第32卷 第7期
北京测绘
BeiinurveinndMainjgSygappg
:/DOI10.19580.cnki.1007-3000.2018.07.021j
],():引文格式:方忠旺,易娇,彭文,等.用G北京测绘,.YROMAT3000实现地铁隧道内的高精度定向测量[J.2018327851-854
Aril2018p
Vol.32 No.7
用GYROMAT3000实现地铁隧道内的高精度定向测量
方忠旺 易 娇 彭 文
()重庆市勘测院,重庆401121
原理进行了介绍,阐述了真北方位角、坐标北方位角与陀螺方位角的关系。然后介绍了GYROMAT3000陀螺全站仪的特点和优势。结合G阐述了YROMAT3000陀螺全站仪在某地地铁一号线隧道进行定向测量,隧道内陀螺定向测量流程。将陀螺定向测量结果加入隧道内精密导线进行平差,结果表明,加入陀螺定向测量方位角后,导线精度明显提高。陀螺定向成果指导了隧道的开挖,确保了隧道准确贯通。
[关键词]真北方向;坐标北方向;子午线收敛角 陀螺全站仪;
[()中图分类号]文献标识码]文章编号] P204 [ A [ 1007-3000201804-0851-4
[摘 要]本文首先对陀螺全站仪定向 陀螺全站仪是一种无需借助外力可进行真北定向测量的仪器,
0 引言
在城市地铁建设、过江隧道和铁路隧道等隧道建设和矿山开采中,通常采用延伸导线方式进行隧道控制测量,随着隧道的掘进,导线精度随之降低。高精度陀螺全站仪可在隧道内进行陀螺定向测量,通过相关计算可得到隧道内任一定向边坐标方位角,该坐标方位角精度高,无方向传递误差,通过陀螺全站仪定向测量不仅可以为隧道开挖指明方向,并可将定向测量方位角应用于隧道内精密导线测量平差计算,提高隧道内导线精度。
午线,地球自转又会对陀螺轴产生一个重力矩,迫使陀螺轴向子午线进动,造成陀螺轴在子午方向上的左右摆动,其摆动的平衡位置即为该地面点的子午线方向。陀螺定向,就是通过观测陀螺轴在测站子午线方向左右的摆动,测定陀螺轴摆动的平衡位置确定真北方向,进而确定地面目标
1-2]
。的真方位角[
陀螺方位角与坐标方位角1.2 真北方位角、
地球上某点的真子午线的切线方向为该点
的换算关系
的真北方向,而由陀螺仪高速旋转确定的北方向为陀螺北方向,坐标北方向是指某点所在平面坐
3]。标系的北向[
1 陀螺仪定向原理
1.1 陀螺仪定向原理
陀螺仪具有定轴性和进动性,高速旋转的陀螺在重力作用下,陀螺仪的进动性会使陀螺轴在水平面内以最短路径向重力矩矢量方向进动,即陀螺转子轴向地面点的子午线方向进动。当陀螺旋转轴进动至子午线方向时,地球自转对陀螺轴不再产生影响,陀螺轴将平行于地平面,重力矩也不再产生。但由于陀螺进动的惯性,陀螺轴会向子午线以西的方向进动。当陀螺轴偏离子
[收稿日期] 2018-04-09
真北方向是一个确定的几何量,而陀螺北方
向是一个通过陀螺仪测定的物理量,同一点陀螺北方向与真北方向会存在一个夹角Z,称为为陀螺仪仪器常数,该常数与具体的陀螺仪有关,并
]4
。随着陀螺仪仪器老化等原因发生变化[
测线ABN;B与陀螺仪指北方向的夹角为AB的陀螺方位角α陀螺方位角与真北方位角的关系g,)见公式(1
方向与真北方向的夹角为AB的真北方位角
如图1所示,测站A,目标方向B,测线AB
:E-mail947636514@q.comq
[),男,江西安义人,硕士,工程师,主要从事工程测量、精密测量、作者简介] 方忠旺(1985-GNSS测量等相关工作。
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BN=αg+Z坐标北方向是坐标系的北
方向,AB与坐标北A方、向B点所在平面(1)的夹角称为AB的坐标方位角。
图1 三北方向关系示意图
图2 子午线收敛角示意图
在投影带内子午线指向南北两极,任意投影带内两条子午线不平行,以其中一条子午线作为中央子午线,任意一条子午线与中央子午线的夹
角称为该子午线的子午线收敛角[
5
]如图2所示,在中央子午线以东子午线收敛。角为正,中央子午线以西的地区子午线收敛角为负
[6]
根据文献。
[敛角公式:
5]
,赫里斯托夫给出的子午线收=cosB·t·l+
1cos3B·t(12+113+3η+2η4)l3
5
cos5B·t(2t2+15η2-15η2t2)l5
+3115
cos7B·t(17-26t2+2t4)l7+O(
l7
)式中t=tanB(2
)e',η=
e'度,为第二偏心率。·cosB,l为经差,B为纬由图真北方位角1我们可以知道,测站与目标方向连线的
