测绘专业实验实习—— 陀螺仪定向原理

1. 方位角的定义与测量方法
1.2 不同方位角的测量方法
陀螺仪 GPS RTK GPS 静态 后视定向 天文观测 指北针
方位角 真北
坐标北 坐标北 坐标北
真北 磁北
环境要求 天气要求
无
无
有
无
有
无
有
有
有
有
无
无
精度 好 低 好 好 好 低
速度 快 快 慢 快 慢 快
已知点 不需要
需要 需要 需要 不需要 不需要
当调节悬重的位置使杠杆水平时，可以看到陀螺转动后，其轴线的 方 向 始终保持不变，即可验证定轴性。
当将悬重向左移动一小段距离，即相当于陀螺轴受到一个向下的作
用 力时，陀螺转动后，杠杆将保持水平，但将在水平面上作逆时针
方向 的转动；
同理，将悬重右移一小段距离，即陀螺轴
受到一个向上的作用力时，陀螺转动后，
全站式陀螺仪的组成 （1）全站仪 （2）陀螺仪 （3）逆变器 （4）电池 （5）电源电缆
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
5. 全站仪陀螺仪的操作
基本操作流程
锁紧螺旋 完全锁紧
开机
观测
锁紧螺旋 完全锁紧
关机
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
5. 全站仪陀螺仪的操作
2.2 陀螺仪定向原理－地球自转
地球以角速度ω E(ω E=1周/昼夜 =7.25×10-5rad/s)绕其自转轴旋 转，故地球上的一切东西都随着 地球转动。如从宇宙空间来看地 轴北端，地球是在作逆时针方向 旋转，其旋转角速度的矢量ω E沿 其自转轴指向北端。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
内容目录
陀螺仪的特性 陀螺仪的定向原理 陀螺仪的分类 陀螺仪的基本结构 陀螺仪的操作 陀螺仪定向作业流程
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.1 陀螺仪的定轴性、进动性
陀螺仪是根据自由陀螺(在不受外力作用时，具有三个自由度的陀螺仪) 的原理制造而成的。 自由陀螺仪具有以下两个基本特性：定轴性、进动性。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
1. 陀螺仪的定轴性、进动性
1 定轴性 陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向初始恒定方向；
2 进动性 陀螺轴在受到外力作用时，将产生非常重要的效应－“进动”。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
1. 陀螺仪的定轴性、进动性
如右下图，左端为一可转动的陀螺，右端为一可移动的悬重。
杠杆仍保持水平，但将在水平面上作顺时
针方向的转动，这样即可验证自由陀螺仪
的进动性。
陀螺仪
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－钟摆式陀螺
目前常用的陀螺仪是采用两个完全自由度和一个不完全自由度的钟摆 式 陀螺仪。它是根据上述的陀螺仪的定轴性和进动性两个基本特性， 并考 虑到陀螺仪对地球自转的相对运动，使陀螺轴在测站子午线附近 作简谐 摆动的原理而制成的。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
当陀螺仪在北纬某地设站，其主 轴无论是方位角（相对子午线） 和高度角（相对水平面）都不停 地发生变化。
由此可见，陀螺仪主轴在地球上 的视运动，不仅与纬度有关，还 与主轴与子午面及水平面之间的 夹角有关。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
如右图，在自由陀螺仪轴上加以悬重Q，则陀 螺仪灵敏部的重心由中心O下移到O1点，结果 便限制了自由陀螺仪绕y轴旋转的自由度，亦即 x轴因悬重Q的作用，而永远趋于和水平面平行 的状态。因为它的灵敏部和钟摆相似(重心位于 过中心的铅垂线上，且低于中心)，所以称为钟 摆式陀螺仪。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
（1）重力矩MP
MP=Plsin
重力矩进动角速度P
P=Plsin/H
l- 陀螺悬挂点O至重心O´之间的 长度
P- 陀螺灵敏部的重量 - 陀螺主轴与地平面之间的夹角
（高度角）
H- 陀螺转子的动量矩（角动量）
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
随着地球自转，陀螺仪主轴X的高度角发生变化形成重力矩，使陀 螺 仪产生进动效应。
而地球的自转又使陀螺产生指向力矩，使陀螺仪的进动围绕子午面进 行。当陀螺仪主轴X越接近子午面，指向力矩越小，当X轴指向子午面 （即为零时），则指向力矩为零，但此时陀螺仪因惯性的作用以最 快的速度通过子午面。
当陀螺仪主轴X远离子午面时，相反方向的指向力矩使陀螺仪的进 动 速度慢慢降低，直至达到平衡点而停止。
陀螺仪定向原理 与索佳GPX介绍
目录
方位角定义与测量方法 陀螺仪定向原理与使用 索佳GPxX系列全站式陀螺仪特点简介
1. 方位角的定义与测量方法
1. 真北、磁北和坐标北
方位角（azimuth）是指从某一点的指北方向线算起，按顺时针方 向至某目标点的方向线之间的水平夹角。 从真子午线算起的称之为“真方位角”； 从磁子午线算起的称之为“磁方位角”； 从坐标系中的纵线算起的称之为“坐标方位角”。
然后，在指向力矩的作用下，陀螺仪主轴X又向子午面方向运行， 周 而复始，使陀螺仪围绕子午面（真北方向）做摆式运动，实现了 真北 定向的目的。
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.2 陀螺仪定向原理－陀wk.baidu.com仪相对地球的运动
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
（1）指向力矩MH
MH=HEcos sin
E- 地球自转角速度 - 测站地理纬度 - 陀螺主轴与子午面之间的
水平夹角（方位角角） H- 陀螺转子的动量矩(角动量)
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2. 陀螺仪定向原理－陀螺仪相对地球的运动
综合前面所述，摆式陀螺仪围绕子午面左右摆动是重力矩和指向力矩 综合作用的结果。
2.3 陀螺仪的分类
陀螺经纬仪
上架式
全站式陀螺仪
上架式
全自动全站式陀螺仪
下架式
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
2.4 陀螺仪的基本结构
陀螺仪的结构
悬挂带
全站式陀螺仪是将陀螺仪安放 在全站仪之上而构成的，其中
陀螺
陀螺仪部分的基本结构如右 图。
分划板
目镜筒
2. 陀螺仪定向原理与使用方法
4. 陀螺仪的基本结构