飛機(jī)水平測(cè)量又稱飛機(jī)的特征點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量這些特征點(diǎn)來(lái)檢測(cè)飛機(jī)總體裝配質(zhì)量。目前飛機(jī)水平測(cè)量工作使用的測(cè)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(jī)水平測(cè)量方法是采用水平儀、光學(xué)經(jīng)緯儀對(duì)水平點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。該方法采用人工讀數(shù)、記錄和手工計(jì)算，需對(duì)飛機(jī)調(diào)整水平狀態(tài)，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、人為誤差大、自動(dòng)化程度低。近年來(lái)，激光跟蹤儀、全站儀等先進(jìn)數(shù)字化儀器在飛機(jī)水平測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，一定程度的提高了飛機(jī)水平測(cè)量的精度、自動(dòng)化程度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。但全站儀作水平測(cè)量時(shí)需輔助設(shè)備單棱鏡配合使用，測(cè)量精度無(wú)法滿足特殊機(jī)型的高精度測(cè)量要求。激光跟蹤儀測(cè)量精度高，但其測(cè)量時(shí)易斷光、接觸式測(cè)量、需轉(zhuǎn)站等問(wèn)題，使其不適合對(duì)大型飛機(jī)的測(cè)量。本文介紹的飛機(jī)數(shù)字化水平測(cè)量技術(shù)具有精度高、效率高、工作量小等優(yōu)勢(shì)，尤其適合于大飛機(jī)。測(cè)量系統(tǒng)的多功能、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，使其可擴(kuò)展應(yīng)用到飛機(jī)型面檢測(cè)、動(dòng)態(tài)對(duì)接等技術(shù)上，且具有良好的應(yīng)用前景。
測(cè)量系統(tǒng)硬件組成及其測(cè)量原理
測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成：iGPS測(cè)量系統(tǒng)、激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)。
1 iGPS
iGPS采用基于三角定位法的測(cè)量技術(shù)，iGPS測(cè)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(guò)接收來(lái)自發(fā)射器的信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算從而進(jìn)行定位。每個(gè)iGPS發(fā)射器的測(cè)量范圍有40m，任意數(shù)量的iGPS發(fā)射器可以用來(lái)組建連續(xù)的iGPS測(cè)量空間，而iGPS的系統(tǒng)誤差在整個(gè)測(cè)量空間是近似均勻分布的。iGPS定位精度最高可達(dá)0.2mm(2σ)，測(cè)量范圍可根據(jù)配置情況無(wú)限延伸，這使得iGPS在測(cè)量大型部件時(shí)能一次完成所有的測(cè)量任務(wù)而無(wú)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(cè)量模型為F =（R 、A 、E ）T ，其中，R為發(fā)射器到被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的距離、E為俯仰角、A為水平角。被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)為圓柱傳感器的中心點(diǎn)，接受發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)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(cè)量空間。
iGPS激光發(fā)射器發(fā)送兩個(gè)紅外扇形激光信號(hào)，一個(gè)紅外LED 頻閃脈沖信號(hào)。
俯仰角E通過(guò)兩個(gè)激光扇面分別掃觸到接收器的時(shí)間差計(jì)算。
水平角A的計(jì)算是通過(guò)脈沖信號(hào)掃觸的時(shí)間與兩個(gè)扇面掃觸時(shí)間的平均值的時(shí)間差來(lái)獲得。
2 激光雷達(dá)
激光雷達(dá)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)是自動(dòng)化、便攜式、高精度、非接觸的大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。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(cè)物體的表面，且測(cè)量范圍較小等局限。激光雷達(dá)運(yùn)用頻率雷達(dá)測(cè)距技術(shù)和紅外線高精度瞄準(zhǔn)鏡，通過(guò)得到角度和距離信息計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的正確三維位置。激光雷達(dá)可完成大尺寸遠(yuǎn)距離自動(dòng)化測(cè)量，其距離測(cè)量范圍為1~24m 或1~60m，角度范圍測(cè)量-45°～ 45°，測(cè)量精度為10μm+10μm/m（ 2σ）。
激光雷達(dá)測(cè)距原理：激光器發(fā)出兩束激光，一束射到被測(cè)工件表面并返回到達(dá)激光器內(nèi)部；另一束射向內(nèi)部校準(zhǔn)光纖。接收器接收返回信號(hào)，通過(guò)混頻器比較出兩束激光的頻率差得出兩束激光的時(shí)間差，再通過(guò)時(shí)間與距離的關(guān)系便可以計(jì)算出激光測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)點(diǎn)的之間絕對(duì)距離[1]。
目標(biāo)工具球空間球心坐標(biāo)的計(jì)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(dá)位置為原點(diǎn)的相對(duì)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(jī)總裝后外形尺寸的要求、各系統(tǒng)校準(zhǔn)要求，觀察點(diǎn)的位置及自動(dòng)化程度要求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)。測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
測(cè)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(jì)。
激光發(fā)射器的布局根據(jù)單個(gè)激光發(fā)射器的覆蓋范圍、飛機(jī)的外形尺寸、以及測(cè)量點(diǎn)的分布（主要分布在飛機(jī)的機(jī)翼底部、機(jī)身、垂尾、進(jìn)氣道唇口、鴨翼等部位上）進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3為14發(fā)射器的iGPS測(cè)量系統(tǒng)布局。
