AFS自動陀螺定位定向系統(tǒng)在地鐵中的應用_工程管理

1、AFS自動陀螺定位定向系統(tǒng)在地鐵中的應用依據(jù)筆者的實踐閱歷,本文介紹了AFS自動陀螺系統(tǒng)的組成、功能和作業(yè)步驟。實踐證明,將其應用在地鐵工程測量中,能夠達到提高隧道貫穿精度、大大提高作業(yè)效率及降低勞動強度等目的。0前言由于陀螺儀定向的人工觀測過程費時費勁,很簡單造成返工且精度受到限制,所以便消失了自動陀螺經(jīng)緯儀,這是能夠自動確定過測站的子午線方向(陀螺北方向)和測線的陀螺方位角的儀器。目前,隨著城市建設(shè)的加快,城市地鐵建設(shè)中的聯(lián)系測量受到外界環(huán)境的影響越來越大,特殊在城市繁華區(qū)修建地鐵,豎井洞口往往只有610m,在洞內(nèi)引測方位角的條件受到極大限制,洞內(nèi)定向的精度很難保證。而將自動陀螺儀系統(tǒng)使用

2、到地鐵工程中,就極大地提高了地鐵隧道聯(lián)系測量的精度,確保了地鐵隧道的精確貫穿。特殊是在長大地鐵隧道中,使用陀螺儀進行聯(lián)系測量將地面坐標和方位傳遞到隧道洞內(nèi),保證長大隧道的精確貫穿,其優(yōu)勢極為明顯。1 系統(tǒng)的構(gòu)成AFS(AllFunctionStation)是在自動陀螺經(jīng)緯儀基礎(chǔ)上進展起來的一種新型儀器系統(tǒng)。AFS系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示: <CENTER</CENTER1.1 自動陀螺儀自動陀螺儀是基于照準部不動的對稱測時法找北。采納測時法找北取代了人工觀看指標線重合時按表計時的方法,大大提高了測試時的精確度,使一測回找北的內(nèi)部符合標準偏差約為1s。AFS還用測前與測后的自動零位觀

3、測取代了人工估讀零位,使零位測量的標準偏差約為1s,由于自動測時和自動零位觀測精度很高,加上其它提高精度與穩(wěn)定性的措施,保證了AFS系統(tǒng)一次定向標準偏差優(yōu)于15s。1.2 電源與掌握器電源和掌握器向自動陀螺馬達供應高穩(wěn)定性的穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源,并掌握自動陀螺的工作。1.3 掌上電腦PDA操作員可以根據(jù)屏幕上程序的指引,挨次地完成自動定向和定位工作。掌上電腦還擔當精確的時間測量、計算、誤差分析、處理、數(shù)據(jù)記錄、存儲等工作。1.4 電子全站儀電子全站儀堅固地支撐自動陀螺,保證兩豎軸重合,使陀螺儀能夠穩(wěn)定工作。在全站儀上不僅要體現(xiàn)陀螺定向的初步成果,它的測距、測角功能還是快速定位定向必不行少的部分。2 工

4、作原理2.1 工作原理陀螺全站儀高精度的測量是通過無機械位移的陀螺達到的。用于測定北方向的陀螺,由通過其重心的懸掛絲掛著,在重力作用下,陀螺旋轉(zhuǎn)軸處于水平狀態(tài)。在陀螺高速旋轉(zhuǎn)時,由于慣性總是試圖維持其原有空間位置。一旦陀螺旋轉(zhuǎn)軸偏離北方向,地球自轉(zhuǎn)會使陀螺旋轉(zhuǎn)軸的水平狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,重心降低并產(chǎn)生一重力矩,陀螺將通過繞其豎軸的一系列轉(zhuǎn)動做出反應,通過主輔掌握功能,陀螺儀將向北繞轉(zhuǎn)。測量完成后可確定出北方向。全站儀零方向與北方向的偏差將通過高精度測定后顯示在顯示屏上。2.2 陀螺定向的角度關(guān)系陀螺定向的角度關(guān)系如圖2所示。 <CENTER</CENTER其中:A真方位角(陀螺方位角);

5、a坐標方位角;v子午線收斂角;Z目標點讀數(shù)平均值;N全站儀零方向真方位角;L零位改正;C儀器常數(shù)。各角度之間的關(guān)系為:A=N+2,N=L+C,a=A+V。儀器常數(shù)C即儀器的校準值,是指陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸與全站儀度盤零點間的角度差值,該差值的產(chǎn)生是由于機械重量及其老化等緣由引起的儀器自身的微小變化。為了保證儀器的高精度,應定期將儀器在基準線上進行檢定,測出C值(在觀測前將C值輸入到儀器中,儀器將自動進行改正)。 3 作業(yè)步驟及功能3.1 測定陀螺儀的跟蹤周期在不同經(jīng)緯度地區(qū)陀螺儀具有不同的跟蹤周期。在進入一個新的作業(yè)地區(qū)定向之前,在該地區(qū)測定該陀螺儀在該地區(qū)的跟蹤周期。在陀螺儀的陀螺部分修理后,以前

