wMPS室内空间测量定位系统

测量校准。 2100433B

测量精度0.05mm L/100000mm自制。

图1是2013年11月前已有技术室内空间测量定位系统（wMPS）组成示意图；

图2是《室内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法》中全局控制点三维坐标在多个站位下的测量过程示意图；

图3是将被测点精度溯源至精密控制场示意图；

图4是与1.5英寸目标反射镜大小形状一致的接收器104的示意图；

图5是激光跟踪仪201球坐标测量系统数学模型示意图。

《室内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法》是基于《扫描平面激光空间定位系统测量网络的构建》所述的室内空间测量定位系统（即所述的2013年11月前已有技术中的WMPS系统），并结合精密控制场实现测量现场精度溯源。wMPS系统组成如图1所示，采用基于光电扫描的空间角度自动测量方法对单个光电接收器（简称接收器）进行定位，发射站在工作时不负责解算接收器坐标，而是通过向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的光电接收器提供定位服务。系统内每个接收器收到发射站光信号后自动计算自身在各个发射站坐标系的下的角度信息，并结合已知的发射站方位信息使用角度交会方法计算自身三维坐标。

如图2所示，为了提高室内空间测量定位系统的测量精度，实现现场测量的精度溯源，该发明一种室内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法，包括以下步骤：以飞机大部件对接为例：

步骤一、在对接机身的装配型架上布设N个移动鸟巢，在对接大部件周围布设M个站位，将激光跟踪仪201放置在站位1，

步骤二、将一目标反射镜202（该发明中目标反射镜202为1.5英寸目标反射镜）放在移动鸟巢1上形成全局控制点1，利用激光跟踪仪201测量该全局控制点1的三维坐标，以此类推，移动所述目标反射镜202到移动鸟巢2、移动鸟巢3、……、移动鸟巢N-1、移动鸟巢N，测量所有全局控制点2、全局控制点3、……、全局控制点N-1和全局控制点N的三维坐标；

步骤三、将激光跟踪仪201依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移动激光跟踪仪201后重复步骤二，至此，完成所有站位对所有全局控制点的共同观测；上述步骤二和步骤三中，激光跟踪仪201在每个站位至少测量到3个以上的全局控制点；

步骤四、根据所有站位下、所有全局控制点的三维坐标计算所有站位的方位定向，从而获得所有全局控制点和所有站位三维坐标迭代初值；

步骤五、利用所述激光跟踪仪201测得的站位与全局控制点的距离值作为约束建立优化目标方程，进行平差解算，其中采用动态加权的方法，将所述全局控制点的三维坐标测量精度溯源至激光跟踪仪201干涉测距精度，从而建立精密控制场；其过程如下：

步骤5-1）激光跟踪仪201是球坐标测量系统，其数学模型如图5所示，其干涉测距值可表示为：

利用式（1）根据各站位坐标系下全局控制点的三维坐标计算全局控制点在各站位坐标系下的干涉测距值

步骤5-2）以站位1的坐标系为全局坐标系，完成各站位的方向定向，求得全局控制点和激光跟踪仪所在站位在全局坐标系下的三维坐标，分别为

步骤5-2）在全局坐标系下，建立冗余测距方程，表示为：

式（2）中，l_ij为测距值，对式（1）在

式（3）中，

对于M个激光跟踪仪站位，N个全局控制点，冗余误差方程组用下式表示：

式（5）中，矩阵A是由式（2）的泰勒展开的一阶求导项所组成的大型稀疏矩阵，ΔX=[ΔX₁，ΔY₁，ΔZ₁，ΔX₂，ΔY₂，ΔZ₂，...，ΔX_M，ΔY_M，ΔZ_M，Δx₁，Δy₁，Δz₁，Δx₂，Δy₂，Δz₂，...，Δx_N，Δy_N，Δz_N]^T；

