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激光跟蹤儀在飛機雷達天線面板安裝精度測量中的應用
發布時間：2017-09-01
引 言
飛機總裝配階段需要進行一系列的測量工作。由于空間、精度要求的限制，機載設備裝配精度的測量對測量設備和操作者提出了很高的要求，如雷達天線面板最小設計允許誤差的測量值一般在±4'～±12'之間，而總裝廠傳統的測量手段(水平儀、象限儀)是無法滿足如此高精度測量要求的。經過分析調研，首次嘗試將激光跟蹤儀引入飛機的總裝配生產中。
1 激光跟蹤儀概述
激光跟蹤測量系統是工業測量系統中一種高精度的測量儀器。它集合了激光干涉測距技術、光電探測技術、精密機械技術、計算機及控制技術、現代數值計算理論等各種先進技術，對空間運動目標進行跟蹤并實時測量目標的空間三維坐標。具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡單等特點，適合于大尺寸工件裝備的測量。激光跟蹤測量系統一般由激光跟蹤頭(跟蹤儀)、控制器、用戶計算機、反射器(靶鏡)及測量附件等組成。
2 激光跟蹤儀測量原理概述
激光跟蹤儀是移動式光學三坐標測量設備，核心是一臺激光干涉儀，以極坐標原理為工作原理，跟蹤頭發射激光至一個由三棱鏡反射器組成的球形反射鏡，且激光束與反射鏡的中心始終保持對準，隨著反射鏡在被測物體上的移動，激光束被反射鏡連續地反射回跟蹤儀，從而測出跟蹤儀與反射鏡之間的距離。
激光跟蹤儀的可移動特性，使其測量時的坐標系隨跟蹤儀位置的變化而變化，為了使激光跟蹤儀在不同位置具有相同的測量坐標系，每次移動激光跟蹤儀后必須對其進行轉站。在實際測量中，使用地標點進行激光跟蹤儀的轉站。轉站原理如下。
假設跟蹤儀在初始測量坐標系下對地標點的測量值為P測量，對地標點的理論值為P理論，那么必然存在一個旋轉變換矩陣R和一個平移變換矩陣T，使得 R×P測量+T=P理論。
理論上，只要有不在同一直線上的3個點就可以確定旋轉變換矩陣R和平移變換矩陣T的值(R，T)。實際上，測量存在誤差，3個或多個測量點P測量經過變換(R，T)后不可能完全等于P理論，需要利用最小二乘擬合方法尋找一組最佳的(R，T)，使變換后各點與理論點的距離之和最小。
激光跟蹤儀的轉站計算就是利用最小二乘擬合方法求解最佳的(R，T)的過程。轉站算法由激光跟蹤儀的內部函數提供，測量軟件通過調用生產廠家提供的二次開發接口函數實現轉站。轉站后，自動彈出的轉站報告顯示了該次轉站各點相對于理論值的偏差，即轉站誤差。由于該誤差是由激光跟蹤儀在當前位置測量所得地標點數據直接與地標點理論值進行計算所得，不是在前面轉站數據的基礎上進行計算所得，因而不存在多次轉站間的誤差累積，同時轉站也不會對地標點的理論值產生影響。又由于每次轉站都與地標點的理論值進行比較計算，給出轉站誤差報告，相當于每次轉站都是在對地標點理論位置進行復核。
3 激光跟蹤儀在飛機總裝配測量中的應用
以雷達天線面板底座測量為例：
3.1 建站
以雷達天線面板底座的測量為例，在地面上選擇4個地標點作為基站。要求4個點均勻地分布在飛機左右兩側，且兩兩不能共線。
當激光跟蹤儀位于飛機右側時，首先建立站點1，如圖1所示。對飛機上12框和57框右側的點、55框下方的點進行測量，分別命名為R12、R57、M55，再對地面上的地標點進行測量。在測量過程中基站上的點固定不能移動，并進行順序編號(1、2、3、4)，并對每個點建立族。
相應地，將激光跟蹤儀設置在飛機左側建立站點2。按順序再次測量地面上的點，把相對應的點放入同一族中。對飛機上12框和57框左側的點、12框下側的點進行測量，分別命名L12、L57、M12。對站點1和站點2的同族點進行轉站計算，并進行誤差分析。
3.2 建立坐標系
