CN101858754A - 一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法。包括如下步骤：1)将飞机调平，并使得激光跟踪仪的测量坐标系与飞机总装配站位的装配坐标系统一；2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，由计算机自动构建飞机对称轴线；3)启动测量程序，采用手动或自动测量模式完成惯导校准模板上的靶标点测量；4)计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差和航向偏差，如果达到要求则完成惯导水平测量，否则转步骤5)继续调整；5)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤3)～步骤4)，直至水平偏差和航向偏差达到要求。本发明可有效提高测量精度，大幅提升测量效率；进一步提高了飞机总装的自动化、集成化水平。

Description

一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法

技术领域

本发明涉及测量方法，尤其涉及一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法。

背景技术

在现代先进战机中，惯导系统已成为导航、飞控和火控系统最核心的信息源，直接影响作战任务的完成与飞行安全。保证惯导部件的准确安装是保障其正常工作的前提和基础。多年来我国的惯导水平测量方法依然沿袭着传统的光学测量手段，自动化程度低，测量数据的可信度差，严重抑制了测量精度的提高和测量效率的提升。

发明内容

本发明的目的是针对传统光学校靶技术的不足和提升飞机总装配自动化、集成化水平的迫切需求，提供一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法。

应用于飞机总装配的惯导水平测量方法包括如下步骤：

1)将飞机调平，并使得激光跟踪仪的测量坐标系与飞机总装配站位的装配坐标系统一；

2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线；

3)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导水平测量模板上的靶标点测量；

4)计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差，即俯仰偏差和倾斜偏差，提示调整方向，如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板水平向测量，转步骤6)开始纵向调整，否则转步骤5)继续调整；

5)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤3)～步骤4)，直至水平偏差达到要求；

6)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导航向测量模板上的靶标点测量；

7)计算并图形显示惯导校准模板的航向偏差，提示调整方向。如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板纵向测量，并且惯导水平测量结束，否则转步骤8)继续调整；

8)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤6)～步骤7)，直至达到惯导水平测量要求。

所述的惯导水平测量装置包括惯导水平测量模板、惯导航向测量模板、水平测量模板上的4个靶标及靶标座、航向测量模板上的2个靶标及靶标座，惯导水平测量模板和惯导航向测量模板组成了惯导校准模板。

所述的利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线步骤包括：

1)利用激光跟踪仪测量2#、12#两个测量点P_2#，P_12#：

P_2#＝(x_2#，y_2#，z_2#)，P_12#＝(x_12#，y_12#，z_12#)；

2)将P_2#，P_12#投影至XOZ平面，获得投影点P_2# ^⊥XOZ，P_12# ^⊥XOZ：

$P_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{2\#},0,z_{2\#}),$ $P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{12\#},0,z_{12\#});$

3)则P_12# ^⊥XOZP_2# ^⊥XOZ即确定飞机对称轴线L：

$L\left(t\right)=P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}+t\·d$

其中， $d=\frac{P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}{P}_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}}{\left|\right|P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}{P}_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}\left|\right|},$ 表征飞机对称轴线L的方向。

所述的计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差和航向偏差步骤包括：

1)利用激光跟踪仪测量4个水平靶标点P_M1，P_M2，P_M3，P_M4和2个航向靶标点P_M5，P_M6：

P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，

P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，P_M4＝(x_M4，y_M4，z_M4)，

P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)；

2)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，将其向XOY平面投影，可计算惯导校准模板的俯仰误差θ_pitch：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pitch}}=\arctan \frac{y_{M3}-y_{M1}}{x_{M3}-x_{M1}},$

if(θ_pitch＞0)：仰θ_pitch，

else：俯-θ_pitch；

3)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，将其向YOZ平面投影，可计算惯导校准模板的倾斜误差θ_roll：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ro}11}=\arctan \frac{y_{M2}-y_{M1}}{z_{M2}-z_{M1}},$

if(θ_roll＞0)：左倾θ_roll，

else：右倾-θ_roll；

4)根据P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)，将其向XOZ平面投影，可计算惯导校准模板的方位误差θ_yaw：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{yaw}}=\arctan \frac{z_{M6}-z_{M5}}{x_{M6}-x_{M5}},$

