数字化导航设备的安装位置的精度和机载设备安装姿态的影响

随着现代客机对功耗要求的不断增加，对其生产制造亦提出了愈来愈高的要求。在客机的生产制造过程中，客机机载设备安装位置的测量、全机的水平检测等工序是客机焊装时不可或缺的重要环节。很多工序牵涉对班机各式机载设备安装位置以及对客机各部件相对位置准度进行检测和调整，是对班机上各式机载设备安装位置及班机主要几何宽度或参数偏差的最后总检查。机载设备一般在客机上的安装均有一定的姿态精度要求，比如设备相对于客机水平基准面的俯倾角、侧仰角以及相对于客机对称面的偏航角通常都有安装精度要求，还要在安装时进行安装姿态的校正。各式机载设备安装姿态的精度，直接关系到客机飞行参数的准确度，进而影响班机的飞行功耗。如机载导航设备的安装位置的精度对于客机飞行的导航准确度有着极为关键的影响。

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现在国外对客机的各式机载设备安装姿态以及对客机各部件相对位置的测量检测工作仍以传统光学检测仪器为主，使用的检测工具包括水准仪、光学经纬仪和钢尺子等。对于机载设备安装姿态的测量，则须要在客机调整为水平姿态的状况下，利用复杂的测量治具以及靶板等工具，由工作人员以手工形式进行。选用这些技巧，仅满足于能把客机制造下来，检测精度和效率低下。新一代客机对部件和机载设备的安装精确度提出了更高要求，传统的班机检测和测量方式早已未能满足其要求，急切须要在机载设备安装姿态的测量检测等序中选用先进的数字化检测仪器和技术。

数字化检测技术的快速发展并且新的检测仪器不断出现。在客机制造领域得到和正在得到应用的数字化检测设备主要包括全站仪、经纬仪、激光跟踪仪(Laser)、室内GPS(GPS，俗称为网段GPS)、照相检测和雷射声纳()等。雷射声纳因为具备检测精度高，检测范围广，非接触式和手动化程度高等特点，在美国的民航、造船和车辆等工业领域，正得到越来越多的应用。雷射声纳是声纳技术与雷射技术相结合的产物，是雷射器适于侦测和测距的技术，它使传统声纳的工作短线扩充到光波短线。雷射声纳的工作短线通常从红外短线到可见光及紫外光短线，因为工作波速较短，雷射声纳的测定精度、分辨能力和抗干扰功耗远远超出普通的微波声纳。运用雷射声纳进行客机机载设备安装姿态的测量，可以有效减少检测校正的精度和效率，满足现代客机更高的研发要求。 #

l雷射声纳系统的检测原理与组成

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雷射声纳一般包括雷射器、发射望远镜、接收望远镜、滤光器、光电侦测器、信号处理单元、数据输出单元和电源等基本组成部份。其基本原理和构造与雷射测距仪极为相像：首先向被检测目标发射一束雷射，于是按照所检测的反射或衍射讯号的抵达时间、强弱和速率变化等参数，确定被检测目标的距离、方位和运动速率等。雷射声纳是一种球座标系的测定系统，它运用反射镜对准检测目标来得出方位角卢和俯倾角口，运用红外雷射来获取目标的距离尺，最后将被测目标的球座标参数转化成笛卡尔直角座标，得出被检测点的座标位置(z，Y，z)，如图1所示，其中的座标转化可按式(1)进行。

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随着现代客机对功耗要求的不断增加，对其生产制造亦提出了愈来愈高的要求。在客机的生产制造过程中，客机机载设备安装位置的测量、全机的水平检测等工序是客机焊装时不可或缺的重要环节。很多工序牵涉对班机各式机载设备安装位置以及对客机各部件相对位置准度进行检测和调整，是对班机上各式机载设备安装位置及班机主要几何宽度或参数偏差的最后总检查。机载设备一般在客机上的安装均有一定的姿态精度要求，比如设备相对于客机水平基准面的俯倾角、侧仰角以及相对于客机对称面的偏航角通常都有安装精度要求，还要在安装时进行安装姿态的校正。各式机载设备安装姿态的精度飞机机载设备装配调试技术，直接关系到客机飞行参数的准确度，进而影响班机的飞行功耗。如机载导航设备的安装位置的精度对于客机飞行的导航准确度有着极为关键的影响。 #

现在国外对客机的各式机载设备安装姿态以及对客机各部件相对位置的测量检测工作仍以传统光学检测仪器为主，使用的检测工具包括水准仪、光学经纬仪和钢尺子等。对于机载设备安装姿态的测量，则须要在客机调整为水平姿态的状况下，利用复杂的测量治具以及靶板等工具，由工作人员以手工形式进行。选用这些技巧，仅满足于能把客机制造下来，检测精度和效率低下。新一代客机对部件和机载设备的安装精确度提出了更高要求，传统的班机检测和测量方式早已未能满足其要求，急切须要在机载设备安装姿态的测量检测等序中选用先进的数字化检测仪器和技术。

