陀螺仪中的光标即可。

图5描述了测时光栅位置标定器32，由三条平行且等间距的光栅构成，它可以由胶片制造或直接作在原陀螺3的分划板上或将原分划板改版，制版镀膜而成。

光电接收器33可以是硅光电池、光敏电阻或其他光敏或光电器件，只要它的输出电流或电压随光强的增加而增加，性能稳定即可。硅光电池感光面紧贴其后，使三条定位光栅的中心线，准确与刻度尺上的K，0与-K三条分划线的中心线重合。K与-K可以是3或2.5，3.5等刻划值。光电接收器33的输出用屏蔽引线接至光电信号处理器。

图3描述了光电信号处理器34，是由光电信号放大器341、指示器342、比较器343、触发器344和接口电路345构成，电路简单。其功能是将接收的光信号放大并用由多个LED构成的光信号电平指示器显示出来；信号通过电平比较、触发并从接口输出计时信号，保证在掌上电脑5中准确地取得并记录下光标中心线与光栅的中心线准确重合时的时刻。当采用9点法自动寻北时，PDA准确地记录下9个重合时刻t1～t9，并据此计算出准确的北方向。该部分使用普通的贴片晶体管、通用的数字集成电路及电子元件。整体安装在自动陀螺3的壳体上部，也可装于内部或电源控制器箱内。

从光电信号处理34器输出的测时控制信号通过信号通道4送掌上电脑5。

三、信号通道4是传递测时控制信号的介质。可以直接利用掌上电脑5带的RS232标准串口线，进行有线传递；也可利用红外、微波为介质的无线通道、蓝牙传递，启动PDA计时。电路都比较简单，只要作得可靠就行。使用无线通道时，操作人员更感方便。

四、掌上电脑5在整个仪器中的地位非常重要。它和一般自动陀螺产品中的简单的单片微机不同，有很大的自由编程和存储空间，因此，它使整个仪器系统的功能更强，智能化程度更高，可扩展性更好，它担负系统的控制、测量、记录、计算、显示、存储、查询等等功能。使本仪器性能超过各种其他仪器。PDA可以有多种选择，无论黑白还是彩色，只要有WIN CE或其他操作系统、66MHz主频、16MB或以上内存，能够以ms级的精度计时、有红外或兰牙通信口即可。机内装有只需要后视一个已知点上的反射棱镜就能够立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件以及改化GPS RTK定位结果而立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件。

五、定位定向软件10—整个自动定位、定向工作由软件10控制并由菜单引导测量员完成。

测量控制软件可用VB或其他语言编写。包括4个部分：定向测量、计算、查询和打印。根据不同的后续需要，还可以扩展应用程序。

1.测量

包括设置仪器参数和测定仪器的跟踪周期；然后测量待测边的陀螺方位角。

测陀螺方位角有以下步骤：当选用人工操作时，每一步都按照掌上电脑5屏幕显示的提示操作，直至完成；选用全自动寻北时，整个寻北过程顺序自动完成。这些步骤是：

①输入测量环境、方法；

②输入测前测线边水平度盘读数；

③人工或自动测前零位测量；

④取近似陀螺北方向；

⑤自动寻北；

⑥人工或自动测后零位测量；

⑦输入测后测线边水平度盘读数；

⑧重新开始新的一次定向；

⑨结束定向。

⑩显示、记录与存储定向测量结果和各种测量过程中变化的仪器参数。

2.计算

只要根据菜单提示，补充输入必要的已知数据，立即自动输出结果。计算项目包括以下部分：

①子午线收敛角计算

②仪器常数计算

③坐标方位角计算

④仪器站坐标计算

⑤GPS定位之仪器坐标计算

⑥放样——根据工程需要给定与输出必要的数据。

3.测量结果查询

定向测量的全部数据和结果，全部自动编号记录在存储器中。在结果菜单在可以显示出来。

4.陀螺定向打印程序

该程序还可以在PDA与PC联机后，将数据转存在PC中，然后由打印机打印出定位定向结果。

六、陀螺电源控制器6通过航空插座、带电缆插头与自动陀螺3连接。由电源控制器给自动陀螺3中的光源灯和陀螺电机供电。当用手动进行定向时，操作者通过电源控制器面板上的开关与旋扭按掌上电脑5中程序的指引启动或制动陀螺电机。在选择全自动定向时，陀螺电机的起动与制动由掌上电脑5的程序控制并由电子开关执行。陀螺电源控制器6可由内部蓄电池或外接蓄电池7供电。

