坐標測量法在機載設備安裝定位中的應用

許志林，彭金京

（1.中電科蕪湖通用航空產業技術研究院有限公司，安徽 蕪湖，241000；2.航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

用于測量飛機姿態、速度、加速度、空速等信息的設備在飛機上進行安裝的過程中，設備的測量軸需要與機體的相應軸線平行，對于無人機或電傳飛機，其安裝精度要求更高，因此，在實際安裝過程中，需要有可靠、精確的檢測方法，對設備安裝情況進行測量。

一般飛機在設計之初會考慮通過型架、模具等，在機體上布置對應的安裝平臺，提供盡可能高精度的安裝定位。傳統的金屬類飛機由于有工裝型架，可通過型架預設置高精度的安裝平臺，后續再通過工程方法檢驗一下即可，而對于復合材料飛機或臨時改裝的飛機，在設計之初未考慮相關的定位參考時，會帶來較大的安裝難題。

但即使是通過型架預設置的安裝平臺，如果采用可信度較高的檢測方法在設備安裝后再次進行復檢，可為設備的準確安裝提供更加可靠的保障。

本文介紹一種在設備安裝后對其定位情況進行檢測分析的方法，通過在飛機和設備上分別引出與其軸線有相對關系的測量點，利用全站儀建立當前飛機狀態的空間坐標系，測量各參考基準點的坐標，再利用三維軟件CATIA將坐標進行空間還原，借用輔助線和平面來計算設備軸線與飛機軸線的相對誤差，以分析安裝定位要求是否滿足設計需要。

本文中的全站儀也可使用其他可測量坐標點的設備代替，三維軟件CATIA也可用AuToCAD或UG等軟件代替。

1 坐標測量方法的基本原理

以慣性導航設備為例，慣性導航設備是利用慣性測量元件測量機載設備相對慣性空間的運動參數，機載設備本身一般具備三個測量軸，內部的加速度計和陀螺儀分別用于測量飛機的縱、橫、航向的線加速度和角速度。為保證慣性導航設備能夠準確測量飛機的姿態信息，設備在安裝時，要求設備的測量軸與飛機的軸線盡可能的平行，且有相應的精度要求。

坐標測量方法通過分別測量設備和飛機上的基準面或基準軸線上的某些測量點的坐標值，再通過坐標點連線、引垂線、作鉛垂面等方法，在虛擬三維空間中將基準面、基準線進行還原，利用三維軟件的測量模塊對安裝誤差進行計算分析。其實施步驟如圖1所示。

圖1 坐標測量方法和步驟

2 某型機慣導設備安裝方法介紹

2.1 安裝前的準備

慣導設備一般配置有過渡安裝板，在安裝設備前先保證安裝板的安裝精度，再將慣導設備直接安裝于過渡安裝板上即可。安裝前，先放置好全站儀和飛機的相對位置，全站儀應放置在飛機的側邊，偏離飛機對稱線一定的距離，同時與飛機也應保持一定的距離，以減小測量誤差對測量精度的影響，如圖2所示，建議全站儀距離機頭的航向距離不小于10m，距離飛機對稱面的距離不小于4m。分別將飛機和全站儀調成水平狀態，然后將過渡板安裝于安裝面上，通過加墊等方法將安裝板調整為水平狀態。

在準備測量的飛機和設備的基準點上分別做好標識記號，如果被測量設備位于全站儀難以觀察處，可通過增加工裝將相對測量基準引出至可觀察位置。本例中的被測量設備位于座艙內部，全站儀無法觀測到的位置，設計制作了一工字型工裝將基準面抬高至可觀測位置，進行間接測量。

圖2 全站儀與飛機放置的相對參考位置

為提高測量精度，分別在飛機對稱面上的機頭和平尾的位置各選擇一測量點，如圖2的A點和B點（該兩點用于定位飛機的對稱面）。在慣導安裝過渡板上引出一垂直于設備航向基準面，在基準面上標識兩個間距盡可能遠的測量點C和D（該兩點用于定位設備航向，定位距離的影響在下文的安裝精度分析中有原因分析）。

2.2 利用全站儀測量基準點坐標方法

將全站儀測量光標對準機頭測量點，設置全站儀測站點O點為坐標原點，后視角為0°，全站儀測量原理示意圖如圖3所示。全站儀的使用方法可參見所使用的設備說明書。在同一次測量過程中，應保持設備和飛機狀態不可移動，否則會造成不同點的相對坐標出現偏差，一旦在測量過程中誤碰到全站儀或飛機，導致其出現可能的微移動，應重新測量。

圖3 全站儀測量原理示意圖

在光標對準A點時，記錄A點的坐標（N1，E1，Z1）， 同樣方法分別記錄 B （N2，E2，Z2），C（N3，E3，Z3），D（N4，E4，Z4）。 四個坐標點測量完成后，即可開始數據分析。

在CATIA軟件的曲面設計模塊中，以全站儀測得的 N、E、Z值分別表示 X、Y、Z值， 分別繪制 A、B、C、D四點，則xy平面即為水平面，如圖4所示。由于測站點坐標為坐標原點，所以在CATIA中的原點即為觀測點位置。通過O點沿X軸正向作一直線，用于視圖中觀察X軸的方向，如圖中直線OA，此直線僅供視覺輔助，便于理解，不參與計算分析。

