В съемках , A gyrotheodolite (также: съемки гироскоп ) представляет собой инструмент , состоящий из гирокомпаса , установленный на теодолит . Он используется для определения ориентации истинного севера . Это основной инструмент для ориентации при маркшейдерских съемках [1] и туннельном строительстве, когда астрономические прицелы не видны и GPS не работает.
История
В 1852 году французский физик Леон Фуко обнаружил, что гироскоп с двумя степенями свободы указывает на север. Этот принцип был адаптирован Максом Шулером в 1921 году для создания первого геодезического гироскопа. В 1949 году гиро-теодолит - в то время называемый «указателем меридиана» или «индикатором меридиана» [2] - был впервые использован под землей в Клаустальской горной академии. Несколько лет спустя он был улучшен с добавлением автоколлимационных телескопов. В 1960 году компания Fennel Kassel выпустила первый гиро-теодолиты серии КТ1. [3] Феннель Кассель и другие позже создали гироскопические приспособления, которые можно установить на обычные теодолиты. [4]
Операция
Гироскоп установлен в сфере, облицованной Мю-металлом для уменьшения магнитного воздействия, соединенной шпинделем с вертикальной осью теодолита. Колесо гироскопа с батарейным питанием вращается со скоростью 20000 об / мин или более, пока оно не станет гироскопом, ориентированным на север. [2] Отдельная оптическая система в приставке позволяет оператору вращать теодолит и тем самым совмещать нулевую отметку на приставке с осью вращения гироскопа. Отслеживая ось вращения, когда она колеблется вокруг меридиана, запись азимута серии крайних стационарных точек этого колебания может быть определена путем считывания азимутального круга теодолита. Позднее на основе этих записей может быть вычислена средняя точка, которая представляет собой уточненную оценку меридиана. Тщательная настройка и повторные наблюдения могут дать оценку, которая находится в пределах 10 угловых секунд от истинного меридиана. [5] Эта оценка меридиана содержит ошибки из-за того, что нулевой крутящий момент подвески не совмещен точно с истинным меридианом, а также из-за ошибок измерения слегка затухающих крайних значений колебаний. Эти ошибки можно уменьшить, уточнив первоначальную оценку меридиана с точностью до нескольких угловых минут и правильно настроив нулевой крутящий момент подвески. [6]
Когда вертушка освобождается от ограничений с осью вращения, выровненной близко к меридиану, гироскопическая реакция вращения и вращения Земли приводит к прецессии оси вращения в направлении совмещения с плоскостью меридиана. Это связано с тем, что суточное вращение Земли в действительности приводит к постоянному наклону оси станции с востока на запад. Затем ось спиннера ускоряется по направлению к меридиану и выходит за него, затем замедляется до остановки в крайней точке, прежде чем аналогичным образом повернуться назад к начальной точке высвобождения. Это колебание азимута оси спиннера относительно меридиана повторяется с периодом в несколько минут. На практике амплитуда колебаний будет уменьшаться только постепенно, поскольку энергия теряется из-за минимального демпфирования. [4] Гиро-теодолиты используют незатухающую колебательную систему, потому что определение может быть получено менее чем примерно за 20 минут, в то время как асимптотическое установление затухающего гирокомпаса может занять много раз, прежде чем можно будет сделать какое-либо разумное определение меридиана. [1]
Когда он не используется, узел гироскопа закреплен в приборе. Гироскоп с электрическим приводом запускается, когда его удерживают, а затем отпускают для работы. Во время работы гироскоп поддерживается внутри инструмента, обычно на тонкой вертикальной ленте, которая ограничивает ось вращателя гироскопа, чтобы она оставалась горизонтальной. Центрированная ось вращения может поворачиваться по азимуту только на небольшую величину, требуемую во время работы. Требуется предварительная приблизительная оценка меридиана. Это может быть определено с помощью магнитного компаса , из существующей исследовательской сети или с помощью гиро-теодолита в расширенном режиме слежения.
Использует
Гиро-теодолиты в основном используются при отсутствии астрономических прицелов и GPS . Например, если водовод должен проходить под рекой, вертикальный вал на каждой стороне реки может быть соединен горизонтальным туннелем. Гиротеодолит можно использовать на поверхности, а затем снова у основания валов, чтобы определить направления, необходимые для туннелирования между основанием двух валов. [7] Во время строительства туннеля под Ла-Маншем , который проходит под Ла-Маншем от Франции до Великобритании, для выравнивания туннелей использовались гиро-теодолиты. [8]
Ограничения
Хотя гиро-теодолит функционирует на экваторе, а также в северном и южном полушариях, его нельзя использовать ни на Северном, ни на Южном полюсе , где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси спиннера, а меридиан не определен. . Гиро-теодолиты обычно не используются в пределах примерно 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком мал для его надежной работы.
В отличие от искусственного горизонта или инерциальной навигационной системы , гиротеодолит нельзя перемещать во время работы. Он должен быть перезапущен снова на каждом сайте.
Когда это возможно, астрономические прицелы могут определять пеленг меридиана с точностью, превышающей точность гиро-теодолита более чем в сто раз [ необходима цитата ] . Там, где эта дополнительная точность не требуется, гиро-теодолит может быстро получить результат без необходимости ночных наблюдений.
Рекомендации
- ^ Б Ван Хун-лан (сентябрь 1987), «Анализ движения гироскопического-теодолит», прикладная математика и механика , 8 : 889-900, DOI : 10.1007 / BF02019527
- ^ а б Стейли, Уильям Уэсли (1964), Введение в маркшейдерское дело , Stanford University Press, стр. 169–170, ISBN 0-8047-0361-2
- ^ Деумлих, Фриц (1982), Геодезические инструменты , Вальтер де Грюйтер, стр. 18, ISBN 3-11-007765-5
- ^ а б Heribert Kahmen, Wolfgang Faig (1988), Surveying , Walter de Gruyter, стр. 112–116, ISBN 3-11-008303-5
- ^ Смит, Джеймс Рэймонд (1997), Введение в геодезию: история и концепции современной геодезии , Wiley-IEEE, стр. 174, ISBN 0-471-16660-X
- ^ Уилфред Шофилд, Марк Брич (2007), Инженерные изыскания , Butterworth-Heinemann, стр. 519–533, ISBN 0-7506-6949-7
- ^ Н. Кориттке; Х. Клапперих (1998), «Применение высокоточных гиро-теодолитов при проходке туннелей», в Арсенио Негро; Аргимиро А. Феррейра (ред.), Туннели и мегаполисы: материалы Всемирного туннельного конгресса'98 по туннелям и мегаполисам: Сан-Паулу, Бразилия, 25-30 апреля 1998 г. , Taylor & Francis, стр. 823–827, ISBN 90-5410-936-Х
- ^ Киркланд, Колин Дж. (1995), Проектирование туннеля под Ла-Маншем , Тейлор и Фрэнсис, стр. 55–56, ISBN 0-419-17920-8