在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)被測(cè)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(cè)量點(diǎn)被覆蓋，且每個(gè)點(diǎn)到最近的激光發(fā)射器的位置大于等于2m即可，與此同時(shí)盡可能保證發(fā)射器之間距離在7~15m。
（2）激光雷達(dá)布站。
激光雷達(dá)具有較高的靈活性和便攜性，因而在測(cè)量廠內(nèi)可根據(jù)測(cè)量點(diǎn)或物體的位置而隨意地?cái)[放位置。圖4為4站點(diǎn)布局圖。激光雷達(dá)擺放位置由以下因素決定： #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
a. 激光雷達(dá)離被測(cè)點(diǎn)在測(cè)量范圍以內(nèi)，測(cè)量光線與被測(cè)面的角度大于10°。
b. 轉(zhuǎn)站次數(shù)。
2 飛機(jī)水平測(cè)量流程
（1）區(qū)域劃分：根據(jù)被測(cè)量的飛機(jī)整機(jī)水平點(diǎn)的位置來(lái)劃分區(qū)域，可接觸的水平點(diǎn)使iGPS 測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，不可接觸的水平點(diǎn)則使用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。
（2）測(cè)量坐標(biāo)系建立：進(jìn)行激光雷達(dá)布站及iGPS 布局。
（3）確定iGPS、激光雷達(dá)各自的測(cè)量坐標(biāo)系。將iGPS 與激光雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)一成測(cè)量坐標(biāo)系。
（4）水平點(diǎn)的測(cè)量：用iGPS 測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量探針—— iProbe 測(cè)量飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)身兩側(cè)、鴨翼和機(jī)翼下方、機(jī)腹等部位可方便接觸到的水平點(diǎn)。用激光雷達(dá)測(cè)量飛機(jī)的機(jī)背、垂尾、進(jìn)氣道等處不易接觸到的水平點(diǎn)。
（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(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為飛機(jī)水平測(cè)量坐標(biāo)系，即建立飛機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系。
（6）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)水平測(cè)量檢測(cè)表的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到飛機(jī)裝配質(zhì)量；或?qū)⒈粶y(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)值與這些點(diǎn)的理論坐標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算飛機(jī)整機(jī)水平點(diǎn)變形量偏差。
（7）分別根據(jù)各自測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，最后統(tǒng)一坐標(biāo)系，建立飛機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系并且與飛機(jī)理論坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理后輸出報(bào)告（圖5）。
系統(tǒng)軟件
“飛機(jī)全機(jī)水平測(cè)量及校準(zhǔn)系統(tǒng)”軟件，將本著操作簡(jiǎn)潔、省時(shí)、測(cè)量流程易于實(shí)施、數(shù)據(jù)管理專業(yè)的原則來(lái)設(shè)計(jì)。軟件界面為簡(jiǎn)體中文界面，運(yùn)行環(huán)境兼容Windows XP 64位操作系統(tǒng)，具有登錄模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、測(cè)量報(bào)告生成模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等功能模塊[2]。
軟件可以在普通用戶和高級(jí)用戶模式之間切換；具有用戶賬戶管理功能和飛機(jī)架次管理功能，能根據(jù)定義的用戶權(quán)限實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能；測(cè)量報(bào)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(jì)流程如圖7所示。
實(shí)驗(yàn)
對(duì)某型飛機(jī)分別采用傳統(tǒng)式水平測(cè)量方法、基于激光雷達(dá)和iGPS測(cè)量系統(tǒng)的水平測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，所用時(shí)間、測(cè)量精度對(duì)比分別見表1、表2。
由表1的時(shí)間可以看出，使用數(shù)字化水平測(cè)量技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)水平測(cè)量所用的時(shí)間比傳統(tǒng)水平測(cè)量方式所用的時(shí)間小得多，約為傳統(tǒng)水平測(cè)量所用時(shí)間的1/4。
由表2可以看出，數(shù)字化水平測(cè)量的精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水平測(cè)量精度至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
結(jié)論
本文根據(jù)現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展要求，針對(duì)目前飛機(jī)水平測(cè)量的不足，詳細(xì)介紹了大尺寸飛機(jī)數(shù)字化水平測(cè)量系統(tǒng)的組成及方案。本文提到的飛機(jī)水平測(cè)量技術(shù)通過(guò)多次實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)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(shì)，且具有高應(yīng)用性。(end)
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