分別通過A、B點向水平面（xy面）作垂線，然后再利用此兩條平行的垂線作一平面，由于A、B點為飛機對稱面上的點，同時飛機對稱面為與水平面垂直的面，故通過A、B兩點的垂線所作的平面即為飛機對稱面。利用CATIA中曲面相交的命令，得出飛機對稱面與飛機水平面的交線，則該交線即為飛機的航向軸線。

本例中的C、D點利用水平儀進行了校準，為平行于水平面的點，同時該兩點在設備的橫軸和縱軸的平面上，因此該兩點的連線即為平行于設備橫軸的直線，通過測量直線CD與飛機對稱面法線的夾角，即可計算出設備基準軸線與飛機基準軸線的偏差。（該處如果C、D點與水平面不平行，也可利用前述A、B點引垂線的同樣方法作一平面來測量。此時，作出的平面的法線，即為設備的航向軸線，該軸線與前述A、B點作出的飛機航向軸線的夾角即為設備與飛機軸線的偏差。）

圖4 CATIA中還原基準測量結果示意圖

本例中，設備的水平面已在測量前調整至與飛機一致的水平面，因此，在后續的調整過程中，僅需要再調整設備的一個基準面與飛機的基準面重合即可。在實際操作中，為了保證安裝精度，需要多次反復測量與調整，才能達到滿意的安裝精度。在操作時，為了判斷調整方向，可將偏差夾角投影至飛機對稱面和水平面，以輔助判斷調整方向。

3 安裝精度分析

設備在安裝過程中，由于存在各種誤差因素的影響，會降低設備的實際安裝精度，如選取的基準點與真實基準的偏差、飛機和設備在調水平時的水平面誤差、測量設備全站儀的測量精度導致的測量誤差、附加的工裝設備的制造誤差等。由于機械制造加工的誤差很小，相對于本例中其它誤差情況基本可以忽略，故不再單獨分析。

3.1 基準點位置誤差分析

以2.2節的應用為例，分析基準點誤差的影響。如圖4所示，由于本例中A、B點無型架可提供支持，故A、B點的定位精度是由人眼識別的，誤差較大。假如A、B點距離飛機實際對稱面的誤差為±1mm，A、B點在水平面上的投影距離為10m，則由A、B點在CATIA虛擬空間中作出的對稱面與真實空間的對稱面誤差偏角為：

由本計算結果可知，由于A、B兩點之間距離較遠，一定程度上減小了兩點本身誤差對于基準面誤差的影響。

本例中過渡板由于位于全站儀不可直接觀測到的位置，故C、D點需要借用工裝引出測量點，如圖5所示。引出的測量工裝采用剛度較好的剛性材料，以降低變形對測量精度的影響，同時為降低C、D點的軸線相對誤差，將C、D點設置于工字型工裝的前邊緣上，在工裝安裝后，在其上表面用水平儀再次進行水平校準，通過該兩種方式處理后，C、D點建立的軸線因工裝引起的誤差基本可以忽略（機械加工的平面度和直線度誤差極小）。此時，只有水平儀校準時水平儀本身的測量誤差，以精度為0.01°的水平儀為例，C、D點建立的軸線誤差僅有0.01°。

圖5 慣導過渡板的引出工裝

3.2 水平面誤差分析

飛機和全站儀的水平定位是以某水平側量儀進行定位，該測量儀的定位精度為0.01°，則飛機和全站儀各自的水平面的最大相對誤差為0.02°（實際操作中往往將水平儀調至0.00°，該處為分析最大誤差，將其假定為 0.01°）。

3.3 全站儀測量精度誤差分析

全站儀儀器本身具有一定的測量精度，如坐標測量時，普通設備的精度為1mm，高精度的可以達到0.1mm。本例以0.1mm精度的測量精度，分析設備的精度對測量結果的影響。

A、B點確定的基準面受測量精度影響的誤差偏角為：

設C、D點相距為30mm，則C、D點確定的軸線受測量精度影響的誤差偏角為：

3.4 誤差累積分析

本例中，將各種誤差按最大情況綜合考慮，故誤差的累積采用直接求和而不考慮夾角的情況。

基準點的總誤差為：0.011°+0.01°=0.021°；

飛機水平面和全站儀水平面的相對誤差為0.02°；

全站儀設備自身測量精度導致的誤差為：0.001°+0.038°=0.039°。

故最終測量誤差累積最大約為0.08°。

4 結論

為解決機載設備安裝后的定位測量問題，本文采用坐標測量設備對飛機和設備基準面/線上的點進行坐標測量，再通過三維軟件將對應的基準面/線在虛擬空間中進行基準面/線還原，以此來計算設備的安裝定位情況。

通過對安裝精度的分析可知，在基準面/線上選擇基準點時，可盡量使選擇的點之間的距離加大，以此降低誤差對最終測量結果的影響。本例中A、B點距離較遠，其產生的誤差影響就比C、D點要小得多。本例中的方法還可以應用于其他需要進行軸線定位的設備，如空速管、加速度計、速度陀螺、姿態儀、發動機軸線等。