一種導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝的研究與應(yīng)用

鐘 敏

（江西昌河航空工業(yè)有限公司，江西景德鎮(zhèn) 333002）

0 引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是直升機上不可或缺的重要電子設(shè)備，其功能在于提供準(zhǔn)確的姿態(tài)、航向、位置和速度等信息，從而使飛行員能夠安全地操縱直升機。然而，在安裝完成后，為確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，必須對其姿態(tài)和航向進行校準(zhǔn)，以確保其輸出的信息達(dá)到最佳精度。理想狀態(tài)下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向基準(zhǔn)、水平基準(zhǔn)應(yīng)與直升機的航向基準(zhǔn)、水平基準(zhǔn)完全重合，但是由于加工誤差、安裝誤差的存在，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在直升機上的安裝往往不能達(dá)到理想狀態(tài)，即存在安裝誤差[1]。

因此，在直升機儀器儀表安裝過程中，組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝調(diào)整工作至關(guān)重要，其作用不可忽視。然而，傳統(tǒng)的手動調(diào)整設(shè)備、手動讀取記錄及手動計算工作量大、所需時間長、效率低；用人眼讀取標(biāo)尺上的刻度，測量精度低；受外界環(huán)境溫度和風(fēng)速因素影響較大，對環(huán)境條件要求較高。如果慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)不符合要求，則極有可能對準(zhǔn)不通過，或者即使通過，系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)輸出精度也不符合要求。因此，研制一種高效、方便的導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝有重要的現(xiàn)實意義。

為了提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)效率，本研究的目標(biāo)是設(shè)計并研制出一套高效、準(zhǔn)確、易操作的導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝，具有便攜、精度高、操作簡便等特點。

1 總體思路

使用數(shù)字化測量設(shè)備精確定位測量點，將結(jié)果實時傳輸至測量系統(tǒng)，經(jīng)過精確計算，最終生成準(zhǔn)確可靠的測量報告。而激光跟蹤儀是目前國內(nèi)使用最為廣泛的大空間高精度測量設(shè)備，它利用激光技術(shù)，可以實現(xiàn)物體的精確姿態(tài)測定。激光跟蹤儀能夠同時測量物體水平、垂直兩個方向的角度以及物體相互間的距離，還可以用于測點的精確定位以及物體幾何特征的準(zhǔn)確測定[2]。

導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝利用輔助安裝工裝、計算機軟件、校準(zhǔn)測量工具（主體是激光跟蹤儀），將導(dǎo)航設(shè)備基座裝配的水平和垂直兩個方向的角度測量與距離測量結(jié)合在一起，構(gòu)成一個空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)；利用高精測量靶球和數(shù)字測量系統(tǒng)建立坐標(biāo)系，獲取導(dǎo)航設(shè)備基座的空間幾何元素測點信息，并通過三維數(shù)據(jù)分析軟件完成對空間尺寸、尺寸公差與形位公差的分析計算工作。利用計算出的誤差尺寸指導(dǎo)對導(dǎo)航設(shè)備基座裝配的調(diào)整安裝，測量示意圖如圖1所示。導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝能滿足多種機型的導(dǎo)航設(shè)備基座裝配測量要求，并可自動計算需要調(diào)整的安裝誤差。

圖1 測量示意圖

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主機托架由激光掃描和跟蹤測量站進行測量。輔助校準(zhǔn)板用于掃描和測量慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主機托架的安裝表面，然后將測量的點云平面擬合到相應(yīng)的安裝角度。在直升機參考坐標(biāo)系下，掃描并測量安裝支架與校準(zhǔn)產(chǎn)品之間的接觸面，然后將測量點的空間尺寸與校準(zhǔn)目標(biāo)模型對齊或進行表面擬合，以獲得校準(zhǔn)平面數(shù)據(jù)，從而獲得校準(zhǔn)平面俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的角度偏差。