BN与坐标方位角α存在如下关系:
BN=综上所述,由式(1)、α(3
+)γ可以得出:(3)αg+Z=
α+γ由于子午线收敛角是指子午线与坐标北(4
方
)向的夹角,当采用地方独立坐标系或施工场地坐标系时,平面坐标系发生旋转或平移,会对坐标方位角α与子午线收敛角γ的值产生影响,但坐标方位角与子午线收敛角的增减相互抵消,使得α+γ的值保持不变,公式(公式()不会发生改变,同时标系[
4
4
])。也适用于地方独立坐标系和施工场地坐4
2 GYROMAT3000陀螺全站仪
高精度GY陀ROMA螺定向T3仪00器0陀螺全站仪是德国生产的
,定向精度最高达GYROMAT3000陀螺全站仪具有寻北速度3.3快″
、
。精度高、寻北完全自动化、智能化水平高、体积小、重量轻等特点,可应用于矿山或海底隧道建设中的大地测向、G控制地下掘进定P向S网定向、方向、旋转的恒星表、惯性导航系统参考边的建立、大气折射影响的测定等方面。MAT3000有三种测量模式,
见表1:GYRO-表1 GYROMAT3000三种测量模式
测量模式精度/测量时间/模式1(高精度)3″1mi模式2模式3(中等精度(高速度)
)3.3136
20n
5
从表可知,仪
测量模式11精度最高GY,R最高精度可达OMAT3000陀螺全站长隧道内定向测量需要。
3.3″,可满足3 工程实例
3.1 工程简介
某地地铁一号线(一期)工程全长约为南北走向,该地铁一号线主要为地下2工3.6程k,m地,
下控制测量条件复杂,影响因素较多。为了提高地下隧道内精密导线的定向精度,确保隧道的正确贯通,采用福路站至复兴G路YR站OMA隧道T3区间00内0陀螺全站仪在幸测量隧道内导线
两条边的坐标方位角,以确保幸福路站至复兴路站隧道区间和幸福路车站预留隧道口的正确贯通。
3.2 陀螺定向测量
根据《城市轨道交通工程测量规范》50308-2008的规定,地下定向边陀螺方位角测量GB
应采用“地面已知边—地下定向边—地面已知
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8]
。边”的测量程序[
方忠旺,易娇,彭文,等.用GYROMAT3000实现地铁隧道内的高精度定向测量853
3.2.1 测前地面已知边测量
选取离地下定向边较近的地面已知边,设站
,陀螺方位角较差最大为5.均满足《规范》要求。8″
点T目标方向K在TJX,JD,JX点上架设陀螺全站仪,将陀螺仪指北箭头概略指向北方,整平主机后开机,按GYROMAT3000陀螺全站仪高精度测量模式1进行测量,操作步骤如下:
首先进行陀螺仪自动寻北,寻北完成后用全
站仪测量T完成1次定向JX方向水平角2测回,
测量;然后关机待陀螺仪冷却后重新开机后重复前面步骤,共进行3次定向测量。每次定向测量结束后需关机等待陀螺仪完全冷却后再开机进行下一:次寻北测量,3次定向测量的数据见表2
表2 地铁一号线陀螺全站仪定向测量
地面已知边第一次测量结果测回123
陀螺方位角46°28'37.9″
图3 隧道内陀螺定向测量
3.2.3 测后地面已知边测量
地下定向边测量完成后,再次进行地面已知边定向测量,对TJX-KJD已知边进行3次定向
,测量,满足3次定向测量陀螺方位角较差为1.4″
3.3 内业处理
外业测量各次定向测量结果均满足《规范》要求,根据各测站纬度和经差,计算各测站的子午线收敛角进行坐标方位角的改正。地面已知边改正后的坐标方位角与测量陀螺方位角的差值即为陀螺仪常数。
测后3次。测前测后测定的陀螺仪常数平均值,。取测前测后较差为2.小于《规范》要求的13″5″两次测定陀螺仪仪器常数的平均值作为最终仪器常数进行地下定向边计算,详见表3。
同样取地下定向边寻北定向5次结果平均地面已知边共寻北定向6次,其中测前3次,
《规范》要求。
346°28'35.2″346°28'39.2″
,陀螺方位角较差最大为4.远小于《城市轨道交0″也小于精密导线测量中同一方向不同测回之间。的较差限差6″
3.2.2 地下定向边测量
隧道内地下定向边控制点为强制归心标,直
从表2测量数据可知,地面已知边3次定向
(),通工程测量规范》以下简称《规范》规定的20″
接将陀螺仪架设在控制点Y目标方向Y17上,18和Y采用19。定向测量步骤同地面定向边测量,高精度测量模式1进行5次寻北定向测量,隧道内陀螺定向测量见图3。
Y17-Y19定向边各次定向测量陀螺方位角
,较差最大为5.9″Y17-Y18定向边各次定向测量
时段测前测后
测站TJXTJX
方向KJDKJD
陀螺仪测量坐标方位角
346°28'37.4″346°28'39.2″