七、测量机器人1上有自己的控制面板，通过面板上的液晶显示屏和多个按键可以进行各种测量角度、距离和高差和电子全站仪所能够进行的所有工作。只要它本身的坐标和起始方向确定后，就立即可以独立地完成所有工作；它允许自编程序，并可以在程序的控制下，自动寻找目标并准确照准它。因为照准定向边方向与自动寻北是独立的，在照准目标并取得水平方向读数，垂直角读数和距离、高差的的读数后，可以通过红外通讯口或蓝牙与掌上电脑5传递数据，

八、GPS RTK接收机8——这是测绘单位常用的普通仪器，与GPS RTK基站配套使用，用来测定安置地点仪器的空间三维坐标，在掌上电脑5中转化成测量所采用的坐标系统中的坐标。用一个与环状螺纹连接的金属件与测量机器人1连接。

九、GPS RTK基站9—— 与8配套使用

十、电源7——外接蓄电池

具体实施方式：

1.以技术成熟的非自动陀螺经纬仪为基础，在陀螺部分增加光电接收器33和光电信号处理器34，再配上掌上电脑5进行测量、控制、计算、记录、显示和存储等，便构成新的自动陀螺经纬仪。

如果非自动陀螺经纬仪的性能较好，如瑞士Leica公司的GAK-1，新的自动陀螺经纬仪的一次定向的标准偏差将达到小于±5秒的高精度自动陀螺经纬仪的水平。

如果是国产的JT15非自动陀螺经纬仪，新仪器一次定向的标准偏差可小于±10秒。

有了两种新仪器，就可以满足几乎各种定向的需要了。

2.采用最新的自动跟踪电子全站仪1即测量机器人1支撑自动陀螺3，即用新的测量机器人1如Leica公司的TCRA、TCA型或马达驱动的电子全站仪1TCM型或其他公司的同类仪器取代经纬仪后，使本发明高精度自动陀螺全能仪具有高精度测距、测角和测量高程的能力；具有自动照准定向目标——棱镜的能力；具有无棱镜激光测距和激光指向或给向的能力；而且现代电子全站仪1测角部分都有电子气泡、双轴补偿，可使测角精度更高，整平仪器与测量更省时省力。

3.利用TCA、TCRA、TCM等仪器的水平度盘的无限微动功能，大大降低了人工进行初定向与寻北测量工作的难度。根据陀螺中光标与刻划尺零位的位置关系，由掌上电脑5中的程序控制TCA中的照准部运动的伺服电机跟踪光标运动，可以自动精确测定逆转点的位置而迅速完成自动陀螺3的初定向；

4.在抬起与下放陀螺的手动旋钮的旁边设置伺服电机和减速传动机械，用掌上电脑5测量与控制程序控制电机完成抬起和下放陀螺的工作，实现自动陀螺3的全自动寻北；

5.在掌上电脑5的软件中包括快速定位定向软件，即仪器具有只需要后视一个已知点上的反射镜，测定斜距和垂直角，就能够立即确定仪器自身的三维坐标并开始电子全站仪1所能够进行的各种测量工作的能力，大大提高了定位定向工作的效率；

6.将自动陀螺3从电子全站仪1上取下，增加一个安装GPS接收机8的连接件，以同样的环状螺纹连接方式将一体化RTK-GPS接收机装在测量机器人1上，便可用GPS定位方式迅速完成GPS定位和自动陀螺3定向，取得电子全站仪1的三维坐标并开始电子全站仪1所能够进行的所有测量工作。

实施例：

以瑞士Wild公司的GAK-I陀螺经纬仪为基础改造成为±5秒的高精度自动陀螺3；通过固定在自动跟踪电子全站仪TCA2003的支架上的罗纹连接器2固定自动陀螺3；在陀螺3内部光路上用双形光标31取代了原光标；在原分划板的下方固定了三条光栅32、硅光电池33，使光栅的3条中线与分划尺上的-2.85，0，+2.85分划位置相一致；从硅光电池输出的信号通过一条很细的屏蔽线引出到自动陀螺3上部平台上；在平台上固定一块电路板，板上安装光电信号处理器34；从光电信号处理器输出的计时触发信号接至一个RS232标准9芯插头；以PDA自带的9芯RS232串口通信线作为计时信号的有线通道4接至“掌上通”掌上电脑5；用GAK-1的陀螺电源控制器6经过电缆给自动陀螺3供电；外接镍氢蓄电池电源7给6供电；用“南方9800”GPS RTK接收机8，相应的GPS基站9作GPS RTK实时定位。用中南大学和长沙市莱塞光电子技术研究所合作开发的“自动陀螺定位定向系统”测量控制软件10控制整个系统的工作。

