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1測(cè)量方案
為了完成小靶面姿態(tài)測(cè)量任務(wù)，設(shè)計(jì)了由智能全站儀、平面鏡、地面校準(zhǔn)標(biāo)組成的短基線高精度姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。在任務(wù)執(zhí)行過程中主要解決好坐標(biāo)的定制，多設(shè)備數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換拼接及姿態(tài)解算問題。
1.1坐標(biāo)體系定義天線安裝平臺(tái)坐標(biāo)體系為飛機(jī)架水平后的機(jī)體坐標(biāo)系（測(cè)量系統(tǒng)的輔助坐標(biāo)系）：Y軸沿指定的坐標(biāo)原點(diǎn)指向飛機(jī)機(jī)頭，Z指向天，X與YZ平面垂直構(gòu)成右手系。在進(jìn)行測(cè)量前，根據(jù)飛機(jī)標(biāo)示點(diǎn)對(duì)飛機(jī)架水平；根據(jù)一臺(tái)全站儀測(cè)量飛機(jī)上的軸線點(diǎn)把全站儀測(cè)量坐標(biāo)定制成輔助坐標(biāo)系；或者對(duì)飛機(jī)上的三個(gè)點(diǎn)或多個(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)已知點(diǎn)的測(cè)量值與理論值坐標(biāo)解算輔助飛機(jī)坐標(biāo)系與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，然后將全站儀坐標(biāo)定制到輔助飛機(jī)系統(tǒng)坐標(biāo)。天線安裝平臺(tái)坐標(biāo)系與天線陣面坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。
1.2自準(zhǔn)直測(cè)量原理
自準(zhǔn)直測(cè)量原理如圖2所示，光源發(fā)出光線照明位于物鏡焦平面上的分劃板，O點(diǎn)在物鏡光軸上，那么由它發(fā)出的光線通過物鏡后，成一束與光軸平行的平行光束射向反射鏡，當(dāng)反射鏡面垂直于光軸時(shí)，光線仍然按原路返回，經(jīng)物鏡后仍成像在分劃板上O處，與原目標(biāo)重合。利用全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量以平面鏡的鏡面法線提供一條方位基準(zhǔn)，用全站儀照準(zhǔn)鏡面，合理設(shè)置儀器位置并調(diào)整其視準(zhǔn)軸方向，使儀器的視準(zhǔn)軸與鏡面的法線重合，則全站儀的視準(zhǔn)軸方向即代表了該法線方位基準(zhǔn)；垂直角代表了垂直度，這樣一來就利用全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量法完成目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化測(cè)量并獲得想獲取的角度值。
1.3測(cè)量過程1）首先進(jìn)行飛機(jī)水平架設(shè)；2）根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的布局進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)；3）調(diào)整全站儀符合自準(zhǔn)值測(cè)量模式。置視準(zhǔn)軸與鏡面大概垂直，再上下左右微動(dòng)儀器，并將望遠(yuǎn)鏡焦距慢慢調(diào)到無窮大，直至觀測(cè)到鏡面上的光斑落在全站儀測(cè)量鏡面上，然后利用ATR（自動(dòng)瞄準(zhǔn)）模式進(jìn)行測(cè)量，使光斑的中心與承影面中心完全重合即實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直測(cè)量；4）坐標(biāo)定制。依據(jù)地面校準(zhǔn)標(biāo)采用后方交會(huì)把設(shè)備調(diào)整到安裝平臺(tái)坐標(biāo)體系；5）進(jìn)行自準(zhǔn)值測(cè)量獲取角度信息；6）代入后處理軟件獲取相關(guān)要求天線靶面與安裝平臺(tái)三軸夾角。
1.4靶面平臺(tái)三軸夾角計(jì)算由全站儀自準(zhǔn)值測(cè)量獲得的角度為方位角A，俯仰角E，由解析幾何原理可以推算出靶面法向量。
2試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析
3.1檢核方法為了對(duì)首次使用的測(cè)量方法精度進(jìn)行檢核，利用自準(zhǔn)直儀（平行光管：精度1s）對(duì)全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量法進(jìn)行了精度檢核，對(duì)于同一鏡面，在同一狀態(tài)下，利用全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量與平行光管測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，看結(jié)果統(tǒng)計(jì)是否在測(cè)量精度要求0．02°范圍內(nèi)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示。首先調(diào)整鏡面與固定平臺(tái)幾乎垂直，調(diào)整平行光管與鏡面平行，并記錄初始測(cè)量狀態(tài)，調(diào)整全站儀完全與鏡面垂直記錄初始測(cè)量結(jié)果；然后利用角度調(diào)整儀器，每調(diào)節(jié)一個(gè)刻度，角度變化25s，首先固定航向，調(diào)整俯仰，對(duì)于每一個(gè)狀態(tài)利用全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量一次，用自準(zhǔn)直儀（平行光管）進(jìn)行測(cè)量一次，測(cè)量出同一狀態(tài)的俯仰結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，看兩個(gè)設(shè)備測(cè)量的在同一狀態(tài)下的結(jié)果差是否在測(cè)量要求的范圍以內(nèi)；俯仰比對(duì)完畢，然后再固定俯仰，調(diào)整航向，按照上面測(cè)量模式進(jìn)行狀態(tài)比對(duì)，檢查其航向變換是否在要求的精度范圍以內(nèi)。
2.2測(cè)試結(jié)果固定航向，變化俯仰，平行光管與全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果如圖5所示，具體數(shù)據(jù)如表1所示，俯仰方差3．5s。 固定俯仰，調(diào)整航向，平行光管與全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果如圖6，具體數(shù)據(jù)由于篇幅略，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)航向變化方差為4．2s。兩個(gè)設(shè)備對(duì)同一狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其狀態(tài)差均在10s以內(nèi)。對(duì)兩種測(cè)量設(shè)備測(cè)量的差進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)，俯仰變化方差為3．5s，航向變化方差在4．2s，因此全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量與自準(zhǔn)直儀測(cè)量結(jié)果一致，完全滿足角度測(cè)量精度0．02°的要求。
3結(jié)語
利用全站儀自準(zhǔn)直測(cè)量方法能夠進(jìn)行短基線高精度的小角度測(cè)量，該方法通過了檢核試驗(yàn)，其測(cè)量精度比常規(guī)利用定位信息反求姿態(tài)精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。該測(cè)量模式已經(jīng)應(yīng)用在飛行試驗(yàn)小靶面測(cè)試過程中，取得了很好的應(yīng)用效果。
作者：何紅麗 單位：中國飛行試驗(yàn)研究院