Gyrotheodolite - Gyrotheodolite
In Vermessung eine gyrotheodolite (auch: Vermessungs gyro ) ist ein Instrument , bestehend aus einem Kreiselkompaß mit einem montierten Theodoliten . Es wird verwendet, um die Ausrichtung des wahren Nordens zu bestimmen . Es ist das Hauptinstrument zur Orientierung in der Minenvermessung und im Tunnelbau, wo astronomische Sternvisiere nicht sichtbar sind und GPS nicht funktioniert.
Geschichte
1852 entdeckte der französische Physiker Léon Foucault , dass ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden nach Norden zeigt. Dieses Prinzip wurde 1921 von Max Schuler angepasst , um den ersten Vermessungskreisel zu bauen. 1949 wurde der Gyro-Theodolit - damals als "Meridianzeiger" oder "Meridianindikator" bezeichnet - erstmals von der Clausthal Mining Academy im Untergrund eingesetzt. Einige Jahre später wurde es durch Autokollimationsteleskope verbessert . 1960 produzierte die Firma Fennel Kassel den ersten Kreisel-Theodolit der KT1-Serie. Fenchel Kassel und andere stellten später Kreiselaufsätze her, die auf normalen Theodoliten montiert werden können.
Betrieb
Ein Gyroskop ist in einer Kugel montiert, die mit Mu-Metall ausgekleidet ist , um den magnetischen Einfluss zu verringern. Sie ist durch eine Spindel mit der vertikalen Achse des Theodoliten verbunden. Das batteriebetriebene Kreiselrad wird mit 20.000 U / min oder mehr gedreht, bis es als nach Norden strebendes Gyroskop fungiert. Ein separates optisches System innerhalb des Aufsatzes ermöglicht es dem Bediener, den Theodolit zu drehen und dadurch eine Nullmarke auf dem Aufsatz in Übereinstimmung mit der Kreisel-Spinachse zu bringen. Durch Verfolgen der Spinachse, während sie um den Meridian schwingt, kann eine Aufzeichnung des Azimuts einer Reihe der extremen stationären Punkte dieser Schwingung durch Lesen des Theodolit-Azimutkreises bestimmt werden. Aus diesen Datensätzen kann später ein Mittelpunkt berechnet werden, der eine verfeinerte Schätzung des Meridians darstellt. Eine sorgfältige Einrichtung und wiederholte Beobachtungen können eine Schätzung ergeben, die innerhalb von etwa 10 Bogensekunden vom wahren Meridian liegt. Diese Schätzung des Meridians enthält Fehler, weil das Nulldrehmoment der Aufhängung nicht genau auf den wahren Meridian ausgerichtet ist und Messfehler der leicht gedämpften Schwingungsextreme auftreten. Diese Fehler können gemildert werden, indem die anfängliche Schätzung des Meridians auf wenige Bogenminuten genau verfeinert und das Nulldrehmoment der Aufhängung korrekt ausgerichtet wird.
Wenn der Spinner mit seiner Rotationsachse nahe am Meridian aus der Rückhaltung entlassen wird, führt die gyroskopische Reaktion von Spin und Erdrotation zu einer Präzession der Spinachse in Richtung der Ausrichtung mit der Ebene des Meridians. Dies liegt daran, dass die tägliche Rotation der Erde die Ost-West-Achse der Station kontinuierlich neigt. Die Spinnerachse beschleunigt dann in Richtung des Meridians und überschießt diesen. Sie kommt dann an einem extremen Punkt zum Stillstand, bevor sie in ähnlicher Weise zum anfänglichen Auslösepunkt zurückschwingt. Diese Azimutschwingung der Spinnerachse um den Meridian wiederholt sich mit einem Zeitraum von wenigen Minuten. In der Praxis nimmt die Schwingungsamplitude nur allmählich ab, da aufgrund der minimalen vorhandenen Dämpfung Energie verloren geht. Gyro-Theodolite verwenden ein ungedämpftes Schwingsystem, da eine Bestimmung in weniger als etwa 20 Minuten erreicht werden kann, während das asymptotische Absetzen eines gedämpften Kreiselkompasses ein Vielfaches dauern würde, bevor eine vernünftige Bestimmung des Meridians möglich wäre.
Bei Nichtbetrieb ist die Gyroskopbaugruppe im Instrument verankert. Das elektrisch angetriebene Gyroskop wird zurückgehalten und dann für den Betrieb freigegeben. Während des Betriebs wird das Gyroskop innerhalb der Instrumentenanordnung gehalten, typischerweise auf einem dünnen vertikalen Band, das die Gyroskopspinnerachse daran hindert, horizontal zu bleiben. Die Ausrichtung der Drehachse darf sich im Azimut nur um den geringen Betrag drehen, der während des Betriebs erforderlich ist. Eine erste ungefähre Schätzung des Meridians ist erforderlich. Dies kann mit einem Magnetkompass , aus einem vorhandenen Vermessungsnetzwerk oder durch Verwendung des Kreisel-Theodoliten in einem erweiterten Verfolgungsmodus bestimmt werden.
Verwendet
Gyro-Theodolite werden hauptsächlich in Abwesenheit von astronomischen Sternenvisieren und GPS verwendet . Wenn beispielsweise eine Leitung unter einem Fluss verlaufen muss, kann ein vertikaler Schacht auf jeder Seite des Flusses durch einen horizontalen Tunnel verbunden sein. Ein Gyro-Theodolit kann an der Oberfläche und dann wieder am Fuß der Schächte betrieben werden, um die Richtungen zu bestimmen, die zum Tunneln zwischen der Basis der beiden Schächte erforderlich sind. Während des Baus des Kanaltunnels , der unter dem Ärmelkanal von Frankreich nach Großbritannien verläuft, wurden Gyro-Theodolite verwendet, um die Tunnel auszurichten.
Einschränkungen
Obwohl ein Gyro-Theodolit am Äquator und sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre funktioniert , kann er weder am Nordpol noch am Südpol verwendet werden , wo die Erdachse genau senkrecht zur horizontalen Achse des Spinners verläuft und der Meridian undefiniert ist . Gyro-Theodolite werden normalerweise nicht innerhalb von etwa 15 Grad des Pols verwendet, wo der Winkel zwischen der Erdrotation und der Richtung der Schwerkraft zu klein ist, um zuverlässig zu arbeiten.
Im Gegensatz zu einem künstlichen Horizont oder einem Trägheitsnavigationssystem kann ein Kreisel-Theodolit während des Betriebs nicht versetzt werden. Es muss an jedem Standort neu gestartet werden.
Wenn verfügbar, können astronomische Sternvisiere die Meridianpeilung auf mehr als das Hundertfache der Genauigkeit des Gyro-Theodoliten bringen. Wenn diese zusätzliche Präzision nicht erforderlich ist, kann der Gyro-Theodolit schnell ein Ergebnis erzielen, ohne dass Nachtbeobachtungen erforderlich sind.