if(θ_yaw＞0)：右偏航θ_yaw，

else：左偏航-θ_yaw。

本发明的优点在于：1)较之现有的传统光学测量方法，数字化测量系统可有效提高测量精度，大幅提升测量效率；2)进一步提高了飞机总装的自动化、集成化水平。

附图说明

图1为依据本发明实施方式的惯导校准模板示意图；

图2(a)为依据本发明实施方式的惯导水平测量模板俯视图；

图2(b)为依据本发明实施方式的惯导水平测量模板局部侧视图；

图3(a)为依据本发明实施方式的惯导航向测量模板正视图；

图3(b)为依据本发明实施方式的惯导航向测量模板俯视图；

图4(a)为依据本发明实施方式的惯导水平测量布局侧视图；

图4(b)为依据本发明实施方式的惯导水平测量布局正视图；

图5为依据本发明实施方式的惯导水平测量计算示意图；

图6为依据本发明实施方式的惯导水平测量软件系统流程图。

图中：惯导水平测量模板1、惯导航向测量模板2、水平测量模板上的4个靶标3、靶标座4、航向测量模板上的2个靶标5、某型飞机6、惯导校准模板(装有靶标)7、激光跟踪仪8、机身支撑9、确定飞机对称轴线的2#和12#测量点10、机翼支撑11。

具体实施方式

本发明结合了先进的激光跟踪仪测量技术和惯导校准装置，利用数字化测量手段实现某型飞机惯导水平测量的工艺过程。其实现过程主要包含两个步骤：首先，合理选择反映惯导校准模板(实际应用中，拆下惯导，以惯导校准模板替代惯导进行水平测量)位姿的测量点，以高精度的激光跟踪测量技术获取其实际安装位姿；继而，计算实际安装位姿相对理论目标位姿的偏差，同时将偏差结果在计算机上予以直观的图像化显示，并且，一旦当位姿偏差超出给定阈值时，系统自动给出有效可行的惯导校准模板位姿调整方案。本发明有机融合了机械设计、激光测量、数据处理、网络通信等诸多技术，较之现有的传统光学测量方法，数字化测量系统可有效提高测量精度，大幅提升测量效率。

以下从惯导水平测量的装置及其工作原理，测量方法，测量精度分析，偏差计算方法和软件模块的设计五个方面对惯导数字化测量系统予以介绍。

某型飞机惯导水平测量的技术要求是：惯导部件托架安装精度达到：水平精度(0°±3′)，航向精度(0°±3′)。

1.惯导水平测量装置及其工作原理

惯导水平测量装置如图1-图3所示，由惯导校准模板和6个用于激光跟踪测量的磁性靶标安装座组成。其技术参数及性能指标如下：

1)惯导校准模板能够代替惯导安装到惯导安装座上，模板的两个工作平面能正确反映惯导安装座的安装面的位置和方向，其偏差不超过0.04度；

2)惯导水平测量系统的精度能够满足飞机惯导水平测量的设计要求；

3)水平测量装置安装简单，操作方便。

工作原理：

通过测量惯导水平测量模板上的1#，3#靶标点，并将测量值向XOY平面投影，可计算惯导校准模板的俯仰误差；测量惯导水平测量模板上的1#，2#靶标点，并将测量值向YOZ平面投影，可计算惯导校准模板的倾斜误差；测量惯导航向测量模板上的5#，6#靶标点，并将测量值向XOZ平面投影，可计算惯导校准模板的航向误差。

2.测量布局与测量实施方法

测量布局：

惯导水平测量布局如图4所示。激光跟踪仪8放在某型飞机6侧面，通过测量2#、12#测量点10和惯导校准模板上的靶标点7实现对惯导水平测量，某型飞机6通过机身支撑9和机翼支撑11支撑。

测量实施方法：

1)将飞机调平，即调整飞机的横向方向和纵向方向水平，做法是：在飞机的左右机翼对称布置两个测量点，两点的高度差在0.5mm内即达到横向调平，沿飞机机身方向布置两个测量点，两点的高度差在0.5mm内即达到纵向调平，其次，使得激光跟踪仪的测量坐标系与飞机总装配站位的装配坐标系统一，这里，激光跟踪仪的测量坐标系指激光跟踪仪开启后，自动默认建立的空间坐标系，而飞机总装配站位的装配坐标系指根据现场飞机总装配的布局由设计人员所定义的空间坐标系，统一两者的方法是：通过测量布置在地面上的若干个公共观测点，获得这些公共观测点的实测值，即上述点在激光跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值，继而，读取上述公共观测点在该装配站位的装配坐标系下的名义值，对上述两类数值应用经典的点匹配算法，即可实现两个坐标系的统一；

