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摘要：陀螺全站仪是全站仪与陀螺仪有机结合起来的先进仪器。它具有不受时间、环境的限制，同时观测简单方便，效率高等优点。在地下工程、隧道工程、矿山工程中有广泛的应用。本文阐述了陀螺全站仪的定向原理与方法，分析了陀螺全站仪的优点及其在矿山测量、井下控制测量及贯通测量方面的应用。
关键词：陀螺全站仪；矿山贯通；井下控制；井下定向
1引言
根据《煤矿测量规程》要求其两次独立定向结果互差分别不超过±2′和±1′，这样的定向精度对于大范围矿区地面与井下位置会产生较大的误差。在矿井联系测量中一井定向和两井定向工序复杂、时间花费较长，完成一次合格定向可能需要一天的时间。操作复杂、时间较长、精度不高，这直接影响矿山生产效率和进度。为了克服井下定向的各种困难，我国研制出陀螺经纬仪，其陀螺方位角一次测定中误差为±15″，测量精度大大提高给矿山测量带来很大方面。随着“GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪”的成功研制和应用，大大提高了测量自动化程度，测量速度明显加快，8分钟左右即可完成寻北测量工作，同时降低了测量劳动强度，提高了测量精度和作业效率。
目前我国陀螺全站仪定向测量在矿山测量中已被广泛应用，相对于传统的陀螺经纬仪，陀螺全站仪把陀螺仪和全站仪有机地组合，并在全站仪中内置了跟踪逆转点法和中天法两种程序，使用和操作更加简单，减少了定向过程中人为操作误差。在矿山测量中主要作用为：①井下水平边定向；②控制导线测量方向误差的积累；③矿山及地下工程大型巷道贯通测量的定向。
2陀螺仪全站仪定向原理
2.1陀螺全站仪简介
高精度全自动陀螺定向全站仪摒弃了传统吊带技术模式，建立以磁悬浮支撑技术和现代系统控制理论基础的高精度陀螺全站仪，其构建综合集成、自动化测控、环境适应性、性能评测为一体的新技术、方法体系。将磁悬浮技术、无接触式光电力矩反馈技术、精密测角和回转技术等一系列先进技术，综合集成化、创造性的成功应用于陀螺全站仪系统中。完成了基于全站仪、寻北仪系统的整体集成和智能通信并进行测量工程环境适应性改造。该仪器能够无依托、自主式寻北测定目标的方位角，除架设调平及瞄准之外，整个测量过程无需手工操作干扰，全自动完成，测量结束后，自动给出瞄准目标的法线与真北方位角，据此可以确定任意方向线的坐标方位角，实现精确定向、控制定向误差、準确贯通目的。
2.2陀螺全站仪定向原理
陀螺全站仪寻北定向原理主要是利用磁悬浮构成摆式的陀螺，在地球自转角速度的北向分量产生寻北力矩，采用力矩平衡反馈法，测定陀螺角动量轴线与天文北向的夹角。如图1所示，OT为陀螺寻北方向；OM为陀螺马达轴方向；OL为全站仪水平度盘零位方向；OC为全站仪望远镜照准目标的测线方向。根据已知点A、B的坐标计算出已知边的坐标方位角和子午线收敛角，并测出陀螺寻北方向与陀螺马达轴方向（镜面法线方向）的夹角∠TOM，目标方向线与全站仪水度盘零位的夹角∠LOC。根据关系：
其中α陀为陀螺方位角；Δ仪为陀螺北方向与真北方向之间的夹角，即陀螺仪仪器常数；α为任意方向线的坐标方位角；γ为子午线收敛角。
通过在已知测线上与α+γ比对，从而确定出∠MOL即为子午线收敛角γ；将∠MOL+Δ仪记作Δ'仪，同样测量出陀螺寻北方向与陀螺马达轴的夹角∠TOM'，以及洞内测线方向与全站仪水平度盘零位方向的夹角∠LOC'，这样洞内测线的陀螺定向成果α'=Δ'仪+∠TOM'+∠LOC'-γ
3陀螺全站仪在矿山测量中的应用
