本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量方法 ，特别涉及一种室内空间测量定位系统 的精密控制场精度溯源方法。 背景技术

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� �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。 目前， 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。 发明内容

针对上述现有技术， 为了弥补 wMPS系统因测量距离增大导致的精度损失， 以及工业 现场大尺寸测量难以使用标准件实现精度溯源 的不足，充分利用激光跟踪仪干涉测距可直 接溯源至激光波长的特点，本发明提供一种室 内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源 方法。本发明利用激光跟踪仪高精度测距作为 约束，获取全局控制点更为精确的三维坐标， 构建精密控制场， 作为 wMPS系统的测量基准， 实现现场测量的精度溯源， 进而提高 wMPS 系统的测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明一种室内空间 测量定位系统的精密控制场精度溯源方 法， 包括以下步骤：

步骤一、在测量空间内布设有 N个移动鸟巢和 M个站位，将激光跟踪仪放置在站位 1， 步骤二、 将一目标反射镜放在移动鸟巢 1上形成全局控制点 1， 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到移动鸟巢 2、 移动鸟巢 3、 ……、 移动鸟 巢 N-l、 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干涉测距精度， 从而建立精密控制场；

步骤六、在测量空间内布置多个发射站， 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；

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。

与现有技术相比， 本发明的有益效果是：

本发明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， 获取现场工装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。 附图说明

图 1是现有技术室内空间测量定位系统 （wMPS ) 组成示意图；

图 2是本发明中全局控制点三维坐标在多个站位� �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。 具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的室 内空间测量定位系统的精密控制场精 度溯源方法进行详细说明。

本方法是基于《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（即所述的已有技术中的丽 PS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� �精度，实现现场测量的精度溯源， 本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 (本发明中目标反射镜 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-l、 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： r = ^x ² + y ² + z ² ( 1 ) 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 ， 作为优化过程的测量值， 其中 i表示第 i个站位， i=l， 2， ···，¾!， j表示第 j个全局控制点， 」=1，2，···，Ν;

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 (X; y 0和 X! ^s i ζ , 作为优化过程的初值； 步骤 5-2) 在全局坐标系下， 建立冗余测距方程， 表示为: 厂 JQ ² ₊ (y厂 Y ₊ (z厂 Z (2) 式 （2) 中， / _y 为测距值， 对式 （1)在 (x _; ° ή), ( ° i Z )处按泰勒一阶展 开， 得: i ^{j ij} ' dX,

式 （3) 中， (Δ^. Δ^. Δ^.)和（Δ ,. ΔΖ,.)分别为全局控制点和跟踪仪站位的 三维坐标的优化改正值， 利用式 （3) 建立如下误差方程：

对于 Μ个激光跟踪仪站位， Ν个全局控制点， 冗余误差方程组用下式表示：

V^AAX-b (5) 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， AX = [AX,,AY,,AZ _l ,AX ₂ ,AY ₂ ,AZ ₂ ,...,AX _M ,AY _M ,AZ _M ,Ax _l ,Ay _l ,Az _l ,Ax ₂ ,Ay ₂ ,Az ₂ ,...,Ax _N ,Ay _N ,Az _N f ^u L'll 11''12 J '

步骤 5-3) 根据激光跟踪仪的测距精度 对向量 V进行加权， 并用下式表示：

P = diagda^ , )- ² , (σ,/ ₁₂ )- ² , · · · , )- ² ) ( 6 ) 步骤 5-4 )根据激光跟踪仪的测距及测角精度对向量 , ,，« Az _N 进行初 始加权， 并根据定向精度对向量[^ ₁ ^^ ₁ ,...,^ 2 ] ⁷ 进行初始加权， 由此得 到向量 的初始权矩阵 Ρ _Χΰ ；

步骤 5-5) 当全局控制点个数 Ν和激光跟踪仪测量站位数 Μ满足 ΜΝ>3 (Μ+Ν)时， 建立 优化目标方程表示为下式：

Ρ = ιίη

(7) AX ^T P _V AX = min 由于矩阵 A是病态矩阵，矩阵条件数极大，平差解算时� �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 ΔΑ^和协方差矩阵 O ， 其中， k表示迭代次数； 根据 O 对 P _x 。进行修正， 实现动态加权；

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� ��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� �， 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，本发明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。 本发明具有以下优点：

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。

尽管上面结合图对本发明进行了描述， 但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是 限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下， 在不脱离本发明宗旨的情况下， 还可以作出很多变形， 这些均属于本发明的保 护之内。