一種基于雙位置特征的磁懸浮陀螺尋北數據粗差剔除方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于地下工程測量領域，具體涉及一種基于雙位置特征的磁懸浮陀螺尋北 數據粗差剔除方法，該方法能夠獲取高精度陀螺定向方位成果，可用于大型隧道貫通測量、 地鐵施工測量、大型礦山高精度貫通測量。
【背景技術】
[0002] 磁懸浮陀螺全站儀是我國新近自主研制的高精度陀螺定向儀器，該儀器曾先后成 功應用于國內30余項礦山、隧道、地鐵等地下工程，取得了良好的定向效果。磁懸浮陀螺儀 通過磁懸浮支承技術替代了傳統陀螺經煒儀的懸掛帶支承體系，最大限度的降低了外界干 擾力矩對陀螺尋北過程的影響，并采用無接觸式光電力矩反饋控制技術實現了捷聯式靜態 尋北模式，在此基礎上，實現了雙位置海量尋北觀測數據采集，在短短的數分鐘尋北時間內 通過在一個粗尋北位置和兩個相差180°方位的精尋北位置的觀測，共采集6萬組尋北數 據，其中每個尋北位置各采集2萬組尋北數據，最后將兩個精尋北采樣數據進行差分處理， 計算最終尋北定向成果，從而實現了快速、高效的尋北定向測量，經國家權威儀器檢定部門 認證，該儀器的定向精度優于5"，完全可以應用于大型礦山、隧道等大型地下工程。然而， 通過對大量的工程實測數據分析發現：在某些極端工程環境下，由于強干擾力矩的不良影 響造成陀螺數據躍迀，產生大量的粗差數據，從而嚴重降低了磁懸浮陀螺的尋北精度。因 此，如何有效的剔除這些強干擾力矩影響下的粗差是提高磁懸浮陀螺定向精度、增強儀器 環境適應性的關鍵問題之一。
【發明內容】
[0003] 針對強干擾力矩下磁懸浮陀螺儀粗差數據的干擾問題，本發明的目的在于，提供 一種基于磁懸浮陀螺雙位置尋北特征的粗差檢測和剔除方法，以增強磁懸浮陀螺全站儀的 粗差處理能力和環境適應性，提高陀螺尋北定向精度。
[0004] 為了實現上述技術任務，本發明采用如下技術方案予以實現：
[0005] -種基于雙位置特征的磁懸浮陀螺尋北數據粗差剔除方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，計算陀螺方位角先驗值；
[0007] 步驟2,分別采集不同架設方位下的第一和第二精尋平衡位置的轉子電流數據，根 據采集的數據建立轉子電流值和架設陀螺方位角的回歸方程組；
[0008] 步驟3 :將陀螺方位角先驗值作為陀螺尋北方位角代入轉子電流值和架設陀螺方 位角的回歸方程組，計算陀螺尋北采樣數據預測值；
[0009] 步驟4,在一個架設方位下采集兩個精尋位置的轉子電流數據，并計算估計誤差； [0010] 步驟5,分別計算當前架設方位下的雙位置轉子電流值回歸預測區間：
[0011] 步驟6，使用步驟5得到的雙位置轉子電流值回歸預測區間，剔除處于回歸預測區 間外的轉子電流數據；
[0012] 步驟7,根據步驟6剔除粗差后的轉子電流數據，由下式計算修正后的陀螺定向結 果。
[0013] 進一步的，所述步驟1的具體操作如下：
[0014] 在測站點安置陀螺全站儀，并照準目標測線方向，根據全站儀讀數Zt、測線的坐 標方位角測站點子午線收斂角γ和儀器常數Aft，計算陀螺尋北方位角先驗值T 5fe = α坐_ Δ儀一Ζ全+ γ。
[0015] 進一步的，所述步驟2的具體操作如下：
[0016] 在陀螺架設方位位于真北方向（-10°，+10° )區間內，選取20~100個不同架 設方位，在每個架設方位下的第一和第二精尋位置分別采集η個轉子電流數據IJP 12，計 算每個架設方位條件下第一精尋位置的轉子電流數據的算術平均值〖和第二精尋位置的 轉子電流數據的算術平均值I a; η為轉子電流數據的采樣個數；