陀螺全站仪在矿山测量中应用广泛，在井下定向测量中的应用，确定地下与地上位置关系；在井下控制测量中的应用，加测陀螺定向边提高控制测量精度，控制误差累积与传播效果明显；在巷道贯通中的应用，确保矿山巷道在地下能够准确贯通。
3.1矿井定向测量
陀螺全站仪定向测量精度高，速度快，一次定向中误差≤±5″，与一井定向和两井定向的精度高相比提高了近一个数量级。根据《煤矿测量规程》规定，一井定向的两次独立定向所测得的井下定向边的方位角之差≤±2′，则可算得一次定向的中误差应≤±42″。两井定向也是由投点、地面连接测量和井下连接测量三部分组成的，根据规程规定，其两次独立定向的井下定向边的方位角之差应≤±1′，则一次定向的中误差应≤±21″。陀螺全站仪定向的误差与一井定向、两井定向误差进行比较，陀螺全站仪定向的精度高，同时陀螺全站仪测量自动化程度高，测量速度快，测量效率高。其快速精确地测定井下起算边的方位角，到达高精度定向的目的，由此，陀螺全站仪在矿井联系测量过程中得到广泛应用。
3.2井下平面控制测量方面的应用
导线测量是井下平面控制测量的最主要方法，由于矿山地质条件、井下工程等特殊情况，井下导线多数布设成无定向导线，支导线等形式，尤其是支导线形式的导线最弱边在最后一条边，最弱边的方位角误差，随着测站数的增加而变大，大大的限制了导线的延伸长度，同时为了提高测量精度而进行的重复多余观测的工作量较大。
陀螺全站仪定向方位角的误差不超过5″，远小于限差20″的要求，而且操作简单方便，定位精准快速，因此在井下导线控制测量时，加测最弱边的陀螺方位角可提高井下控制测量的测量精度。
3.3在巷道贯通中的应用
巷道贯通测量就是为了保证井下巷道能准确贯通而进行的一系列测量与计算工作，它是井下测量重要而且关键的工作内容。井下贯通测量主要测量技术是采用全站仪导线测量方法，但如果巷道贯通距离较长，那么测量路线长，测站数多，必然导致测角误差的积累和传递。这样就会使贯通导线最末边产生较大的方位角误差，可由公式mα=mβ√n来推算。如果距离较长，测站较多，最终导致贯通误差超限或无法正常贯通，造成经济损失和安全问题。
为了减小导线测量过程中的误差积累和传递，通过加测陀螺方位角来控制误差的累积。
实际上有条件的矿山，其贯通工程也常这样做，在贯通测量导线中利用陀螺全站仪进行定向和测量，大大降低劳动强度，提高测量效率，节约成本，提高矿山巷道的贯通精度，保证矿山巷道的准确贯通。
4结语
陀螺全站仪的普及和广泛的应用，主要得益于它是具有全天候、全天时、快速高效独立地测定真北方位的精密测量仪器，其优势在于其真北方向的准确确定。该仪器在矿井定向、导线控制及贯通等方面测量时，方位角的测定都是独立完成的，没有方向误差的传递影响。完全可以将测量定向的过程和精度效率提高数倍，这是值得在矿山测量中推广的测量定向仪器。实测结果表明，陀螺全站仪一次测定陀螺方位角的中误差远小于其标称精度，完全满足矿山大型贯通测量工程的要求。
参考文献：
[1]煤矿测量规程[S].北京：中华人民共和国能源部，1989.
[2]张国良，等.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社.2008：75-76
[3]刘绍堂，等.陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用[J].测绘科学.2011（2）：94-96.
[4]张高兴，李忠金.陀螺全站仪在井下测量中的应用研究[J].龙岩学院学报，2012（2）：32-35.