值作为外业测量陀螺方位角,根据地下测站纬度和经差,计算地下定向边的子午线收敛角。用地下定向边子午线收敛角和地上定向边求得仪器常数对地下定向边测量陀螺方位角进行改正,得到地下定向边的坐标方位角,计算结果见表4。
仪器常数0°28'33.1″0°28'30.8″
仪器常数平均值0°28'32.0″
表3 地铁一号线陀螺全站仪定向测量仪器常数计算表
已知坐标方位角346°57'18.5″
表4 地铁一号线地下定向边坐标方位角计算表
测站Y17Y17
方向Y19Y18
陀螺方位角子午线收敛角-174°24'03.4″2°54'37.2″
仪器常数0°28'32.0″
陀螺仪测量坐标方位角
174°52'35.4″3°23'09.2″
坐标反算坐标方位角174°52'40.8″3°23'16.8″
较差-7.6″-5.4″
注:坐标反算方位角为隧道内导线测量坐标反算方位角
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,。实测夹角的较差为1.小于《规范》规定的12″0″敛角+仪器常数”所得的陀螺仪测量方位角与导线测量结果反算坐标方位角相比较,Y17-Y19方,。说向较差为-7.6″Y17-Y18方向较差为-5.4″明陀螺仪测量的方位角与导线坐标反算方位角吻合较好,因此,原有隧道导线测量成果可靠,成果可以指导幸福路站至复兴路站区间的开挖。
为了进一步提高精密导线成果的精度,把陀螺仪测量的坐标方位角作为固定方位加入导线中进行平差计算,并与未加入陀螺仪测量坐标方位角前的导线平差结果进行比较。未加入陀螺仪测量方位角之前,平面网中最弱点为Y点19,位中误差为9.平面网中最弱相邻点为2mm,
“从表4可以看出,陀螺方位角-子午线收
两条定向边陀螺方位角计算夹角与全站仪设在普通测量基座上,需要研发相关转换装置。
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相对点位中误差为1.加入陀螺Y17-Y19,8mm;仪测量方位角后,平面网中最弱点为Y点位19,
中误差为5.平面网中最弱相邻点为Y2mm,9-相对点位中误差为1.加Y12,3mm。数据表明,入陀螺方位角计算后,导线精度明显提高。
4 结束语
GYROMAT3000陀螺全站仪可应用长隧道定向测量,通过陀螺定向测量,指导隧道开挖,加入陀螺定向测量方位角作为固定方位角可提高隧道内导线精度。本文研究成果可以为陀螺全站仪在相关领域的工程应用提供一定的技术参考。仪无随机数据处理程序,无法进行自动化数据处理,需结合仪器开发数据处理程序。GYROMAT3000陀螺全站仪需专用测量脚架,在实际测量中无法架
陀螺定向测量中,GYROMAT3000陀螺全站
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Hih-PrecisionOrientationSurveininUnderroundRailwagyggy
withGYROMAT3000GroTotalStationy
(,)ChoninurveinnstituteChonin01121,ChinagqgSygIgqg4
,Y,FANGZhonwanIJiaoPENGWengg
ducesfeaturesandadvantaeofGYROMAT3000GroTotalStation.Thispaerelaboratesgrostaticorientationsurveingypyygflowunderroundrailwaombinedwithlineonetunnelcontrolsurveinomewhere.Theadustmentofprecisetraversingycygsjg,rostaticorientationprovidesthedirectionoftunnelexcavationandensurestheaccuracreakthrouhoftunnel.gybg:G;;KeordsroTotalStationtruenorthdirectionridnorthdirection;converenceofmeridianywygg
addstheresultsofrostaticorientationsurvein.Theresultsshowthattraverseaccuracraisinbviousl.Theresultsof-gyygygoygy
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