随着现代飞机对性能要求的不断提高，对其生产制造亦提出了愈来愈高的要求。在飞机的生产制造过程中，飞机机载设备安装位置的校准、全机的水平测量等工序是飞机总装时不可或缺的重要环节。这些工序涉及对飞机各种机载设备安装位置以及对飞机各部件相对位置准度进行检验和调整，是对飞机上各种机载设备安装位置及飞机主要几何尺寸或参数误差的最后总检测。机载设备通常在飞机上的安装均有一定的姿态精度要求，诸如设备相对于飞机水平基准面的俯仰角、侧倾角以及相对于飞机对称面的偏航角一般都有安装精度要求，需要在安装时进行安装姿态的校准。各种机载设备安装姿态的精度，直接关系到飞机飞行参数的精确度，从而影响飞机的飞行性能。如机载导航设备的安装位置的精度对于飞机飞行的导航精确度有着极为关键的影响。
目前国内对飞机的各种机载设备安装姿态以及对飞机各部件相对位置的校准测量工作仍以传统光学测量仪器为主，使用的测量工具包括水准仪、光学经纬仪和钢卷尺等。对于机载设备安装姿态的校准，则需要在飞机调整为水平姿态的情况下，借助复杂的校准夹具以及靶板等工具，由工作人员以手工方式进行。采用这种方法，仅满足于能把飞机制造出来，测量精度和效率低下。新一代飞机对部件和机载设备的安装准确度提出了更高要求，传统的飞机测量和校准方法已经无法满足其要求，迫切需要在机载设备安装姿态的校准测量等序中采用先进的数字化测量仪器和技术。
数字化测量技术的迅速发展使得新的测量仪器不断出现。在飞机制造领域得到和正在得到应用的数字化测量设备主要包括全站仪、经纬仪、激光跟踪仪(Laser tracker)、室内GPS(Indoor GPS，亦称为局域GPS)、照相测量和激光雷达(Laserradar)等。激光雷达由于具有测量精度高，测量范围广，非接触式和自动化程度高等优点，在国外的航空、造船和汽车等工业领域，正得到越来越多的应用。激光雷达是雷达技术与激光技术相结合的产物，是激光器用于探测和测距的技术，它使传统雷达的工作波段扩展到光波波段。激光雷达的工作波段一般从红外波段到可见光及紫外光波段，由于工作波长较短，激光雷达的测量精度、分辨能力和抗干扰性能远远超过普通的微波雷达。利用激光雷达进行飞机机载设备安装姿态的校准，可以有效提高测量校准的精度和效率，满足现代飞机更高的研制要求。
l激光雷达系统的测量原理与组成
激光雷达通常包括激光器、发射望远镜、接收望远镜、滤光器、光电探测器、信号处理单元、数据输出单元和电源等基本组成部分。其基本原理和构造与激光测距仪极为相似：首先向被测量目标发射一束激光，然后根据所测量的反射或散射信号的到达时间、强弱和频率变化等参数，确定被测量目标的距离、方位和运动速度等。激光雷达是一种球坐标系的测量系统，它利用反射镜指向测量目标来得出方位角卢和俯仰角口，利用红外激光来获取目标的距离尺，最后将被测目标的球坐标参数转换成笛卡尔直角坐标，得出被测量点的坐标位置(z，Y，z)，如图1所示，其中的坐标转换可按式(1)进行。
激光雷达在测量过程中，被测目标的方位角和俯仰角可分别由反射镜和旋转头处的角位移传感器获取。而在测量目标的距离时，首先由激光器产生两束同源激光，其中一束通过反射镜投射到被测目标，再经目标反射后，由激光雷达的反射信号接收装置捕获，而与此同时，另一束则沿内置的已知长度光纤传播。通过把接收信号的频率和通过已知的精确长度光纤的发射信号频率作比较得出测量的长度，即被测目标与激光雷达的距离(见图2)。以Metris的MV240激光雷达为例，其采用的激光频率是在200 THz基础上从0到86 GHz呈锯齿状变化的。激光束在内部光纤中传播的时间，相当于其在空气中传播17.4 m距离所需的时间。若经由被测目标返回的激光信号较之在内部定长光纤中传播的激光信号存在At的延迟时间，则由于信号延迟导致的频率变化Af与At之间存在正比关系(见图3)，而这一频率变化Af可以在激光雷达中准确测出，因此可以算出延迟时间At，并最终得到被测化目标与激光雷达之间的距离R。
2传统校准方法
目前使用的机载设备安装姿态的传统校准方法主要分如下若干步骤：
首先需要将飞机调整为设计的水平状态。这个过程中，利用水准仪、光学经纬仪和钢尺等，对飞机机翼和机身上的关键测量点进行人工测量、判读数据，根据测量结果不断调整飞机支撑的高度，直到满足水平姿态要求。
其次需要设置靶板。这类靶板通常为各型飞机所专用，不同型号飞机间一般不能通用。靶板上包括各种机载设备安装姿态校准所需的相应靶圈，靶圈直径大小根据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25，50 m或更远处。它亦需要进行位置调整，要求处于水平、铅垂状态，靶标的中心需要与飞机的中轴线重合。
