定向瞄准系统是由具有定向功能的寻北系统和具有瞄准功能的准直经纬仪系统组成的方位测量系统。定向瞄准系统用于测量特定目标和地理北向的夹角,广泛应用于矿山开采、隧道挖掘、测绘和军事等领域。但是,当前的定向瞄准系统自动化程度较低,在工作过程中需要手工调平、手工对准目标点、人工解算方位角度等,已无法满足现代测量自动化快速化的要求。因此,建立定向瞄准系统的数学模型,对其自动化关键技术进行研究,构建一体化的定向瞄准系统,使系统实现自动调平、自动寻北、自动对准功能具有重要的价值。为了实现全自动定向瞄准系统,本文建立了转轴自动调平、速率陀螺捷联寻北和准直经纬仪自动对准合作目标的数学模型。对各个部分的数学模型进行了仿真分析和实验验证,得出了它们对定向瞄准系统的测量精度和自动测量时间的影响。本文的主要研究工作和研究成果如下,1.建立了基于双轴倾角仪差分测量转轴倾角的数学模型,该模型大大降低了倾角仪温度漂移影响,适用于各种大小、各种截面光滑度的转轴倾角测量。基于转轴倾角和高点不动的调节策略,采用角度闭环的方法调节转轴倾角,克服了步进电机失步和外部干扰的影响。2.建立了基于速率陀螺捷联寻北方案的数学模型。该模型描述了陀螺在各个转位的输出和陀螺随机误差、陀螺零偏漂移、陀螺安装误差、转轴安装误差、转位点数、编码器精度、工作纬度的数学关系。根据数学模型和误差传递理论,得出了系统各个元件参数和系统装调误差对寻北精度的影响。讨论了寻北精度和自动寻北时间的关系。因此,用户可以根据系统设计要求和数学模型选取合适的陀螺和编码器,确定陀螺和转轴的安装精度。同时,在寻北精度和自动寻北时间之间找到平衡点。3.建立了准直经纬仪自动对准合作目标的数学模型。提出了自动对准策略,首先在大范围快速找到目标(粗对准),然后小范围精确对准目标(精对准),最后移动光斑到CCD零位。根据合作目标倾斜角度的大小,介绍了无需移动导轨和需要移动导轨的对准模型。提出了使用直角棱镜和多齿分度台标定准直经纬仪的方法,消除了准直经纬仪系统误差对测量的影响,提高了测量精度。4.基于寻北系统和准直经纬仪系统搭建了同基座安装的定向瞄准测量系统。提出了定向瞄准测量系统中寻北系统和准直经纬仪系统夹角的标定方案。根据制作的样机对定向瞄准系统进行了标定和精度测试等试验。定向瞄准测量系统在民用和军事领域发挥着十分重要的作用。本文研究了定向瞄准系统自动化测量的整机模型,提出了整机的标定方法。对系统转轴自动调平、自动寻北和准直经纬仪自动搜索对准技术进行了建模和仿真分析,为设计高精度全自动定向瞄准系统提供了重要的理论依据。同时,本文完成了系统样机的制作,为全自动定向瞄准系统的使用和推广奠定了工程基础。