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数字化检测技术的快速发展并且新的检测仪器不断出现。在客机制造领域得到和正在得到应用的数字化检测设备主要包括全站仪、经纬仪、激光跟踪仪(Laser)、室内GPS(GPS，俗称为网段GPS)、照相检测和雷射声纳()等。雷射声纳因为具备检测精度高，检测范围广，非接触式和手动化程度高等特点，在美国的民航、造船和车辆等工业领域，正得到越来越多的应用。雷射声纳是声纳技术与雷射技术相结合的产物，是雷射器适于侦测和测距的技术，它使传统声纳的工作短线扩充到光波短线。雷射声纳的工作短线通常从红外短线到可见光及紫外光短线，因为工作波速较短，雷射声纳的测定精度、分辨能力和抗干扰功耗远远超出普通的微波声纳。运用雷射声纳进行客机机载设备安装姿态的测量，可以有效减少检测校正的精度和效率，满足现代客机更高的研发要求。

l雷射声纳系统的检测原理与组成 #

雷射声纳一般包括雷射器、发射望远镜、接收望远镜、滤光器、光电侦测器、信号处理单元、数据输出单元和电源等基本组成部份。其基本原理和构造与雷射测距仪极为相像：首先向被检测目标发射一束雷射，于是按照所检测的反射或衍射讯号的抵达时间、强弱和速率变化等参数，确定被检测目标的距离、方位和运动速率等。雷射声纳是一种球座标系的测定系统，它运用反射镜对准检测目标来得出方位角卢和俯倾角口，运用红外雷射来获取目标的距离尺，最后将被测目标的球座标参数转化成笛卡尔直角座标，得出被检测点的座标位置(z，Y，z)，如图1所示飞机机载设备装配调试技术，其中的座标转化可按式(1)进行。

2传统测量方式 #

现在使用的机载设备安装姿态的传统测量方式主要分如下若干方法： #

首先还要将客机调整为设计的水平状态。这个过程中，借助水准仪、光学经纬仪和尺子等，对客机喷管和机身上的关键检测点进行人工检测、判读数据，按照检测结果不断调整客机支撑的高度，直至满足水平姿态要求。 #

再者还要设置靶板。这类靶板一般为各型客机所专用，不同机型班机间通常不能通用。靶板上包括各式机载设备安装姿态测量所需的相应靶圈，靶圈半径大小按照相应机载设备的安装精度要求来确定。靶板放置在距机头一定距离的位置，如25，50m或更远处。它亦须要进行位置调整，要求处于水平、铅垂状态，靶标的中心还要与客机的中轴线重合。

之后是安装各式机载设备的专用测量治具。这类治具安装在对应设备的安装基座上，同时他们各自都带有相应的专用瞄准镜，图4为典型的测量治具示意图。工作人员通过这种瞄准镜来观测远处靶板上相应设备的靶圈。假如瞄准镜中的标线能落在相应靶圈中，则阐明该安装姿态位置满足要求，否则还要按照标线落在靶圈中的位置反复调整设备的安装基座，直到其达到设计要求为止。 #

机载设备安装姿态的这些传统测量方式，运用测量治具、靶板等，把常规光学检测方式在近距离无法检测的微小安装偏差，按比列放大到较远距离处，以方便识别检测的靶圈目标。虽然这些测量方式存在着如下的劣势：(1)检测过程还要先将客机调成水平姿态。这个过程除了历时，但是精度无法保证，劳动硬度与工作量都较大;(2)还要设计制造相对复杂的专用靶标，摆放位置调整费时;(3)测量治具设计和制造精度要求很高;(4)测量过程中的测定、记录和判读均需人工完成，效率低下且较容易出错;(5)整个检测测量过程形成偏差的环节多。 #

传统测量方式的偏差主要来自测量治具的制造安装偏差、测量设备偏差以及检测过程中人工检测判读偏差等。如测量治具瞄准镜(靶镜)套筒中心线与治具基座安装面的垂直度偏差、校准夹钳在基座上的安装偏差、靶镜在靶镜套筒中的安装偏差、对靶过程中的人工瞄准偏差、飞机水平姿态的调整偏差和靶板相对于客机摆放的位置偏差等，众多的那些造成偏差的环节并且整个测量工作效率低，无法达到更高的测量精度要求。

3激光雷达安装姿态测量方式 #

雷射技术的发展使精密测定从传统的接触式检测，如座标测定机、激光跟踪仪等向非接触式的检测转变。现在现有的非接触系统大部份都需将传感或扫描头尽或许紧靠被测质点的表面，且检测范围较小。雷射声纳的出现促使大空间范围、非接触式的准确测定成为或许，因而不再受接触式传感检测的局限。下边将研究怎样应用雷射声纳系统代替传统检测校正方式对机载设备安装姿态进行检测校正。

