MetroIn在大尺寸天線罩安裝測量中的應用

王瑞鵬，李東敏，李廣云，范百興

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2 河南省國土資源調查規劃院，河南 鄭州 450016)

MetroIn在大尺寸天線罩安裝測量中的應用

王瑞鵬1，李東敏2，李廣云1，范百興1

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2 河南省國土資源調查規劃院，河南 鄭州 450016)

闡述大尺寸天線罩的高精度安裝測量方案，基于MetroIn工業測量軟件平臺對測量數據進行處理和分析，全方位實時指導天線罩的現場安裝。通過對一臺口徑為5 m的天線進行防護罩安裝測量，驗證方案的正確性，表明其理論和技術成功可行。

MetroIn；大尺寸； 安裝測量；圓錐擬合；拋物面擬合；球擬合

雷達天線的主要任務是預警，可快速、全面地感知區域信息，是保證國防安全的基礎設施，通常建立在邊境前沿，如孤島、海岸等自然條件比較極端的區域，隨時面臨大風襲擊、雨雪侵蝕等威脅。隨著天線口徑的規模增大，其設計越難、造價越高、重要性越強。為了保證以及延長天線的使用壽命，削弱來自外界的威脅，給天線安裝防護罩，同時又不影響其正常工作就顯得特別重要和必要。

天線罩的設計方面，主體是穩定的三角網鋼結構，面上是一層極薄、韌性極強的防護膜，不影響天線信號的接收與傳送。天線罩下端有一個圓環狀承載平臺，可以保證其穩定性以及360°全方位旋轉。承載平臺有較高的平面度及穩定性指標，下方是深入地下并高于地面的若干支撐柱。

為了將天線罩的安裝測量誤差降到最低以減小其對天線性能的影響，安裝測量有很多嚴格指標：天線罩與天線的同心度、承載平臺的平面度、天線罩的球形度、支撐柱的位置精度等等。為了實現大尺寸天線罩的高精度安裝測量，本文提出完善的測量方案，硬件采用TDA5005、T3000等工業級全站儀/經緯儀，采用MetroIn軟件進行數據采集、處理和分析。

1 測量方案設計

1.1 高精度基礎控制網

為保證天線罩測量過程中的精度，在天線四周合適的位置布設4個建于基巖上的強制對中觀測墩，組成安裝測量的基礎控制網，如圖1所示。基礎控制網作為整個天線罩安裝測量的坐標系基準，所有的安裝測量數據都在該基準下進行。

在多次重復測量過程中，儀器不可能每次都安置在強制對中墩的同一位置，所以需要復現基礎控制網坐標系。在現有的天線底座上，布設10個高程基準參考點，并在基礎坐標系下測量各個參考點的坐標值Pi(xi,yi,zi)。

圖1 基礎控制網

1.2 天線中心點測量

天線中心是天線罩測量的基準點，也是天線橫軸和豎軸的交點。由于天線中心是一個虛擬點，無法直接觀測，所以采用轉動測量法得到天線的橫軸線和豎軸線，計算兩軸線的交點求出天線中心。

在天線A，B面背架的合適位置上各粘貼一個測量標志，如圖2所示。啟動天線進行俯仰旋轉，每旋轉20°停止，對A，B面的標志點進行測量。由于兩個標志點到天線橫軸的距離不同，當天線俯仰轉動時，兩個標志點的運動軌跡是一大一小的兩個圓O1,O2，兩圓圓心與天線中心應在同一橫軸線上。因此，對O1,O2測量點作標準圓錐擬合(見圖3)求出天線橫軸線。同樣的方法對天線進行水平旋轉，求出豎軸線。計算橫軸線和豎軸線的交點得到天線中心。

圖2 天線俯仰軸

1.3 天線拋物面軸線測量

天線罩底部鋼結構是由等十邊形構成，由于十邊形的方位設計值以天線北方向(方位零度，起始邊)為參考，因此需要測量天線北方向在基準坐標系中的方位，用天線拋物面軸線與+X軸的夾角來表示。

將天線轉到天線北方向，在天線拋物面表面粘貼若干工業測量標志點，由內及外均勻分布。對這些標志點進行前方角度交會測量，最后通過對測量標志點坐標進行拋物面擬合(見圖4)來確定天線軸線方位。

圖3 標準圓錐擬合

圖4 拋物面擬合

1.4 放樣測量

1.4.1 支撐柱放樣

天線罩承載平臺共有6根等間距分布的支撐柱，支撐柱等間距分布在以天線中心為圓心、半徑為3909 mm的圓周上(見圖5)，其放樣工作包括平面放樣和高程放樣。

圖5 支撐柱平面放樣示意圖

在天線現有基礎建筑平臺上，設置高程過渡點O1，并測量其高程。根據天線中心的高程和承載平臺的高程設計值，以O1的坐標為控制承載平臺施工中高程的基準對支撐柱的高程進行放樣。根據天線中心的平面坐標(X0，Y0)和承載平臺設計半徑，通過式(1)計算得到支撐柱Ci(i=1，2，…，6)的平面坐標值，根據計算值對支撐柱的平面坐標進行放樣。

(1)

1.4.2 天線罩底邊等十邊形放樣

天線罩底邊等十邊形方位線的放樣點為等十邊形內切圓與對應方位直線的交點。每條邊5個點，共計50個放樣點。從十邊形任意兩條邊的頂點開始，第一條邊的每兩個點與圓心的夾角依次為2°(頂點與第一點)、4°(第一、二點)、12°、12°、4°，第二條邊則為4°(上條邊最后點與該邊第一點)、4°(第一、二點)、12°、12°、4°，以此類推。放樣點在基準坐標系中的水平坐標通過式(2)計算得到。

(2)

式中：3 623是設計方提供的內切圓半徑值，mm。

根據天線中心點在基準坐標系中的坐標，50個放樣點在基準坐標系中的高程坐標值Zi通過式(3)計算得到。

Zi=Z0-5 150.