理论分析和实测表明：该仪器的一次定向标准偏差小于±5秒，仪器可选择6点法和9点法自动寻北，一次自动寻北的时间分别约为5～8分钟；这是采用掌上电脑5控制的智能型高精度自动陀螺全能仪。

Claims (9)

1.一种高精度自动陀螺全能仪，由自动陀螺3、自动跟踪电子全站仪1、环状螺纹连接器2、计时信号通道4、掌上电脑5、陀螺电源控制器6、电源7、GPS RTK接收机8、与RTK接收机配套的GPS基站9和快速定位定向测量控制软件10等部分构成，其特征是：自动陀螺3通过自动跟踪电子全站仪1支架上的环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上；自动陀螺3的计时信号通过计时信号通道4输入掌上电脑(PDA)5计时，并由掌上电脑5的测量控制软件10控制整个全能仪的定位定向工作；自动陀螺电源控制器6由电源7供电并提供高精度自动陀螺3中的陀螺马达的电源；GPS RTK接收机8可以取代自动陀螺3的位置，通过环状罗纹连接器2架在自动跟踪电子全站仪1上，并与相应的GPS基站9配合完成系统的定位定向工作。

2.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其特征是：自动陀螺3是在普通机械陀螺的基础上，增加双形光标31、测时光栅位置标定器32、光电接收器33、光电信号处理器34、计时信号通道4以及作高精度测时和控制用的掌上电脑5，由掌上电脑5中的自动陀螺3快速定位定向系统软件，控制自动陀螺3完成自动定位定向工作。

3.根据权利要求2所述的高精度自动陀螺，其特征是：

①双形光标分为上下两部分，上半部分用单线或双线光标；下部是不透光的半圆中部留一根透光的直线，线宽随仪器而异，为0.04～0.06mm，使通过光标直线部分的光投射到光栅上正好等于光栅的宽度；

②测时光栅位置标定器32的三条平行且等间距的光栅，由胶片制造或直接与陀螺3的分划板一起制造；

③光电接收器33选用硅光电池、其他光敏或光电器件；硅光电池感光面紧贴定位光栅，使三条定位光栅的中心线，准确与分划板上的K，0与-K三条分划线的中心线重合；

④光电信号处理器34由光电信号放大器341、光强指示器342、比较器343、触发器344和接口电路345构成，使用普通的贴片微小型晶体管和数字集成电路及电子元件装在小PCB上，小PCB整体安装在陀螺3部分的壳体上部，也可装于内部或电源控制器箱内，功能是输出计时信号，保证在掌上电脑5中准确记录下光标中心线与光栅的中心线准确重合时的时刻。

4.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其中的信号通道4的特征是：直接利用掌上电脑5带的RS232标准串口线，进行有线传递，启动PDA计时；或用红外、超声或微波为介质的无线通道如蓝牙传递。

5.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其中的自动跟踪电子全站仪1的特征是：采用LEICA公司的TCRA、TCA型或其他公司的类似产品，也可以采用望远镜和照准部有无限微动功能和有程序控制马达驱动功能的其他型号电子全站仪1如TCM型，并具有激光无棱镜测距、红外测距及测角功能，可从望远镜物镜中射出激光或双色定向光束的电子全站仪1；在电子全站仪1的提手上装上连接自动陀螺3的环状螺纹连接器。

6.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其特征是：掌上电脑5具有不低于66MHz的CPU主频，Win CE或其他操作系统，不小于8MB内存，具有计时精度达mS的计时器，有红外或蓝牙通信口，机内装有只需要后视一个已知点上的反射棱镜就能够立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件以及改化GPS RTK定位结果而立即确定自动陀螺全能仪三维坐标的快速定位定向软件。

