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1、AFS自动陀螺定位定向系统在地铁中的应用摘要:根据笔者的实践经验,本文介绍了AFS自动陀螺系统的组成、功能和作业步骤。实践证明,将其应用在地铁工程测量中,能够达到提高隧道贯通精度、大大提高作业效率及降低劳动强度等目的。关键词:AFS;自动陀螺仪;应用0 前言由于陀螺仪定向的人工观测过程费时费力,很容易造成返工且精度受到限制,所以便出现了自动陀螺经纬仪,这是能够自动确定过测站的子午线方向(陀螺北方向)和测线的陀螺方位角的仪器。目前,随着城市建设的加快,城市地铁建设中的联系测量受到外界环境的影响越来越大,特别在城市繁华区修建地铁,竖井洞口往往只有6~10m,在洞内引测方位角的条件受到极大
2、限制,洞内定向的精度很难保证。而将自动陀螺仪系统使用到地铁工程中,就极大地提高了地铁隧道联系测量的精度,确保了地铁隧道的准确贯通。特别是在长大地铁隧道中,使用陀螺仪进行联系测量将地面坐标和方位传递到隧道洞内,保证长大隧道的准确贯通,其优势极为明显。1系统的构成AFS(AllFunctionStation)是在自动陀螺经纬仪基础上发展起来的一种新型仪器系统。AFS系统的构成框图如图1所示:1.1自动陀螺仪自动陀螺仪是基于照准部不动的对称测时法找北。采用测时法找北取代了人工观察指标线重合时按表计时的方法,大大提高了测试时的精确度,使一测回找北的内部符合标准偏差约为1s。AFS还用测前与测
3、后的自动零位观测取代了人工估读零位,使零位测量的标准偏差约为1s,由于自动测时和自动零位观测精度很高,加上其它提高精度与稳定性的措施,保证了AFS系统一次定向标准偏差优于15s。1.2电源与控制器电源和控制器向自动陀螺马达提供高稳定性的稳频稳压电源,并控制自动陀螺的工作。1.3掌上电脑PDA操作员可以按照屏幕上程序的指引,顺序地完成自动定向和定位工作。掌上电脑还承担精确的时间测量、计算、误差分析、处理、数据记录、存储等工作。1.4电子全站仪电子全站仪牢固地支撑自动陀螺,保证两竖轴重合,使陀螺仪能够稳定工作。在全站仪上不仅要体现陀螺定向的初步成果,它的测距、测角功能还是快速定位定向必不
4、可少的部分。2工作原理2.1工作原理陀螺全站仪高精度的测量是通过无机械位移的陀螺达到的。用于测定北方向的陀螺,由通过其重心的悬挂丝挂着,在重力作用下,陀螺旋转轴处于水平状态。在陀螺高速旋转时,由于惯性总是试图维持其原有空间位置。一旦陀螺旋转轴偏离北方向,地球自转会使陀螺旋转轴的水平状态发生改变,重心降低并产生一重力矩,陀螺将通过绕其竖轴的一系列转动做出反应,通过主辅控制功能,陀螺仪将向北绕转。测量完成后可确定出北方向。全站仪零方向与北方向的偏差将通过高精度测定后显示在显示屏上。2.2陀螺定向的角度关系陀螺定向的角度关系如图2所示。其中:A———真方位角(陀螺方位角);a———坐标方位
5、角;v———子午线收敛角;Z———目标点读数平均值;N———全站仪零方向真方位角;L———零位改正;C———仪器常数。各角度之间的关系为:A=N+2,N=L+C,a=A+V。仪器常数C即仪器的校准值,是指陀螺仪的自转轴与全站仪度盘零点间的角度差值,该差值的产生是由于机械重量及其老化等原因引起的仪器自身的微小变化。为了保证仪器的高精度,应定期将仪器在基准线上进行检定,测出C值(在观测前将C值输入到仪器中,仪器将自动进行改正)。3作业步骤及功能3.1测定陀螺仪的跟踪周期在不同经纬度地区陀螺仪具有不同的跟踪周期。在进入一个新的作业地区定向之前,在该地区测定该陀螺仪在该地区的跟踪周期。在陀螺
6、仪的陀螺部分维修后,以前测得的跟踪周期不再可用,也必须重新测定。3.2测定仪器常数测定陀螺仪的仪器常数应在已知坐标方位角的边上进行。在已知边上测量n次已知边的陀螺方位角,以确定仪器常数。3.3在未知边上定向(1)在测站上整平、对中好仪器;测前测定待定测线方向值;自动测量测前零位;启动陀螺马达,初定向;自动测时精确定向;自动测量测后零位;测后测定待定测线方向值;自动显示测线的陀螺方位角并存储;一测回定向测量完成。(2)按照(1)所述步骤再进行一测回定向测量。但这时可以省去初定向。(3)在PDA上输入测站点坐标(坐标未知时可以输入近似坐标值)、测线陀螺方位角和仪器常数,则软件系统会自动计
7、算出定向边的坐标方位角。(4)通常,按照规范要求,测前和测后都要测定一次仪器常数。3.4在未知点上作快速定位、定向(1)在测站上整平、对中好仪器;测前测定待定测线方向值;自动测量测前零位;启动陀螺马达,初定向;自动测时精确定向;自动测量测后零位;测后测定待定测线方向值;自动显示测线的陀螺方位角并存储;一测回定向测量完成。(2)按照(1)所述步骤再进行一测回定向测量。但这时可以省去初定向。(3)用全站仪测量仪器到反射棱镜的距离,垂直角,仪器高,棱镜高。(4)