6、測得的跟蹤周期不再可用,也必需重新測定。3.2 測定儀器常數(shù)測定陀螺儀的儀器常數(shù)應在已知坐標方位角的邊上進行。在已知邊上測量n次已知邊的陀螺方位角,以確定儀器常數(shù)。3.3 在未知邊上定向(1)在測站上整平、對中好儀器;測前測定待定測線方向值;自動測量測前零位;啟動陀螺馬達,初定向;自動測時精確定向;自動測量測后零位;測后測定待定測線方向值;自動顯示測線的陀螺方位角并存儲;一測回定向測量完成。(2)根據(jù)(1)所述步驟再進行一測回定向測量。但這時可以省去初定向。(3)在PDA上輸入測站點坐標(坐標未知時可以輸入近似坐標值)、測線陀螺方位角和儀器常數(shù),則軟件系統(tǒng)會自動計算出定向邊的坐標方位角。(4)

7、通常,根據(jù)規(guī)范要求,測前和測后都要測定一次儀器常數(shù)。3.4 在未知點上作快速定位、定向(1)在測站上整平、對中好儀器;測前測定待定測線方向值;自動測量測前零位;啟動陀螺馬達,初定向;自動測時精確定向;自動測量測后零位;測后測定待定測線方向值;自動顯示測線的陀螺方位角并存儲;一測回定向測量完成。(2)根據(jù)(1)所述步驟再進行一測回定向測量。但這時可以省去初定向。(3)用全站儀測量儀器到反射棱鏡的距離,垂直角,儀器高,棱鏡高。(4)在PDA上計算測線邊的坐標方位角(5)在PDA上計算儀器站點的三維坐標輸入或自動調(diào)入測線邊的坐標方位角、垂直角、儀器高、棱鏡高等。(6)用全站儀測定或放樣任一測點,數(shù)據(jù)

8、保存在全站儀中。3.5 數(shù)據(jù)輸出陀螺定向完成后,定向數(shù)據(jù)存儲在PDA上,在內(nèi)業(yè)處理時,將PDA與PC通過數(shù)據(jù)傳輸線連接,通過隨機軟件系統(tǒng)打印出定向測量成果。4 該系統(tǒng)應用狀況該技術(shù)應用在廣州地鐵長大隧道豎井聯(lián)系測量中,大大降低了豎井聯(lián)系測量的勞動強度,提高了聯(lián)系測量效率,節(jié)省了成本,提高了隧道的貫穿精度,保證了地鐵隧道的精確貫穿。該系統(tǒng)先后應用于廣州地鐵暗挖區(qū)間隧道(包括盾構(gòu)隧道)聯(lián)系測量中,對各條線的暗挖隧道貫穿誤差進行統(tǒng)計顯示:二號線暗挖區(qū)間最大橫向貫穿誤差為42.8mm(要求橫向貫穿誤差小于100mm),三號線區(qū)間最大橫向貫穿誤差為29.8mm。貫穿誤差合格率為100%,優(yōu)良率98%以上

9、。5 應用中的體會和建議(1)操作簡便,自動定向測量,精度高,一次定向標準偏差小于15s。全部數(shù)據(jù)現(xiàn)場自動記錄(自動測時、自動記錄陀螺讀數(shù)、自動計算等)并保存在PDA中,全中文界面,通過數(shù)據(jù)線可以將數(shù)據(jù)存儲在計算機上,并打印輸出。(2)可以同時完成定位定向工作,實時指導現(xiàn)場施工工作?，F(xiàn)有的自動陀螺儀供應的最終測量結(jié)果為“定向邊的陀螺方位角”,不能完成定位工作。(3)可以在現(xiàn)場得到“定向邊的坐標方位角”一般自動陀螺儀只給出定向邊的陀螺方位角。(4)完成全部工作所需要的時間少。完成一次定向時間約為15min。同時AFS在現(xiàn)場供應的坐標方位角、測站點三維坐標甚至還有待測點的坐標等等,不需要另外作繁瑣

10、的內(nèi)業(yè)計算。此外,該系統(tǒng)對儀器內(nèi)外溫差沒有特殊的要求,從地面進入到豎井內(nèi)就可以馬上開展定向工作。(5)儀器能夠在肯定振動環(huán)境下工作,可以大大削減停工時間。(6)陀螺儀與全站儀通過連接支架連接,在任何時候都不能松動該連接支架,也不能通過提起連接支架來提起儀器。這樣是為了防止支架松動,以保持全站儀豎軸和陀螺豎軸的重合,保證陀螺儀能夠正常工作。(7)在AFS工作過程中,應觀看儀器電子氣泡,使儀器保持嚴格整平狀態(tài),不至于影響陀螺儀的零位。在啟動和制動陀螺儀時,陀螺靈敏部必需處在托起(緊鎖)狀態(tài),以防止懸掛帶和導流絲受損傷。在陀螺運轉(zhuǎn)時不許搬動儀器。(8)在中斷陀螺定向測量時,應等待中斷完成后再進行全站儀的其它操作。6 結(jié)束語使用陀螺經(jīng)