7.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其特征是：定位定向软件10采用对称测时法原理自动寻北并显示真北方向和陀螺方位角；自动测量零位并自动改正定向结果；自动用中天法和时差法进行检核，超差报警，可重测；自动进行仪器常数计算与改正；自动计算子午线收敛角计算并显示坐标方位角；自动记录、存储与显示测量环境条件、定向方法、陀螺定向过程中仪器的各种参数及其变化、起始数据与放样参数、定位定向结果、打印报表。

8.根据权利要求1所述的高精度自动陀螺全能仪，其特征是：以瑞士Wild公司的GAK-I陀螺经纬仪为基础改造成为±5秒的高精度自动陀螺3；通过固定在自动跟踪电子全站仪TCA2003的支架上的罗纹连接器2固定自动陀螺；在陀螺3内部光路上用双形光标31取代了原光标，在原分划板的下方固定了三条光栅32、硅光电池33，使光栅的3条中线与分划尺上的-2.85，0，+2.85分划位置相一致。从硅光电池输出的信号通过一条很细的屏蔽线引出到自动陀螺3上部平台上；在平台上固定一块电路板，板上安装光电信号处理器34；从光电信号处理器输出的计时触发信号接至一个RS232标准9芯插头；以PDA自带的9芯RS232串口通信线作为计时信号的有线通道4接至“掌上通”掌上电脑5；用GAK-1的陀螺电源控制器6经过电缆给自动陀螺3供电；外接镍氢蓄电池电源7给6供电；用“南方9800″GPS RTK接收机8，相应的GPS基站9作GPS RTK实时定位；用中南大学和长沙市莱塞光电子技术研究所合作开发的“自动陀螺定位定向系统”测量控制软件10控制整个系统的工作。

9.高精度自动陀螺全能仪的构成方法，其特征在于：精确测定陀螺光标连续两次或三次通过分划板上以0分划线为对称轴的三根分划线K，0，-K的时刻ti，按公式1计算出B，求得陀螺北方向在经纬仪度盘上的位置，即自动寻北；

       B＝K[1+sin(at₁-at₀)/G]           (1)

其中，B是陀螺轴摆动的平衡位置的分划板读数；

K是选定的对称分划线读数；

$a=\frac{2\mathrm{\π}}{T};$

t₀是陀螺轴通过摆动平衡位置的时间；

A是陀螺摆幅；

T是陀螺自摆周期；

t₁、t₂、t₃分别为陀螺光标线在分划板上的+K、0、-K分划线的穿过时间。

${\mathrm{at}}_0=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin {\mathrm{at}}_1-2\sin a{t}_2-+\sin {\mathrm{at}}_3}{\cos {\mathrm{at}}_1-2\cos a{t}_2-+{\cos \mathrm{at}}_3}\right]$

$A=\frac{-K}{\sin ({\mathrm{at}}_0-{\mathrm{at}}_2)+\sin ({\mathrm{at}}_3-{\mathrm{at}}_0)}$

令：      G＝sin(at₀-at₂)+sin(at₃-at₀)

则 $A=\frac{-K}{G}$

求得B值后，即可换算得到陀螺北方向值。再由6点快测法和9点精测法进行数据处理和精度评定。然后，可以测定自动照准的这一条待测边的陀螺方位角；

在掌上电脑(PDA)5中，可以根据输入的测站点坐标，自动计算出子午线收敛角与定向边的坐标方位角。这时，支撑陀螺仪的自动跟踪电子全站仪(测量机器人)1就已经完成了定向；用人工照准或由掌上电脑5程序控制测量机器人1自动照准一个已知坐标点上的反射棱镜，并自动测距、测量水平角和垂直角，在掌上电脑5中便自动计算和显示出测量机器人1的三维坐标，这时，测量机器人1便完成了定位与定向工作，紧接着就可以开始测量机器人1能够进行的各种测量工作；

在地面没有已知测量控制点或控制点被破坏的地方，只要GPS可以工作且在十多千米范围内有控制点，则可以在完成陀螺定向后，取下自动陀螺3，用环状螺纹连接器装上GPS接收机按RTK方式定位，完成测量机器人1的定位定向，并开始下一步的工作；

如果事先在掌上电脑5中已经输入了现场放样点的坐标，测量机器人1会立刻自动转到确定的方向，从望远镜物镜中射出激光或双色定向光束，完成给向与放样工作；

在掌上电脑5中，所有的输入数据、定位定向全过程的测量数据、仪器参数及其变化、计算结果、显示的输出数据、给向和放样数据都自动保存下来并可传输至台式计算机，供打印与查询之用。

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