原點在機頭正前方雷達罩頂點處，高度方向為Y向，其中向上為正;翼展方向為Z向，指向左翼為正;航向為X向，機頭指向機尾方向為正。首先利用L12、R12、L57、R57這4 個點構建平面 P L N 1 為飛機的水平構造面;通過點M12向平面PLN1作垂線，垂線即為Z軸方向;利用點M12、M55在PLN1上投影的連線構造直線1，直線1即為X軸;構造原點O12，M12在PNL1面上的投影點向X軸反方向平移(由飛機結構位置決定)即為坐標原點O12。其中X軸為逆航向方向，Y 軸為翼展向右方向，Z軸為垂直向上。
3.3 天線面板底座的水平測量
測量地面4個點，并重新建族。建立站點3，并激活。將激光跟蹤儀挪到合適位置，確保激光跟蹤儀既能夠同時測量地面4個點又能夠測量飛機雷達天線面板上的點。將站點3與站點2進行轉站計算，并進行誤差分析。再對雷達天線面板底座上的4個測量點(LD1、LD2、LD3、LD4)進行測量。
3.4 雷達天線面板底座的俯仰誤差和方位誤差的計算
1)俯仰誤差的計算
利用雷達天線面板底座上的4個測量點LD1、LD2、LD3、LD4構造雷達天線安裝平面，命名為LDPM。雷達天線安裝平面與飛機構造水平面的垂直度誤差，為俯仰誤差(飛機坐標系，向上取正值、向下取負值)。因此，雷達天線安裝平面的俯仰角即為雷達天線面板與飛機對稱中心面的夾角。將面與面的夾角轉換為線與線的夾角進行計算，利用雷達天線面板平面LDPM與坐標系XOY平面構造一條交線，命名為FYL，FYL與Y軸的夾角即為俯仰角。
2)方位誤差的計算
利用雷達天線面板底座上的4個測量點LD1、LD2、LD3、LD4構造雷達天線的安裝平面，命名LDPM。雷達天線安裝平面與飛機對稱面的垂直度誤差，為方位誤差(飛機坐標系，向右取正值、向左取負值)。因此，雷達天線安裝平面的方位角即為雷達天線面板與飛機水平構造面的夾角。將面與面的夾角轉換為線與線的夾角進行計算，利用雷達天線面板平面LDPM與坐標系XOZ平面構造一條交線，命名為FWL，FWL與Z軸的夾角即為方位角。
4 激光跟蹤儀結果誤差分析
1)測量誤差
激光跟蹤儀測量精度為10+5μm/m，即假設測量距離為10m，測量誤差為：
10μm +10μm×5μm =0.06mm
由于廠房內實際場地位置的限制，一般測量距離不超過5m，誤差為
10μm +5μm×5μm =0.035mm。
2)計算誤差
轉站的計算過程是要找到一組變換參數(R，T)，使??R×P測量+T-P理論?虻鬧底钚。?該計算采用最小二乘法，計算過程存在誤差，該誤差包括在轉站誤差中。
3)地標點的變化誤差
地標點嵌入在混凝土地面中，混凝土的熱膨脹系數為0.8-1.2×10-5μm/m/℃。按此計算，在距離為1 0 m ，溫度變化10℃時，混凝土可變形0.8～1.2mm。在轉站計算中，使用溫度補償方法可以部分地克服溫度變化的影響，但不可能完全消除溫度對測量的影響。實際測量時，溫度變化不會超過5℃，轉站距離不會超過10m，因此混凝土的最大變形量為0.4～0.6mm。
綜合考慮各因素的影響，確定跟蹤儀的最大轉站誤差為0.3mm。該容差保證在地標點包容的區域內，測量點綜合誤差不會超過0.3mm，從而保證了測量的精度。轉站過程中如果有測量點的轉站誤差大于0.3mm，表明該地標點出現了異常變化，必須棄用該點而選用其他滿足容差要求的地標點來進行轉站計算。實際使用時，各檢測點的轉站誤差誤差范圍一般為0～0.2mm，轉換為角度誤差為2.3'。
綜上所述，激光跟蹤儀完全滿足飛機機載設備裝配精度的最小測量誤差要求。
5 結束語
在總裝配過程中使用激光跟蹤儀進行測量后得到了一致好評。與傳統的測量方法相比，激光跟蹤儀不僅測量精度高，測量速度也有很大提升，能在短時間內采集大量數據信息，并可以直接對數據進行處理，輸出測量報告。一般只需要一名計算機操作員和一名手持反射鏡的工作人員就可以完成整個測量過程，大大提高工作效率，節省了資源。
摘自：中國計量測控網