步骤5-3）根据激光跟踪仪的测距精度

步骤5-4）根据激光跟踪仪的测距及测角精度对向量

步骤5-5）当全局控制点个数N和激光跟踪仪测量站位数M满足

由于矩阵A是病态矩阵，矩阵条件数极大，平差解算时较小的误差就会引起解的失真，因此采用奇异值分解计算广义逆矩阵的方法，进行迭代解算。

在每一次迭代中，计算向量

迭代至满足终止条件，得到全局控制点的三维坐标值，完成精密控制场的建立。

步骤六、在对接大部件周围布置多个发射站101，待发射站初始化后，结合精密控制场完成发射站定向过程，快速组成测量网络，其步骤如下：

步骤6-1）使用与1.5英寸目标反射镜大小形状一致的接收器104（如图4所示）替换全局控制点的目标反射镜202，替换过程中保证移动鸟巢203的位置不发生移动，以确保全局控制点的三维坐标不发生变化；

步骤6-2）在测量空间内布置好发射站101，每两个发射站间至少有四个全局控制点可同时接收到两个发射站101的信号；

步骤6-3）待所有发射站101转速平稳后，在测量空间多个位置摆放标准杆，利用标准杆和全局控制点实现室内空间测量定位系统的定向过程，从而组成测量网络。

步骤七、利用室内空间测量定位系统同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场，如图3，其步骤如下：

步骤7-1）保持所有全局控制点处的接收器（104）和所有发射站（101）不发生移动；

步骤7-2）在测量空间内的被测点处放置好接收器（104），每个接收器（104）至少可同时接收到两个发射站（101）的信号；

步骤7-3）利用发射站（101）组成的测量网络同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场。

综上，《室内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法》根据激光跟踪仪干涉测距可直接溯源至激光波长的特点，利用跟踪仪高精度测距作为约束，获取现场装配型架上全局控制点更为精确的三维坐标，构建精密控制场，并将其作为工业现场高精度测量基准，室内空间测量定位系统同时测量全局控制点和被测点，并利用高精度平差解算，将全局控制点的精度复现到被测点上，实现现场测量的精度溯源，提高了室内空间测量定位系统的测量精度。该发明具有以下优点：弥补了室内空间测量定位系统因测量距离增大导致的精度损失；结合精密控制场完成发射站定向过程，提高室内空间测量定位系统的定向效率和精度。精密控制场为工业现场测量提供了测量基准，实现了室内空间测量定位系统三维坐标测量的精度溯源；在提高室内空间测量定位系统测量精度的同时，不影响其工作效率。

室内空间测量定位系统（wMPS：Workspace Measurement Positioning system）是针对航天、航空、造船等大型制造业测量需求，基于空间角度交会特点发展起来的一种新型的多站分布式空间测量定位系统，可实现大尺度空间坐标的网络化高精度自动测量。图1为2013年11月前已有技术的室内空间测量定位系统（即《扫描平面激光空间定位系统测量网络的构建》所描述的空间测量定位系统）组成示意图。如图1所示，这种wMPS定位系统主要由多个发射站101、多个接收器102和解算工作站103组成。此类系统借鉴全球定位系统的思想，使用多个发射站101组成测量网络，采用基于光电扫描的空间角度交会自动测量方法对单个接收器102进行定位，发射站101在工作时不负责解算接收器坐标，而是通过向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的光电接收器提供定位服务。

由于wMPS定位系统采用空间角度交会进行三维坐标测量，测量误差随测量距离增加而显著增大，需要通过测量现场精度溯源来保证测量的可靠性。传统的现场精度溯源多采用标准件作为测量基准，携带维护不方便，测量灵活性不高，难以适应工业大尺寸现场的测量范围大，环境恶劣等特点。2013年11月前，在大尺度空间内尚没有可靠的溯源基准。因此，研究空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法对提高室内空间测量定位系统的测量精度，实现现场测量的精度溯源具有重要价值。