2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线；

3)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导水平测量模板上的靶标点测量；

4)计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差，即俯仰偏差和倾斜偏差，提示调整方向，如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板水平向测量，转步骤6)开始纵向调整，否则转步骤5)继续调整；

5)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤3)～步骤4)，直至水平偏差达到要求；

6)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导航向测量模板上的靶标点测量；

7)计算并图形显示惯导校准模板的航向偏差，提示调整方向。如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板纵向测量，并且惯导水平测量结束，否则转步骤8)继续调整；

8)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤6)～步骤7)，直至达到惯导水平测量要求。

3.测量精度分析

Leica AT901-LR型激光跟踪仪的精度指标：在全量程(水平方向360°，垂直方向±45°，可达到测头的最大测量范围80m)范围内，对单点测量的不确定度为：Uxyz＝±15μm+6μm/m，其中，“Uxyz”定义为被测点的实测三维坐标值和名义三维坐标值之间的偏差。

测量靶标点时，激光跟踪测量系统的误差主要来源于四个方面：1、激光跟踪仪的测量误差a，2、靶标安装座的定位误差b，3、激光跟踪仪转站误差c，4、地基震动误差d。结合相关的误差分析计算，可得a≤±15μm+120μm，b＝±0.0127mm，c＝0.05mm，d＝0.006mm。

综合以上四方面的误差，在测量靶标点的过程中，激光跟踪测量系统的总的不确定度为：

$\mathrm{\ϵ}\≤\sqrt{a^2+b^2+c^2+d^2}=0.145\mathrm{mm}$

根据惯导校准模板上靶标点间距L，可计算出俯仰、倾斜和航向测量误差，分别如下：

因惯导安装的水平精度和航向精度的要求值均为0±3′(即0±0.05°)，故可满足精度要求。

4.偏差计算方法

图5是惯导水平测量计算示意图，其基本计算过程如下：

1)利用激光跟踪仪测量2#、12#两个测量点P_2#，P_12#：

P_2#＝(x_2#，y_2#，z_2#)，P_12#＝(x_12#，y_12#，z_12#)；

将P_2#，P_12#投影至XOZ平面，获得投影点_P2# ^⊥XOZ，P_12# ^⊥XOZ：

$P_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{2\#},0,z_{2\#}),$ $P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{12\#},0,z_{12\#});$

则P_12# ^⊥XOZP_2# ^⊥XOZ即确定飞机对称轴线L：

$L\left(t\right)=P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}+t\·d$

其中， $d=\frac{P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}{P}_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}}{\left|\right|P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}{P}_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}\left|\right|},$ 表征飞机对称轴线L的方向。

2)利用激光跟踪仪测量4个水平靶标点P_M1，P_M2，P_M3，P_M4和2个航向靶标点P_M5，P_M6：

P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，

P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，P_M4＝(x_M4，y_M4，z_M4)，

P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)；

3)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，将其向XOY平面投影，可计算惯导校准模板的俯仰误差θ_pitch(注：水平精度要求值0°±3′)：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pitch}}=\arctan \frac{y_{M3}-y_{M1}}{x_{M3}-x_{M1}},$

if(θ_pitch＞0)：仰θ_pitch，

else：俯-θ_pitch。

4)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，将其向YOZ平面投影，可计算惯导校准模板的倾斜误差θ_roll(注：水平精度要求值0°±3′)：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ro}11}=\arctan \frac{y_{M2}-y_{M1}}{z_{M2}-z_{M1}},$

if(θ_roll＞0)：左倾θ_roll，

else：右倾-θ_roll。

5)根据P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)，将其向XOZ平面投影，可计算惯导校准模板的方位(航向)误差θ_yaw(注：航向精度要求值0°±3′)：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{yaw}}=\arctan \frac{z_{M6}-z_{M5}}{x_{M6}-x_{M5}},$

if(θ_yaw＞0)：右偏航θ_yaw，

else：左偏航-θ_yaw。

5.软件模块设计

根据惯导水平测量的工艺步骤和特点，提供图示化向导式操作界面，使得操作人员可以根据图示化的操作向导，按照指定的步骤高效完成惯导水平测量任务；依次实现飞机对称轴线数据的读取、靶标点自动或手动测量、惯导校准模板水平偏差计算(含俯仰偏差和倾斜偏差)、惯导校准模板航向偏差计算、计算结果的可视化显示、调整方法提示等功能。其基本流程如图6所示。

