高精度自动陀螺全能仪及构成方法技术

本发明专利技术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。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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、ＧＰＳＲＴＫ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；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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，张学庄，张艳祥，
申请(专利权)人：张驰，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]