Гиротеодолит

В геодезии гиротеодолит (также: геодезический гироскоп ) — это инструмент, состоящий из гирокомпаса, установленного на теодолите . Он используется для определения ориентации истинного севера . Это основной инструмент для ориентации в маркшейдерии ^{[1] и в строительстве туннелей, где} астрономические прицелы не видны и GPS не работает.

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 гиротеодолит — в то время называвшийся «указатель меридиана» или «индикатор меридиана» ^[2] — был впервые использован под землей в Клаустальской горной академии. Несколько лет спустя он был усовершенствован добавлением автоколлимационных телескопов. В 1960 году компания Fennel Kassel выпустила первый из серии KT1 гиротеодолитов. ^[3] Fennel Kassel и другие позже выпустили гироскопические насадки, которые можно было устанавливать на обычные теодолиты. ^[4]

Гироскоп установлен в сфере, облицованной мю-металлом для уменьшения магнитного влияния, соединенной шпинделем с вертикальной осью теодолита. Работающее от батареи гироскопическое колесо вращается со скоростью 20 000 об/мин или более, пока не начнет действовать как гироскоп, ищущий север. ^[2] Отдельная оптическая система внутри насадки позволяет оператору вращать теодолит и тем самым совмещать нулевую отметку на насадке с осью вращения гироскопа. Отслеживая ось вращения, когда она колеблется вокруг меридиана, можно определить запись азимута ряда крайних стационарных точек этого колебания, считывая азимутальный круг теодолита. Позднее из этих записей можно вычислить среднюю точку, которая представляет собой уточненную оценку меридиана. Тщательная настройка и повторные наблюдения могут дать оценку, которая находится в пределах примерно 10 угловых секунд от истинного меридиана. ^[5] Эта оценка меридиана содержит ошибки из-за того, что нулевой момент подвески не выровнен точно с истинным меридианом, а также из-за ошибок измерения слегка затухающих экстремумов колебаний. Эти ошибки можно смягчить, уточнив начальную оценку меридиана до нескольких угловых минут и правильно выровняв нулевой момент подвески. ^[6]

Когда спиннер освобождается от удержания, а его ось вращения выровнена близко к меридиану, гироскопическая реакция спина и вращения Земли приводит к прецессии оси спина в направлении выравнивания с плоскостью меридиана. Это происходит потому, что суточное вращение Земли фактически непрерывно наклоняет ось восток-запад станции. Затем ось спиннера ускоряется в направлении меридиана и перескакивает через него, затем замедляется до остановки в крайней точке, прежде чем аналогичным образом отклониться назад к начальной точке освобождения. Это колебание по азимуту оси спиннера вокруг меридиана повторяется с периодом в несколько минут. На практике амплитуда колебания будет только постепенно уменьшаться по мере потери энергии из-за минимального присутствующего затухания. ^[4] Гиротеодолиты используют незатухающую колебательную систему, поскольку определение может быть получено менее чем за 20 минут, в то время как асимптотическое установление затухающего гирокомпаса заняло бы во много раз больше времени, прежде чем можно было бы сделать какое-либо разумное определение меридиана. ^[1]

Когда гироскоп не работает, его узел закреплен внутри прибора. Гироскоп с электрическим приводом запускается в состоянии удержания, а затем отпускается для работы. Во время работы гироскоп поддерживается внутри узла прибора, как правило, на тонкой вертикальной ленте, которая удерживает ось вращения гироскопа в горизонтальном положении. Выравнивание оси вращения допускается для вращения по азимуту только на небольшую величину, необходимую во время работы. Требуется начальная приблизительная оценка меридиана. Это может быть определено с помощью магнитного компаса , из существующей сети обследований или с помощью гиротеодолита в расширенном режиме отслеживания.

Гиротеодолиты в основном используются при отсутствии астрономических звездных прицелов и GPS . Например, там, где трубопровод должен проходить под рекой, вертикальные шахты на каждой стороне реки могут быть соединены горизонтальным туннелем. Гиротеодолит может работать на поверхности, а затем снова у подножия шахт, чтобы определить направления, необходимые для прокладки туннеля между основаниями двух шахт. ^[7] Во время строительства туннеля под Ла-Маншем , который проходит под Ла-Маншем от Франции до Великобритании, гиротеодолиты использовались для выравнивания туннелей. ^[8]

Хотя гиротеодолит функционирует на экваторе и в северном и южном полушариях, его нельзя использовать ни на Северном , ни на Южном полюсе , где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси вертушки, а меридиан не определен. Гиротеодолиты обычно не используются в радиусе около 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком мал для надежной работы.

В отличие от искусственного горизонта или инерциальной навигационной системы , гиротеодолит не может быть перемещен во время работы. Его необходимо перезапускать снова на каждом месте.

При наличии астрономических звездных визиров они способны дать меридиональный пеленг с точностью, в сто раз превышающей ^{точность гиротеодолита .} Там, где эта дополнительная точность не требуется, гиротеодолит способен быстро выдавать результат без необходимости ночных наблюдений.