(3)

1.5 承載平臺的水平度檢測

承載平臺建好并穩定以后，對其高程和平面度進行檢測。用TDA5005全站儀及CCR1.5″球棱鏡對天線罩底部十邊形上螺栓附近的點進行采樣，并對采樣點坐標進行平面擬合，計算承載平臺的高程和平面度。

1.6 球形度檢測和復測

天線罩組裝完畢后，用全站儀對其球形度進行檢測，以反映天線罩結構的加工誤差。測量點為天線罩內部法蘭節點，并對所有測量點進行球面擬合和天線罩底邊平面擬合，以檢驗天線罩的球形度和天線罩底邊的平面度。為了檢測天線罩安裝的不同方位對信號接收的影響，對天線罩進行多次吊裝，并在每次吊裝后對天線罩球形度進行復測。

2 實測結果及分析

采用4臺儀器分別在觀測墩設站測量并解算，基礎控制網成功解算并建立后，得到4個觀測墩在基準坐標系O-XYZ中的坐標。對天線背架上的測量標志進行測量，通過標準圓錐擬合求出天線橫軸線和豎軸線以及天線中心點坐標。

2.1 天線拋物面軸線測量結果

拋物面擬合結果如圖6所示，測量的總均方根誤差為1.392 mm，天線中心點到拋物面軸線的距離為45.357 mm。從以上結果可以看出，天線在經過長時間的使用后，天線面型有了一定程度的變形，導致拋物面軸線不能通過天線中心點。

2.2 承載平臺水平度檢測結果

承載平臺平面擬合結果如圖7所示，測量的總均方根誤差為4.432 mm，點位誤差的極小值為-10.219 mm，極大值為7.181 mm，說明支撐臺具有良好的平面度。但是大部分測量點高程比設計值低20 mm左右，其原因主要有以下幾個方面：水泥凝固影響、整體沉降影響、施工誤差影響。

圖7 平面擬合結果

2.3 天線球形度檢測及復測結果

通過球面擬合解算，天線罩中心點坐標為(-701.546，-175.482，3 776.238)，天線罩徑向偏差的總均方根誤差為5.999 mm，極小值為-15.077 mm，極大值為21.089 mm，偏差范圍為36.166 mm，天線罩總體誤差在設計范圍內。天線罩底面的平面度誤差為17.779 mm，說明天線罩底邊十邊形Z方向變形比較大，這是由制造誤差導致的。通過計算得到天線的中心與天線罩的球心在高程上相差2.965 mm左右(不包括天線罩底邊誤差)，符合設計的要求。

在天線罩多次吊裝后，進行球形度復測，對所有測量點進行標準球擬合。解算結果中，總均方根誤差17.110 mm，極小值為-48.344 mm，極大值為49.019 mm，偏差范圍為97.363 mm，說明天線罩在反復吊裝過程中有較大程度的變形。

3 結束語

本文對大尺寸天線罩精密安裝測量的關鍵技術進行研究，提出完整的測量方案。首次將高精度工業測量系統應用于天線罩安裝測量，并基于MetroIn平臺進行數據采集、存儲、分析及處理，最后在實際應用中取得很好的效果。同時，天線電測結果優于設計指標也從另一方面反映天線罩安裝的正確性。這是國內首次大尺寸天線罩安裝的成功實踐，為以后解決此類問題提供參考。

[1]李廣云，李宗春.工業測量系統原理與應用[M].北京：測繪出版社，2010.

[2]李廣云，李宗春.經緯儀工業測量系統用于大型多波束天線的安裝與調整[J].測繪通報，2000(8):41-42.

[3]王晉疆，金素坤，邸旭，等.經緯儀測量系統在工業測量中的應用[J].光電工程，2003,30(1):53-55.

[4]潘國榮.大型設備安裝測量的精密定位[J].測繪通報，1993(5):15-16.

[5]黃桂平，毋新房.經緯儀大尺寸三坐標測量系統MetroIn用于長河閘門的安裝與檢測[J].計量技術， 2002(10):9-11.

[6]孫景領，黃騰.精密三維坐標法在鋼索塔立式匹配測量中的應用[J]. 測繪工程，2013,22(1):55-56.

[7]鞏秀強，王解先.圓錐形曲面的擬合[J].工程勘察，2010(10)：79-82.

[8] 馬書英，張凱，朱祥頂.國家體育場主桁架施工測量[J].測繪工程，2013,22(4):58-59.

[9] 鄧勇，李宗春，范百興，等.MetroIn在飛船精度測量中的應用[J].導彈與航天運載技術，2009(1):47-48.

[責任編輯：張德福]

Application of MetroIn system to the measurement of large-scale radome installation

WANG Rui-peng1，LI Dong-min2，LI Guang-yun1，FAN Bai-xing1

(1.Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China; 2. He’nan Land and Resources Inventory and Planning Institute, Zhengzhou 450016, China)

It introduces a precise measurement solution of large-scale radome installation. Data is processed and analyzed with MetroIn software platform of industrial measurement to provide Omni-directional real-time guidance of radome installation. The validity of this solution is verified by measuring a 5m diameter radome, and the feasibility of measurement of large-scale radome installation is proved.

MetroIn；large-scale；installation survey；conic fitting；parabolic fitting；sphere fitting

2014-04-24

國家自然科學基金資助項目(41274014;41101446)

王瑞鵬(1990-)，男，碩士研究生.

TU198

：A

：1006-7949(2014)11-0043-03