Claims (4)

1.一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将飞机调平，并使得激光跟踪仪的测量坐标系与飞机总装配站位的装配坐标系统一；

2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线；

3)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导水平测量模板上的靶标点测量；

4)计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差，即俯仰偏差和倾斜偏差，提示调整方向，如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板水平向测量，转步骤6)开始纵向调整，否则转步骤5)继续调整；

5)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤3)～步骤4)，直至水平偏差达到要求；

6)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成惯导航向测量模板上的靶标点测量；

7)计算并图形显示惯导校准模板的航向偏差，提示调整方向。如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成惯导校准模板纵向测量，并且惯导水平测量结束，否则转步骤8)继续调整；

8)根据计算机的提示，人工调整惯导校准模板，完成调整后，重复步骤6)～步骤7)，直至达到惯导水平测量要求。

2.根据权利要求1所述的一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法，其特征在于所述的惯导水平测量装置包括惯导水平测量模板(1)、惯导航向测量模板(2)、水平测量模板上的4个靶标(3)、靶标座(4)、航向测量模板上的2个靶标(5)，惯导水平测量模板(1)和惯导航向测量模板(2)组成了惯导校准模板。

3.根据权利要求1所述的一种应用于飞机总装配的惯导水平测量方法，其特征在于所述的利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线步骤包括：

1)利用激光跟踪仪测量2#、12#两个测量点P_2#，P_12#：P_2#＝(x_2#，y_2#，z_2#)，P_12#＝(x_12#，y_12#，z_12#)；

2)将P_2#，P_12#投影至XOZ平面，获得投影点P_2# ^⊥XOZ，P_12# ^⊥XOZ：

$P_{2\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{2\#},0,z_{2\#}),$ $P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}=(x_{12\#},0,z_{12\#});$

3)则P_12# ^⊥XOZP_2# ^⊥XOZ即确定飞机对称轴线L：

$L\left(t\right)=P_{12\#}^{\⊥\mathrm{XOZ}}+t\·d$

其中，

表征飞机对称轴线L的方向。

4.根据权利要求1所述的一种应用于飞机总装的惯导水平测量方法，其特征在于所述的计算并图形显示惯导校准模板的水平偏差和航向偏差步骤包括：

1)利用激光跟踪仪测量4个水平靶标点P_M1，P_M2，P_M3，P_M4和2个航向靶标点P_M5，P_M6：

P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，

P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，P_M4＝(x_M4，y_M4，z_M4)，

P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)；

2)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M3＝(x_M3，y_M3，z_M3)，将其向XOY平面投影，可计算惯导校准模板的俯仰误差θ_pitch：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pitch}}=\arctan \frac{y_{M3}-y_{M1}}{x_{M3}-x_{M1}},$

if(θ_pitch＞0)：仰θ_pitch，

else：俯-θ_pitch；

3)根据P_M1＝(x_M1，y_M1，z_M1)，P_M2＝(x_M2，y_M2，z_M2)，将其向YOZ平面投影，可计算惯导校准模板的倾斜误差θ_roll：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{roll}}=\arctan \frac{y_{M2}-y_{M1}}{z_{M2}-z_{M1}},$

if(θ_roll＞0)：左倾θ_roll，

else：右倾-θ_roll；

4)根据P_M5＝(x_M5，y_M5，z_M5)，P_M6＝(x_M6，y_M6，z_M6)，将其向XOZ平面投影，可计算惯导校准模板的方位误差θ_yaw：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{yaw}}=\arctan \frac{z_{M6}-z_{M5}}{x_{M6}-x_{M5}},$

if(θ_yaw＞0)：右偏航θ_yaw，

else：左偏航-θ_yaw。

Images