ジャイロセオドライト

測量において、ジャイロセオドライト（測量ジャイロとも呼ばれる）は、セオドライトにジャイロコンパスを取り付けた装置である。これは真北の方向を決定するために使用される。これは、天体観測による星の視認ができず、 GPSが機能しない鉱山測量^{[ 1 ]}やトンネル工学における主要な方位測定装置である。

1852年、フランスの物理学者レオン・フーコーは、 2自由度ジャイロが北を指すことを発見した。この原理は、 1921年にマックス・シューラーによって応用され、最初の測量用ジャイロが作られた。1949年、当時「子午線ポインター」または「子午線指示器」^{[ 2 ]}と呼ばれていたジャイロセオドライトが、クラウスタール鉱山アカデミーの地下で初めて使用された。数年後、オートコリメーション望遠鏡が追加されて改良された。1960年、フェンネル・カッセル社は、KT1シリーズのジャイロセオドライトの最初のものを製造した。^{[ 3 ]}フェンネル・カッセル社などは後に、通常のセオドライトに取り付けることができるジャイロアタッチメントを製造した。^{[ 4 ]}

ジャイロスコープは、磁気の影響を軽減するためにミューメタルで裏打ちされた球体に取り付けられ、スピンドルでセオドライトの垂直軸に接続されています。バッテリー駆動のジャイロホイールは、北を向くジャイロスコープとして機能するまで、毎分 20,000 回転以上で回転します。^{[ 2 ]} アタッチメント内の独立した光学系により、オペレーターはセオドライトを回転させ、アタッチメントのゼロマークをジャイロスコープの回転軸と一致させることができます。回転軸が子午線を中心に振動するのを追跡することで、セオドライトの方位円を読み取ることにより、その振動の極端な静止点の系列の方位角の記録を求めることができます。これらの記録から後で中点を計算すると、子午線のより精緻な推定値が得られます。慎重なセットアップと繰り返しの観測により、真の子午線から約 10 秒角以内の推定値が得られます。^{[ 5 ]} この子午線の推定値には、サスペンションのゼロトルクが真の子午線と正確に一致していないこと、およびわずかに減衰した振動の極値の測定誤差による誤差が含まれています。これらの誤差は、子午線の初期推定値を数分角以内に精緻化し、サスペンションのゼロトルクを正しく一致させることで軽減できます。^{[ 6 ]}

スピナーの回転軸が子午線にほぼ沿った状態で拘束から解放されると、回転と地球の自転によるジャイロ効果によって、回転軸は子午線面と一致する方向に歳差運動を起こします。これは、地球の毎日の自転によって観測所の東西軸が常に傾いているためです。スピナー軸は子午線に向かって加速し、子午線を通り過ぎた後、極限点で停止し、同様に解放された最初の位置に向かって振り戻ります。このスピナー軸の方位角方向の子午線周りの振動は、数分周期で繰り返されます。実際には、減衰が最小限であるため、エネルギーが失われるにつれて振動の振幅は徐々に減少するだけです。^{[ 4 ]}ジャイロセオドライトは減衰のない振動システムを採用しているため、約 20 分以内に測定結果が得られるが、減衰ジャイロコンパスの漸近的な安定には、妥当な子午線測定を行うまでにその何倍もの時間がかかる。^{[ 1 ]}

動作していないときは、ジャイロスコープアセンブリは機器内部に固定されます。電動ジャイロスコープは、固定された状態で起動され、その後解放されて動作します。動作中は、ジャイロスコープは機器アセンブリ内で支持され、通常はジャイロスコープの回転軸が水平を保つように拘束する薄い垂直テープで支えられます。回転軸のアライメントは、動作中に必要なわずかな量だけ方位角方向に回転することが許容されます。子午線の初期概算値が必要です。これは、磁気コンパス、既存の測量ネットワーク、または拡張トラッキングモードでのジャイロセオドライトの使用によって決定できます。

ジャイロセオドライトは、天体観測やGPSがない場合に主に使用されます。たとえば、導水路が川の下を通る必要がある場合、川の両側に垂直な立坑が水平トンネルで接続されることがあります。ジャイロセオドライトは、地表で操作した後、立坑の底で再度操作して、2つの立坑の底の間をトンネルを掘るために必要な方向を特定できます。^{[ 7 ]}フランスからイギリスまで英仏海峡の下を通るチャンネルトンネル の建設中、トンネルの位置合わせにジャイロセオドライトが使用されました。^{[ 8 ]}

ジャイロセオドライトは赤道上、北半球、南半球のいずれでも機能しますが、北極点と南極点では使用できません。北極点と南極点では、地球の自転軸が回転軸の水平方向と完全に垂直になり、子午線が定義されないためです。ジャイロセオドライトは通常、極から約15度以内では使用されません。これは、地球の自転方向と重力方向の角度が小さすぎて、ジャイロセオドライトが確実に機能しないためです。

人工水平儀や慣性航法装置とは異なり、ジャイロセオドライトは作動中に位置を変更することはできません。設置場所ごとに再起動する必要があります。

天体観測による星の観測が可能であれば、ジャイロセオドライトの100倍以上の精度で子午線方位を測定できます。しかし、そこまでの精度が求められない場合は、ジャイロセオドライトを使用すれば夜間観測を必要とせずに迅速に結果を得ることができます。