作者简介：
范金鹏，男，1981年5月，毕业于河南理工大学测绘工程专业，现就职于中国平煤神马集团首山一矿地测科，主要从事矿山测量工作。
关键词：陀螺全站仪；矿山贯通；井下控制；井下定向
1引言
根据《煤矿测量规程》要求其两次独立定向结果互差分别不超过±2′和±1′，这样的定向精度对于大范围矿区地面与井下位置会产生较大的误差。在矿井联系测量中一井定向和两井定向工序复杂、时间花费较长，完成一次合格定向可能需要一天的时间。操作复杂、时间较长、精度不高，这直接影响矿山生产效率和进度。为了克服井下定向的各种困难，我国研制出陀螺经纬仪，其陀螺方位角一次测定中误差为±15″，测量精度大大提高给矿山测量带来很大方面。随着“GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪”的成功研制和应用，大大提高了测量自动化程度，测量速度明显加快，8分钟左右即可完成寻北测量工作，同时降低了测量劳动强度，提高了测量精度和作业效率。
目前我国陀螺全站仪定向测量在矿山测量中已被广泛应用，相对于传统的陀螺经纬仪，陀螺全站仪把陀螺仪和全站仪有机地组合，并在全站仪中内置了跟踪逆转点法和中天法两种程序，使用和操作更加简单，减少了定向过程中人为操作误差。在矿山测量中主要作用为：①井下水平边定向；②控制导线测量方向误差的积累；③矿山及地下工程大型巷道贯通测量的定向。
2陀螺仪全站仪定向原理
2.1陀螺全站仪简介
高精度全自动陀螺定向全站仪摒弃了传统吊带技术模式，建立以磁悬浮支撑技术和现代系统控制理论基础的高精度陀螺全站仪，其构建综合集成、自动化测控、环境适应性、性能评测为一体的新技术、方法体系。将磁悬浮技术、无接触式光电力矩反馈技术、精密测角和回转技术等一系列先进技术，综合集成化、创造性的成功应用于陀螺全站仪系统中。完成了基于全站仪、寻北仪系统的整体集成和智能通信并进行测量工程环境适应性改造。该仪器能够无依托、自主式寻北测定目标的方位角，除架设调平及瞄准之外，整个测量过程无需手工操作干扰，全自动完成，测量结束后，自动给出瞄准目标的法线与真北方位角，据此可以确定任意方向线的坐标方位角，实现精确定向、控制定向误差、準确贯通目的。
2.2陀螺全站仪定向原理
陀螺全站仪寻北定向原理主要是利用磁悬浮构成摆式的陀螺，在地球自转角速度的北向分量产生寻北力矩，采用力矩平衡反馈法，测定陀螺角动量轴线与天文北向的夹角。如图1所示，OT为陀螺寻北方向；OM为陀螺马达轴方向；OL为全站仪水平度盘零位方向；OC为全站仪望远镜照准目标的测线方向。根据已知点A、B的坐标计算出已知边的坐标方位角和子午线收敛角，并测出陀螺寻北方向与陀螺马达轴方向（镜面法线方向）的夹角∠TOM，目标方向线与全站仪水度盘零位的夹角∠LOC。根据关系：
其中α陀为陀螺方位角；Δ仪为陀螺北方向与真北方向之间的夹角，即陀螺仪仪器常数；α为任意方向线的坐标方位角；γ为子午线收敛角。
通过在已知测线上与α+γ比对，从而确定出∠MOL即为子午线收敛角γ；将∠MOL+Δ仪记作Δ'仪，同样测量出陀螺寻北方向与陀螺马达轴的夹角∠TOM'，以及洞内测线方向与全站仪水平度盘零位方向的夹角∠LOC'，这样洞内测线的陀螺定向成果α'=Δ'仪+∠TOM'+∠LOC'-γ
3陀螺全站仪在矿山测量中的应用
陀螺全站仪在矿山测量中应用广泛，在井下定向测量中的应用，确定地下与地上位置关系；在井下控制测量中的应用，加测陀螺定向边提高控制测量精度，控制误差累积与传播效果明显；在巷道贯通中的应用，确保矿山巷道在地下能够准确贯通。
