陀螺經緯儀

陀螺經緯儀，是陀螺儀和經緯儀通過連接機構結合為一體的用以測定真北方位角的儀器。它利用陀螺儀本身的物理特性（定軸性和進動性），採用金屬帶懸掛重心下移的陀螺靈敏部來敏感地球自轉角速度水平分量，在重力作用下，產生一個向北進動的力矩，使陀螺儀主軸圍繞地球子午面往復擺動，從而測定真北方位角。陀螺經緯儀廣泛應用於礦山測量、工程測量和軍事測繪中，也是雷達天線定向、無人機飛行定向、火炮和遠程武器發射定向的重要配套設備。

陀螺經緯儀由陀螺儀和經緯儀兩部分組成。經緯儀於1730年由英國人發明，經過金屬經緯儀的漫長過程，20世紀20年代發展為光學經緯儀，60年代以來進入電子經緯儀階段，現已相當先進，向着智能化方向發展。陀螺儀是陀螺經緯儀的主體，主導着整機的發展進程。

陀螺經緯儀按定向準確度可分為工程級（定向準確度在10''以外）和精密級（定向準確度在10''以內）。定向原理除了英美曾經用過的速度式外，一般都用擺式。陀螺儀和經緯儀整體使用，結合方式有下掛式和上架式兩類。下掛式儀器是20世紀50年代發展起來的，幾乎所有的精密級儀器和自動化程度較高的儀器均屬此類。

陀螺經緯儀的使用方式與構造特點有關。一般上架式儀器都用人工測法，下掛式儀器多用自動測法。自動測法儀器主要採用自動跟蹤法、多點光電計時法和光電積分法觀測。其中，光電積分法最為先進。人工測法主要採用跟蹤逆轉點法、中天時間法、記時擺幅法和多點記時法觀測。

陀螺經緯儀由陀螺儀、經緯儀和三腳架組成。

(1)陀螺儀

陀螺儀是系統的核心，主要由陀螺靈敏部、電磁屏蔽機構、吊絲和導流絲、方位迴轉伺服驅動裝置、阻尼裝置、慣性敏感部鎖緊裝置、支承和調平裝置、光電測角傳感器、電源、控制及顯示部分等組成。

陀螺靈敏部內有以恆定轉速旋轉的陀螺電機，該陀螺電機由吊絲懸掛於陀螺框架並由導流絲供電。

陀螺靈敏部鎖緊裝置是為了在運輸狀態下保證陀螺靈敏部安全，將慣性敏感部和框架固連。

阻尼裝置是為衰減陀螺靈敏部在釋放後的擺動幅度，使其擺動狀態滿足尋北要求，最終達到克服北向進動力矩，使陀螺靈敏部相對穩定於慣性空間某一固定方位。阻尼有摩擦力阻尼、液體阻尼和電磁阻尼等方式。

方位吲轉伺服驅動系統可實現陀螺儀的方位迴轉並提供迴轉力矩和穩定的傳動。

支撐和調平裝置可實現經緯儀和陀螺儀之間的機械和光學對接、整套儀器的調平以及各部件組件的安裝固連。

光電測角傳感器包括檢測慣性敏感部擺動角度的光電角度傳感器、檢測陀螺儀方位迴轉角度的光柵碼盤系統。

電磁屏蔽主要用於屏蔽內外磁場對陀螺尋北的干擾。

控制及顯示部分通過傳感器採集信號，並對其進行處理，完成對陀螺儀敏感部的鎖緊及釋放、阻尼控制、方位隨動、通信、解算、發送和顯示真北方位角等功能。

(2)經緯儀

經緯儀是系統的方位引出裝置，也可通過瞄準被測目標測量出目標地理方位角或座標方位角。經緯儀帶有自準直功能，便於測量和標校作業。通常，經緯儀帶有串行通信接口，可實現和陀螺儀以及指揮系統的串行數據通信。

(3)三腳架

三腳架提供陀螺經緯儀的支撐。 ^[1] 

陀螺儀內繞其對稱軸高速旋轉的陀螺具有兩個重要特性：其一，為定軸性，即在沒有外力矩的作用下，陀螺轉軸的方向始終指向初始恆定方向；其二，為進動性，即在外力矩的作用下，陀螺轉軸產生進動，沿最短路程向外力矩的旋轉軸所在鉛垂面靠攏，直到兩軸處於同一鉛垂面為止。

真子午線是過地球自轉軸的平面（子午面）與地球表面的交線，因此地面真子午線（真北方向）與地球自轉軸處於同一鉛垂面內。當陀螺儀的陀螺高速旋轉，其轉軸不在地面真子午線的鉛垂面內時，陀螺轉軸在地球自轉的力矩作用下產生進動，向真子午線和地球自轉軸所在的鉛垂面靠近，於是陀螺的轉軸就可以自動地指示出真北方向。

高速旋轉的自由陀螺的轉軸在慣性作用下不會靜止在真北方向，而是在真北方向左右擺動。陀螺轉軸東西擺動的最大振幅處稱為逆轉點。因此，陀螺儀與經緯儀相結合，用經緯儀跟蹤光標東西逆轉點，讀取水平度盤讀數並取其平均值，從而求得真北方向。 ^[2] 

(1)隧道中心線測量

在隧道等挖掘工程中，坑內的中心線測量一般採用難以保證精度的長距離導線，特別是進行盾構挖掘的情況，從立坑的短基準中心線出發必須有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經常進行地面和地下的對應檢查，以確保測量的精度。特別是在密集的城市地區，檢核條件困難，不可能進行過多的檢測作業。如果使用陀螺經緯儀可以得到絕對高精度的方位基準，而且可減少耗費很高的檢測作業（檢查點最少），是一種效率很高的中心線測量方法。

(2)通視障礙時的方向角獲取

當有通視障礙，不能從已知點獲得方向角時，可以採用天文測量或陀螺經緯儀測量的方法獲取方向角。與天文測量比較，陀螺經緯儀測量的方法有很多優越性：對天氣的依賴少、無須複雜的天文計算、在現場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。

(3)日影計算所需的真北測定

在城市或近郊地區對高層建築有日照或日影條件的高度限制。在建築申請時，要附加日影圖。此日影圖是指以冬至的真太陽時的8:00～16:00為基準，為了計算、圖面繪製的需要，進行高精度真北方向的測定。此時使用陀螺經緯儀測量可不受天氣、時間等影響。 ^[3]