飛機水平測量又稱飛機的特征點測量，通過測量這些特征點來檢測飛機總體裝配質(zhì)量。目前飛機水平測量工作使用的測量工具包括水平儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等。傳統(tǒng)飛機水平測量方法是采用水平儀、光學(xué)經(jīng)緯儀對水平點進行測量。該方法采用人工讀數(shù)、記錄和手工計算，需對飛機調(diào)整水平狀態(tài)，測量過程復(fù)雜、人為誤差大、自動化程度低。近年來，激光跟蹤儀、全站儀等先進數(shù)字化儀器在飛機水平測量中的廣泛應(yīng)用，一定程度的提高了飛機水平測量的精度、自動化程度，降低了勞動強度。但全站儀作水平測量時需輔助設(shè)備單棱鏡配合使用，測量精度無法滿足特殊機型的高精度測量要求。激光跟蹤儀測量精度高，但其測量時易斷光、接觸式測量、需轉(zhuǎn)站等問題，使其不適合對大型飛機的測量。本文介紹的飛機數(shù)字化水平測量技術(shù)具有精度高、效率高、工作量小等優(yōu)勢，尤其適合于大飛機。測量系統(tǒng)的多功能、高擴展性等特點，使其可擴展應(yīng)用到飛機型面檢測、動態(tài)對接等技術(shù)上，且具有良好的應(yīng)用前景。 

測量系統(tǒng)硬件組成及其測量原理 

測量系統(tǒng)由兩部分組成：iGPS測量系統(tǒng)、激光雷達測量系統(tǒng)。 

       1 iGPS 

iGPS采用基于三角定位法的測量技術(shù)，iGPS測量系統(tǒng)類似“衛(wèi)星”網(wǎng)絡(luò)（“衛(wèi)星”就是發(fā)射器）。接收器通過接收來自發(fā)射器的信號進行處理和計算從而進行定位。每個iGPS發(fā)射器的測量范圍有40m，任意數(shù)量的iGPS發(fā)射器可以用來組建連續(xù)的iGPS測量空間，而iGPS的系統(tǒng)誤差在整個測量空間是近似均勻分布的。iGPS定位精度最高可達0.2mm(2σ)，測量范圍可根據(jù)配置情況無限延伸，這使得iGPS在測量大型部件時能一次完成所有的測量任務(wù)而無需多次轉(zhuǎn)站。 

      如圖1所示，在發(fā)射器自身坐標(biāo)系下，極坐標(biāo)測量模型為F =（R 、A 、E ）T ，其中，R為發(fā)射器到被測目標(biāo)點的距離、E為俯仰角、A為水平角。被測目標(biāo)點為圓柱傳感器的中心點，接受發(fā)射器發(fā)出的信號信息，解算出A和E。水平角和俯仰角的激光范圍構(gòu)成了發(fā)射器的測量空間。

iGPS激光發(fā)射器發(fā)送兩個紅外扇形激光信號，一個紅外LED 頻閃脈沖信號。 

俯仰角E通過兩個激光扇面分別掃觸到接收器的時間差計算。 
水平角A的計算是通過脈沖信號掃觸的時間與兩個扇面掃觸時間的平均值的時間差來獲得。 
 

2 激光雷達 

       激光雷達光學(xué)測量系統(tǒng)是自動化、便攜式、高精度、非接觸的大型三坐標(biāo)測量機。其擺脫了現(xiàn)有的非接觸系統(tǒng)大部分都需將傳感器或掃描頭盡可能靠近被測物體的表面，且測量范圍較小等局限。激光雷達運用頻率雷達測距技術(shù)和紅外線高精度瞄準鏡，通過得到角度和距離信息計算被測點的正確三維位置。激光雷達可完成大尺寸遠距離自動化測量，其距離測量范圍為1~24m 或1~60m，角度范圍測量-45°～ 45°，測量精度為10μm+10μm/m（ 2σ）。 

       激光雷達測距原理：激光器發(fā)出兩束激光，一束射到被測工件表面并返回到達激光器內(nèi)部；另一束射向內(nèi)部校準光纖。接收器接收返回信號，通過混頻器比較出兩束激光的頻率差得出兩束激光的時間差，再通過時間與距離的關(guān)系便可以計算出激光測量系統(tǒng)與被測點的之間絕對距離[1]。 

目標(biāo)工具球空間球心坐標(biāo)的計算公式：

       式中R為空間距離，θAZ為R與XY平面的夾角，θEL為R在XY平面的投影距離與X方向的夾角，最終得到以激光雷達位置為原點的相對坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。 

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 

       根據(jù)飛機總裝后外形尺寸的要求、各系統(tǒng)校準要求，觀察點的位置及自動化程度要求，對整個系統(tǒng)進行了集成設(shè)計。測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測量方案 

