AFS自动陀螺定位定向系统在地铁中的应用

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)在PDA上计算测线边的坐标方位角

(5)在PDA上计算仪器站点的三维坐标———输入或自动调入测线边的坐标方位角、垂直角、仪器高、棱镜高等。

(6)用全站仪测定或放样任一测点,数据保存在全站仪中。

3.5 数据输出

陀螺定向完成后,定向数据存储在PDA上,在内业处理时,将PDA与PC通过数据传输线连接,通过随机软件系统打印出定向测量成果。

4 该系统应用情况

该技术应用在广州地铁长大隧道竖井联系测量中,大大降低了竖井联系测量的劳动强度,提高了联系测量效率,节约了成本,提高了隧道的贯通精度,保证了地铁隧道的准确贯通。该系统先后应用于广州地铁暗挖区间隧道(包括盾构隧道)联系测量中,对各条线的暗挖隧道贯通误差进行统计显示:二号线暗挖区间最大横向贯通误差为42.8mm(要求横向贯通误差小于100mm),三号线区间最大横向贯通误差为29.8mm。贯通误差合格率为100%,优良率98%以上。

5 应用中的体会和建议

(1)操作简便,自动定向测量,精度高,一次定向标准偏差小于15s。全部数据现场自动记录(自动测时、自动记录陀螺读数、自动计算等)并保存在PDA中,全中文界面,通过数据线可以将数据存储在计算机上,并打印输出。

(2)可以同时完成定位定向工作,实时指导现场施工工作。现有的自动陀螺仪提供的最终测量结果为“定向边的陀螺方位角”,不能完成定位工作。

(3)可以在现场得到“定向边的坐标方位角”一般自动陀螺仪只给出定向边的陀螺方位角。

(4)完成全部工作所需要的时间少。完成一次定向时间约为15min。同时AFS在现场提供的坐标方位角、测站点三维坐标甚至还有待测点的坐标等等,不需要另外作繁琐的内业计算。此外,该系统对仪器内外温差没有特别的要求,从地面进入到竖井内就可以立即开展定向工作。

(5)仪器能够在一定振动环境下工作,可以大大减少停工时间。

(6)陀螺仪与全站仪通过连接支架连接,在任何时候都不能松动该连接支架,也不能通过提起连接支架来提起仪器。这样是为了防止支架松动,以保持全站仪竖轴和陀螺竖轴的重合,保证陀螺仪能够正常工作。

(7)在AFS工作过程中,应观察仪器电子气泡,使仪器保持严格整平状态,不至于影响陀螺仪的零位。在启动和制动陀螺仪时,陀螺灵敏部必须处在托起(紧锁)状态,以防止悬挂带和导流丝受损伤。在陀螺运转时不许搬动仪器。

(8)在中断陀螺定向测量时,应等待中断完成后再进行全站仪的其它操作。

6 结束语

使用陀螺经纬仪定向任一边方位角的突出优点是:它是一种绝对定向,基本不受环境条件、通视条件、起始条件、天气条件等限制,在强磁场环境下、在隐蔽狭长地区、在地面或地下,在大坝的廊道内、甚至在钢板密封的船舱中,都能够进行定向,且比传统的方法定向速度快,精度高。因此,在矿山、地铁、隧道等地下工程中得到广泛的应用。