3.1矿井定向测量
陀螺全站仪定向测量精度高，速度快，一次定向中误差≤±5″，与一井定向和两井定向的精度高相比提高了近一个数量级。根据《煤矿测量规程》规定，一井定向的两次独立定向所测得的井下定向边的方位角之差≤±2′，则可算得一次定向的中误差应≤±42″。两井定向也是由投点、地面连接测量和井下连接测量三部分组成的，根据规程规定，其两次独立定向的井下定向边的方位角之差应≤±1′，则一次定向的中误差应≤±21″。陀螺全站仪定向的误差与一井定向、两井定向误差进行比较，陀螺全站仪定向的精度高，同时陀螺全站仪测量自动化程度高，测量速度快，测量效率高。其快速精确地测定井下起算边的方位角，到达高精度定向的目的，由此，陀螺全站仪在矿井联系测量过程中得到广泛应用。
3.2井下平面控制测量方面的应用
导线测量是井下平面控制测量的最主要方法，由于矿山地质条件、井下工程等特殊情况，井下导线多数布设成无定向导线，支导线等形式，尤其是支导线形式的导线最弱边在最后一条边，最弱边的方位角误差，随着测站数的增加而变大，大大的限制了导线的延伸长度，同时为了提高测量精度而进行的重复多余观测的工作量较大。
陀螺全站仪定向方位角的误差不超过5″，远小于限差20″的要求，而且操作简单方便，定位精准快速，因此在井下导线控制测量时，加测最弱边的陀螺方位角可提高井下控制测量的测量精度。
3.3在巷道贯通中的应用
巷道贯通测量就是为了保证井下巷道能准确贯通而进行的一系列测量与计算工作，它是井下测量重要而且关键的工作内容。井下贯通测量主要测量技术是采用全站仪导线测量方法，但如果巷道贯通距离较长，那么测量路线长，测站数多，必然导致测角误差的积累和传递。这样就会使贯通导线最末边产生较大的方位角误差，可由公式mα=mβ√n来推算。如果距离较长，测站较多，最终导致贯通误差超限或无法正常贯通，造成经济损失和安全问题。
为了减小导线测量过程中的误差积累和传递，通过加测陀螺方位角来控制误差的累积。
实际上有条件的矿山，其贯通工程也常这样做，在贯通测量导线中利用陀螺全站仪进行定向和测量，大大降低劳动强度，提高测量效率，节约成本，提高矿山巷道的贯通精度，保证矿山巷道的准确贯通。
4结语
陀螺全站仪的普及和广泛的应用，主要得益于它是具有全天候、全天时、快速高效独立地测定真北方位的精密测量仪器，其优势在于其真北方向的准确确定。该仪器在矿井定向、导线控制及贯通等方面测量时，方位角的测定都是独立完成的，没有方向误差的传递影响。完全可以将测量定向的过程和精度效率提高数倍，这是值得在矿山测量中推广的测量定向仪器。实测结果表明，陀螺全站仪一次测定陀螺方位角的中误差远小于其标称精度，完全满足矿山大型贯通测量工程的要求。
参考文献：
[1]煤矿测量规程[S].北京：中华人民共和国能源部，1989.
[2]张国良，等.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社.2008：75-76
[3]刘绍堂，等.陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用[J].测绘科学.2011（2）：94-96.
[4]张高兴，李忠金.陀螺全站仪在井下测量中的应用研究[J].龙岩学院学报，2012（2）：32-35.
作者简介：
范金鹏，男，1981年5月，毕业于河南理工大学测绘工程专业，现就职于中国平煤神马集团首山一矿地测科，主要从事矿山测量工作。