1 確定設(shè)備位置布局 

（1）iGPS 激光發(fā)射器的布局設(shè)計。 

       激光發(fā)射器的布局根據(jù)單個激光發(fā)射器的覆蓋范圍、飛機的外形尺寸、以及測量點的分布（主要分布在飛機的機翼底部、機身、垂尾、進氣道唇口、鴨翼等部位上）進行設(shè)計。圖3為14發(fā)射器的iGPS測量系統(tǒng)布局。

        在實際應(yīng)用中，可根據(jù)被測物的尺寸和位置而隨意擺放和調(diào)整激光發(fā)射器的位置，只要保證所有的測量點被覆蓋，且每個點到最近的激光發(fā)射器的位置大于等于2m即可，與此同時盡可能保證發(fā)射器之間距離在7~15m。 

（2）激光雷達布站。 

       激光雷達具有較高的靈活性和便攜性，因而在測量廠內(nèi)可根據(jù)測量點或物體的位置而隨意地擺放位置。圖4為4站點布局圖。激光雷達擺放位置由以下因素決定： #p#分頁標(biāo)題#e#

a. 激光雷達離被測點在測量范圍以內(nèi)，測量光線與被測面的角度大于10°。 
b. 轉(zhuǎn)站次數(shù)。

2 飛機水平測量流程 

（1）區(qū)域劃分：根據(jù)被測量的飛機整機水平點的位置來劃分區(qū)域，可接觸的水平點使iGPS 測量系統(tǒng)來進行測量，不可接觸的水平點則使用激光雷達測量系統(tǒng)進行測量。 
（2）測量坐標(biāo)系建立：進行激光雷達布站及iGPS 布局。 
（3）確定iGPS、激光雷達各自的測量坐標(biāo)系。將iGPS 與激光雷達坐標(biāo)系統(tǒng)一成測量坐標(biāo)系。 
（4）水平點的測量：用iGPS 測量系統(tǒng)的測量探針—— iProbe 測量飛機機頭、機身兩側(cè)、鴨翼和機翼下方、機腹等部位可方便接觸到的水平點。用激光雷達測量飛機的機背、垂尾、進氣道等處不易接觸到的水平點。 
（5）數(shù)字調(diào)平：即根據(jù)調(diào)平條件在軟件中將當(dāng)前測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為飛機水平測量坐標(biāo)系，即建立飛機基準坐標(biāo)系。 
（6）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)水平測量檢測表的要求對數(shù)據(jù)進行處理，得到飛機裝配質(zhì)量；或?qū)⒈粶y點三維坐標(biāo)數(shù)值與這些點的理論坐標(biāo)值進行比較，計算飛機整機水平點變形量偏差。 
（7）分別根據(jù)各自測量系統(tǒng)的特點進行測量，最后統(tǒng)一坐標(biāo)系，建立飛機基準坐標(biāo)系并且與飛機理論坐標(biāo)系進行統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理后輸出報告（圖5）。

系統(tǒng)軟件 

        “飛機全機水平測量及校準系統(tǒng)”軟件，將本著操作簡潔、省時、測量流程易于實施、數(shù)據(jù)管理專業(yè)的原則來設(shè)計。軟件界面為簡體中文界面，運行環(huán)境兼容Windows XP 64位操作系統(tǒng)，具有登錄模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、測量報告生成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊等功能模塊[2]。

       軟件可以在普通用戶和高級用戶模式之間切換；具有用戶賬戶管理功能和飛機架次管理功能，能根據(jù)定義的用戶權(quán)限實現(xiàn)對應(yīng)的功能；測量報告以word、Excel或pdf等格式輸出。其軟件界面如圖6所示，軟件設(shè)計流程如圖7所示。

實驗 

       對某型飛機分別采用傳統(tǒng)式水平測量方法、基于激光雷達和iGPS測量系統(tǒng)的水平測量方法進行測量，所用時間、測量精度對比分別見表1、表2。

        由表1的時間可以看出，使用數(shù)字化水平測量技術(shù)進行飛機水平測量所用的時間比傳統(tǒng)水平測量方式所用的時間小得多，約為傳統(tǒng)水平測量所用時間的1/4。 

      由表2可以看出，數(shù)字化水平測量的精度遠高于傳統(tǒng)水平測量精度至少兩個數(shù)量級。 
 

結(jié)論 

       本文根據(jù)現(xiàn)代飛機制造業(yè)的發(fā)展要求，針對目前飛機水平測量的不足，詳細介紹了大尺寸飛機數(shù)字化水平測量系統(tǒng)的組成及方案。本文提到的飛機水平測量技術(shù)通過多次實際測量驗證，實驗結(jié)果顯示了該技術(shù)具有精度高、效率高、工作量小等優(yōu)勢，且具有高應(yīng)用性。(end)