2 導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝組成及實現(xiàn)方法

導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝主要由校準(zhǔn)測量工具、校準(zhǔn)顯示系統(tǒng)、輔助校準(zhǔn)板、校準(zhǔn)工具輔助工裝等組成，校準(zhǔn)顯示系統(tǒng)應(yīng)包含獨立的電源適配器及工具軟件等部分。

導(dǎo)航校準(zhǔn)系統(tǒng)主體為校準(zhǔn)測量工具，其負(fù)責(zé)發(fā)出及接收反射回的激光，是測量的核心部件，如圖2所示。校準(zhǔn)測量工具主要用于對輔助校準(zhǔn)板的安裝位置進行測量，并將測量信息反饋給校準(zhǔn)顯示系統(tǒng)用于安裝調(diào)整。靶球也稱 “反射鏡” ，是校準(zhǔn)測量工具的一部分，是用于接收并返回激光束的耦合棱鏡，能測量到直升機的水平測量點和鉛錘投影點，靶球測量時應(yīng)確保不發(fā)生晃動和偏移，以保證測量精度和穩(wěn)定性。

圖2 校準(zhǔn)測量工具示意圖

輔助校準(zhǔn)板具備與機上導(dǎo)航設(shè)備一致的機械安裝接口，適用于多個型號導(dǎo)航設(shè)備的安裝及測試需求，示意圖如圖3所示。校準(zhǔn)顯示系統(tǒng)（主要包含筆記本電腦和測量軟件）主要用于顯示測量的安裝信息，并自動計算需要調(diào)整的安裝誤差。校準(zhǔn)工具輔助工裝主要是為消除直升機水平測量點和鉛錘投影點的人為測量誤差設(shè)計的，讓靶球可以更穩(wěn)定地采集到直升機的水平測量點和鉛錘投影點，如圖4所示。

圖3 輔助校準(zhǔn)板示意圖

圖4 校準(zhǔn)工具輔助工裝示意圖

導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝使用輔助校準(zhǔn)板安裝在機載導(dǎo)航設(shè)備的安裝位置，替代導(dǎo)航成品。輔助校準(zhǔn)板可以在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自帶托架上進行安裝，使用校準(zhǔn)測量工具精準(zhǔn)測量導(dǎo)航設(shè)備的安裝位置（主要是安裝面的姿態(tài)及航向參數(shù)）。輔助校準(zhǔn)板要求能原位替代設(shè)備（要求安裝比例1∶1），安裝孔位需要與機上設(shè)備安裝位置一致，并能適應(yīng)多個型號的導(dǎo)航設(shè)備安裝調(diào)整特點，安裝固定在導(dǎo)航設(shè)備的自帶托架并鎖緊。輔助校準(zhǔn)板平面水平度要求不大于3′，安裝后側(cè)面應(yīng)與直升機對稱中心線平行，其誤差不大于±6′，表面要求光滑且具備耐腐蝕性。校準(zhǔn)工具主要用于對輔助校準(zhǔn)板的安裝位置進行測量，并將測量信息反饋給校準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝調(diào)整，校準(zhǔn)顯示如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)顯示圖

3 導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝在現(xiàn)場的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場布置

在直升機進入現(xiàn)場之前，有必要安排好現(xiàn)場和設(shè)備。為了保證測量的準(zhǔn)確性，必須對測量現(xiàn)場和環(huán)境進行嚴(yán)格控制。在進行測量之前，必須確保直升機處于水平狀態(tài)，測量必須在室內(nèi)進行，以防止風(fēng)力對測量結(jié)果的干擾。在測量過程中，必須確保直升機的所有部件都已經(jīng)安裝好，并且直升機保持空載狀態(tài)，禁止任何人員操作它們。