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传统的测量治具结构相对复杂，加工制造精度要求高，尤其是还要保证靶镜的物镜中轴线与治具的安装基准面之间的空间垂直度。运用雷射声纳，机载设备安装姿态测量工序得以求值。这一方面展现在测量治具结构及制造上的简化。图5所示的是针对雷射声纳的检测特征的测量治具原理性设计方案。该校正治具可安装于机载设备安装底座，只需保证治具上的3个固定靶球(如图5中A，B，C所示)的固定平面与安装底面垂直。另一方面，运用雷射声纳进行测量无需将客机姿态调水平。 #

基于雷射声纳的机载设备安装姿态测量主要包括以下方法： #

(1)测量治具的安装与雷射声纳摆放位置的确定，以保证客机的关键检测点以及测量治具上的固定靶球处于雷射声纳可测范围之内。

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(2)构建测量参考检测座标系。检测客机的关键检测点，通过这种点构建适于测量用的客机座标系oxyz，其中ox为纵轴，oy为客机机身横轴，oz为客机手卷(见图5)。机载设备安装测量一般还要以实际客机座标系作为检测参照系。

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(3)机载设备安装姿态的测量。假定由雷射声纳测得3个固定靶球在客机座标系中的位置分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则设备安装底座所在平面的俯倾角a、侧夹角0和偏航角p分别为 #

若设备安装要求的姿态角分别为俯倾角ao、侧夹角0o和偏航角po，则须要调整的俯倾角△a、侧夹角△0和偏航角△p分别为 #

对于图5中设备安装底座大致垂直于xoy平面的情形，上述姿态角a和0的测量调整通常通过在相应安装孔位置处变化螺母长度的方法进行。假如安装底座大致垂直于xoz或yoz平面时，相应的姿态角亦可选用类似的调整方式。实际工作中，因为还要调整的视角Aa，△0和△p均较小，所以螺母长度的调整量可由下式得到

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式中：△a，△0以弯度为单位;l为图5中1号与2号安装孔宽度在yoz平面的投影宽度;W为图5中3号与2号安装孔宽度在xoz平面的投影宽度。

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根据上述过程调整安装姿态后，还要调整后重新检测检测。假如检测结果无法满足设计安装要求，则须要重复方法(3)，直至满足设计安装要求。 #

以某型客机上安装位置精度要求最高的惯性导航仪的安装要求为例，该仪器对于安装底座的位置精度要求在俯仰、航向和滚转三轴上与客机相应三轴之间的倾角大于士3’，即该设备安装底座所在平面的俯倾角口、侧夹角口和偏航角卢必须保持在一37至+3’之间。对于传统测量方式而言，须要借助距离安装位置25m距离处的靶板，当不考虑其他环节上的偏差影响时，要达到上述底座的位置安装要求，测量治具上的瞄准镜中心位置务必落在靶板上相应位置处的一个直径大于21.82mm的靶圈之内。虽然因为传统测量方式自身的不足，致使惯导设备安装位置的测量效率较低、精度不易保证。

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当被测量底座安装孔宽度z或硼(见图5)为250mm时，要保证在这个宽度上分辨出±37的视角，还要在客机检测校正座标系中，就能分辨出三轴方向0.218mm的误差。当被测量底座安装孔宽度l或W为125mm时，则要求在客机检测校正座标系中，就能分辨出三轴方向0.109mm的误差。假如使用传统的机载设备检测测量方式，因为偏差环节多，然而实际上难于保证设备安装检测与测量的上述精度要求。假如选用雷射声纳的检测校正方案，则可以防止传统方式中的许多偏差环节，直接测定安装测量治具上的固定靶球。现在的雷射声纳产品其检测精度与雷射跟踪仪相当，并且使用操作上的便利性及手动化程度都远远低于雷射跟踪仪。 #

对于MV224和MV260型雷射声纳，当被检测点与雷射声纳宽度大于1m时，单点检测的3D不确定度高于16弘m;大于2m时，单点检测的3D不确定度高于24pm。运用MV224雷射声纳，对坐落检测座标系中的单点进行了实际检测试验，该点在检测座标系中的xyz座标分别为3025，2557和一533mm。实际测定的偏差结果分别如图6"--8所示。实测结果显示，运用雷射声纳对于该单点的实测，在各个座标轴方向上的测定偏差均大于0.015mm，远大于基于雷射声纳的机载惯导检测校正方案对整个检测测量系统的精度要求。这阐明了基于雷射声纳的校准测量方案，完全满足机载惯导设备的检测测量要求。 #

4结束语

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对比两种机载设备安装姿态测量方式，可以发觉基于雷射声纳的测量方式除了可以省去客机姿态凋水平的环节，同时也可以相应大大简化测量治具的结构复杂性，减少了测量治具加工制造的难度。雷射声纳检测系统有效防止了人工接触式检测过程中的各类人为的不确定诱因。对于测定结果，可以借助文中的相应估算方式，运用计算机才能快捷地直接得到姿态调节所需的螺母调整量。 #

然而，本文中基于雷射声纳的机载设备安装姿态检测校正方式，将有效提高这一测量过程中的偏差环节，在提升检测校正精度和牢靠性的同时，还有效减少了工作效率，有助于实现现代客机更高的研发要求。

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