[0017] 將架設陀螺方位角T作為自變量，將兩個精尋位置采樣電流算術平均值：^和12分 別作為因變量，分別線性擬合出兩條直線，根據直線求解轉子電流值和架設陀螺方位角的 回歸方程組的參數a、b、c、d，建立轉子電流值和架設陀螺方位角的回歸方程組：
[0018]
[0019] 其中，T為架設陀螺方位角。
[0020] 進一步的，所述步驟4具體如下：
[0021] 步驟41，在陀螺架設方位位于真北方向（-10°，+10° )區間內，任意選取一個架 設方位，在當前架設方位下第一和第二精尋平衡位置分別采集η個轉子電流數據IJP I 2;
[0022] 步驟42,分別計算兩個精尋北平衡位置的陀螺尋北采樣數據預測值的標準差估計 S· Sindl矛口 S ind2:
[0023]
[0024] 其中：
[0025]
[0026]
[0027] 其中，I11U21分別為第一、第二精尋北平衡位置采集的第i個轉子電流值，i取1~ n ;TH、T21分別為對應第一、第二精尋北平衡位置采集的第i個轉子電流值計算得到的陀螺 尋北方位角；OR-OT 1S北向標識方向OR與第一精尋北平衡位置OT1之間的夾角，k為常值 系數，取300~400 ;IS1、Is2分別為第一、第二精尋北平衡位置的定子電流值；H為陀螺角動 量；為地球自轉角速度；^為測站點煒度；爲，土是指步驟3得到的陀螺尋北采樣數據 預測值；
[0028] 步驟43,計算雙位置轉子電流值的估計誤差Ep E2:
[0029]
[0030] 其中，&為置信水平為I- α下的t分位數； ：2
[0031] 進一步的，所述步驟5中所述的雙位置轉子電流值回歸預測區間如下：
[0032]
[0033]
[0034] 進一步的，所述步驟6的操作如下：
[0035] 以步驟5得到的當前架設方位下的雙位置轉子電流值回歸預測區間作為粗差的 判別標準，對當前架設方位下的第一和第二精尋平衡位置采集到的所有轉子電流數據分別 進行判別，保留落入回歸預測區間內的轉子電流數據，剔除回歸預測區間外的轉子電流數 據。
[0036] 進一步的，所述步驟7中，根據步驟6剔除粗差后的轉子電流數據，由下式計算修 正后的陀螺定向結果：
[0037]
[0038] 其中，M'。"，M' OT2分別為剔除位置粗差后的所計算得到的兩個精尋平衡位置的 平衡力矩，〇!\、OT2方向為第一、第二陀螺馬達軸精尋北平衡位置；OR-OT 1S北向標識方向 OR與第一精尋北平衡位置OT1之間的夾角；H為陀螺角動量；ω e為地球自轉角速度；供為測 站點煒度。
[0039] 進一步的，通過所述步驟7得到的陀螺定向結果計算陀螺坐標方位角如下：
[0040] α 坐(修）=Z 全+T修+ Δ 儀-γ 0
[0041] 本發明提供的方法基于磁懸浮陀螺雙位置尋北特征，能夠剔除強干擾力矩的影 響，采用該方法能夠達到如下工作效果：
[0042] (1)根據現有的磁懸浮陀螺在不同方位架設條件下的雙位置采樣電流均值的變化 趨勢，建立架設陀螺方位角與兩個精尋位置采樣電流均值的一元回歸模型。
[0043] (2)采用一元回歸分析預測方法，以原地下導線坐標方位角推算的陀螺方位角作 為先驗值，預測陀螺轉子電流值的置信區間，剔除強干擾力矩影響下尋北數據的粗差。
[0044] (3)修正尋北定向成果，提高磁懸浮陀螺的定向精度，確保隧道的高精度貫通。
[0045] (4)以原地下導線坐標方位角推算出的陀螺方位角作為先驗值，為陀螺采樣數據 的濾