3.2 建立基準(zhǔn)面

利用機頭和機尾自帶的中心線基準(zhǔn)點作垂線到地面，在地面垂線作出機頭基點和機尾基點，將靶球基座固定在基點上。當(dāng)直升機基準(zhǔn)坐標(biāo)系建立起來后，便可對機載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)托架進行測量，得到其相對直升機機體水平平面的夾角。但為了充分利用直升機上的空間，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在實際安裝過程中會根據(jù)各設(shè)備的特性分布在直升機的相應(yīng)部位，很多設(shè)備的安裝托架位于直升機機身內(nèi)部，機身蒙皮或其他設(shè)備的遮擋給航電設(shè)備的安裝校準(zhǔn)帶來了很大的難度，很多都無法采用精密的測量設(shè)備進行測量，或者只能使用精度較低的光學(xué)設(shè)備進行測量，無法滿足測量精度要求。

3.3 導(dǎo)航工裝校準(zhǔn)

在直升機側(cè)面指定位置架設(shè)導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝，導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝通過定位栓與緊定螺栓固定在慣導(dǎo)部件安裝托架上，安裝后位置不可調(diào)，對導(dǎo)航設(shè)備安裝角度的測量實際上就是對其安裝托架安裝角度的測量，如圖6所示。

圖6 慣導(dǎo)部件安裝校準(zhǔn)示意圖

慣導(dǎo)部件安裝校準(zhǔn)時，應(yīng)用激光掃描和跟蹤測量站來完成輔助安裝測量，以保證較高的安裝精度，但是由于測量位置的限制，激光掃描時會存在某些被測點無法測量到的情況，導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝需要為滿足測量要求進行適應(yīng)性更改，如增加測量平面和轉(zhuǎn)接支架，保證測量的基準(zhǔn)面可以與機體保持一致。

3.4 基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)獲取

把校準(zhǔn)工具放置在校準(zhǔn)板的基座上，測量地面垂線坐標(biāo)位置，測量點記錄在測量軟件中，根據(jù)測量結(jié)果，建立基于直升機中心線的基準(zhǔn)測量面，并由導(dǎo)航校準(zhǔn)系統(tǒng)專用配套軟件平移到直升機艙內(nèi)。

在系統(tǒng)使用前，應(yīng)按照產(chǎn)品數(shù)模或圖紙換算出產(chǎn)品三維坐標(biāo)值及公差，在產(chǎn)品絕對坐標(biāo)系下測量各測量點位的三維坐標(biāo)，與理論坐標(biāo)進行對比，形成測量結(jié)果，如圖7所示。

圖7 基準(zhǔn)測量示意圖

3.5 導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝姿態(tài)調(diào)整

為保證測量的基準(zhǔn)面與機體保持一致，輔助校準(zhǔn)板將慣導(dǎo)安裝基座孔延伸到其轉(zhuǎn)接支架的平面上，輔助校準(zhǔn)板的幾何中心孔與慣導(dǎo)安裝基座的幾何中心孔垂直重疊。將插銷式靶球基座放入輔助校準(zhǔn)板安裝孔中，靶球所在的位置須確保校準(zhǔn)測量工具能直接測量。

使用導(dǎo)航校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件比對基準(zhǔn)面方向坐標(biāo)的數(shù)據(jù)和輔助校準(zhǔn)板上的靶球采集到的數(shù)據(jù)，從而獲得導(dǎo)航基座基準(zhǔn)面的坐標(biāo)與直升機中心線基準(zhǔn)面的數(shù)字差異，用于逐步校準(zhǔn)工裝慣導(dǎo)部件的安裝基座。

4 結(jié)束語

導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝主要用于直升機導(dǎo)航設(shè)備基座裝配的校準(zhǔn)，擁有尺寸測量、安裝、定位功能，能確保慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息達(dá)到預(yù)期精度。導(dǎo)航校準(zhǔn)工裝借助高精度的激光跟蹤儀進行測量，與人工測量方法相比，具有操作簡單的優(yōu)點，同時其測量精度更高，實踐證明，該項目具有很強的實用性。