随着国民经济建设发展的需要,矿山资源越采越深、江河隧道越挖越长、隐蔽地下工程建设越来越多,许多长度超过20km的隧道如雨后春笋般出现。陀螺全站仪作为一种敏感地球自转效应测定任意目标真北方位的惯性仪器,广泛的应用于地下工程贯通测量。由于超长隧道工程地质条件复杂,洞内高地温、高气压、高地应力以及受气压涡流、湿度、粉尘、旁折光和施工振动等因素的影响,使陀螺定向精度受到影响,增加了隧道贯通的风险。因此,研究复杂环境对陀螺寻北数据的影响规律,优化陀螺寻北数据处理方法对超长隧道的贯通有着重要的现实意义。本文基于磁悬浮陀螺连续模数信息转换和仿真模拟技术,围绕复杂环境下磁悬浮陀螺定向测量关键技术开展研究,以提高磁悬浮陀螺全站仪在复杂环境下的寻北定向结果和定向精度的可靠性,确保超长隧道的顺利贯通为目标。主要的研究内容和成果如下:1、对复杂环境下磁悬浮陀螺力矩器转子信号进行受力分析,研究了影响磁悬浮陀螺定向精度的外界环境因素,建立了转子完备性检测模型。2、基于小波变换和希尔伯特—黄变换理论,优化了磁悬浮陀螺信号的滤波模型;对磁悬浮陀螺异常信号进行频谱分析,从视域角度揭示了转子受迫运动的物理影响机制;相关研究成果显著提升了复杂环境下磁悬浮陀螺精度的稳定性。3、基于蒙特卡洛原理,优化了加测陀螺边导线贯通误差预计方法,分析了对中误差、垂线偏差、旁折光误差等对超长隧道测量精度的影响规律;提出了非等精度陀螺边概念,建立了陀螺观测值个体权导线联合平差(AIG)模型,提高了隧道贯通测量的精度。4、将上述滤波模型、误差预计模型、平差模型应用于港珠澳大桥海底沉管隧道与引汉济渭秦岭超长输水隧道等重大工程项目,取得了良好的工程应用效果。