然后是安装各种机载设备的专用校准夹具。这类夹具安装在对应设备的安装底座上，同时它们各自都带有相应的专用瞄准镜，图4为典型的校准夹具示意图。工作人员通过这些瞄准镜来观测远处靶板上相应设备的靶圈。如果瞄准镜中的标线能落在相应靶圈中，则表明该安装姿态位置满足要求，否则需要根据标线落在靶圈中的位置反复调整设备的安装底座，直至其达到设计要求为止。
机载设备安装姿态的这种传统校准方法，利用校准夹具、靶板等，把常规光学测量手段在近距离难以测量的微小安装误差，按比例放大到较远距离处，以便于辨识测量的靶圈目标。但是这种校准方法存在着如下的缺点：(1)测量过程需要先将飞机调成水平姿态。这个过程不仅耗时，而且精度难以保证，劳动强度与工作量都较大;(2)需要设计制造相对复杂的专用靶标，摆放位置调整费时;(3)校准夹具设计和制造精度要求很高;(4)校准过程中的测量、记录和判读均需人工完成，效率低下且较容易出错;(5)整个测量校准过程产生误差的环节多。
传统校准方法的误差主要来自校准夹具的制造安装误差、测量设备误差以及测量过程中人工测量判读误差等。如校准夹具瞄准镜(靶镜)套筒中心线与夹具底座安装面的平行度误差、校准夹具在底座上的安装误差、靶镜在靶镜套筒中的安装误差、对靶过程中的人工瞄准误差、飞机水平姿态的调整误差和靶板相对于飞机摆放的位置误差等，诸多的这些导致误差的环节使得整个校准工作效率低，难以达到更高的校准精度要求。
3激光雷达安装姿态校准方法
激光技术的发展使精密测量从传统的接触式测量，如坐标测量机、激光跟踪仪等向非接触式的测量转变。目前现有的非接触系统大部分都需将传感器或扫描头尽可能靠近被测物体的表面，且测量范围较小。激光雷达的出现使得大空间范围、非接触式的精确测量成为可能，从而不再受接触式传感器测量的局限。下面将研究如何应用激光雷达系统取代传统测量校准方法对机载设备安装姿态进行测量校准。
传统的校准夹具结构相对复杂，加工制造精度要求高，尤其是需要保证靶镜的镜筒中轴线与夹具的安装基准面之间的空间平行度。利用激光雷达，机载设备安装姿态校准工序得以化简。这一方面体现在校准夹具结构及制造上的简化。图5所示的是针对激光雷达的测量特点的校准夹具原理性设计方案。该校准夹具可安装于机载设备安装基座，只需保证夹具上的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平行。另一方面，利用激光雷达进行校准无需将飞机姿态调水平。
基于激光雷达的机载设备安装姿态校准主要包括以下步骤：
(1)校准夹具的安装与激光雷达摆放位置的确定，以保证飞机的关键测量点以及校准夹具上的固定靶球处于激光雷达可测范围之内。
(2)建立校准参考测量坐标系。测量飞机的关键测量点，通过这些点建立用于校准用的飞机坐标系oxyz，其中ox为横轴，oy为飞机机身纵轴，oz为飞机立轴(见图5)。机载设备安装校准通常需要以实际飞机坐标系作为测量参照系。
(3)机载设备安装姿态的校准。假设由激光雷达测得3个固定靶球在飞机坐标系中的位置分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则设备安装基座所在平面的俯仰角a、侧倾角0和偏航角p分别为
若设备安装要求的姿态角分别为俯仰角ao、侧倾角0o和偏航角po，则需要调整的俯仰角△a、侧倾角△0和偏航角△p分别为
对于图5中设备安装基座大致平行于xoy平面的情形，上述姿态角a和0的校准调整一般通过在相应安装孔位置处变化垫片厚度的方式进行。如果安装基座大致平行于xoz或yoz平面时，相应的姿态角亦可采用类似的调整方法。实际工作中，由于需要调整的角度Aa，△0和△p均较小，因此垫片厚度的调整量可由下式得到
式中：△a，△0以弧度为单位;l为图5中1号与2号安装孔间距在yoz平面的投影长度;W为图5中3号与2号安装孔间距在xoz平面的投影长度。
按照上述过程调整安装姿态后，需要调整后再次测量检验。如果测量结果未能满足设计安装要求，则需要重复步骤(3)，直到满足设计安装要求。
以某型飞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，该仪器对于安装基座的位置精度要求在俯仰、航向和滚转三轴上与飞机相应三轴之间的夹角小于士3’，即该设备安装基座所在平面的俯仰角口、侧倾角口和偏航角卢应当保持在一37至+3’之间。对于传统校准方法而言，需要利用距离安装位置25 m距离处的靶板，当不考虑其他环节上的误差影响时，要达到上述基座的位置安装要求，校准夹具上的瞄准镜中心位置必须落在靶板上相应位置处的一个半径小于21.82 mm的靶圈之内。但是由于传统校准方法自身的不足，使得惯导设备安装位置的校准效率较低、精度不易保证。
当被校准基座安装孔间距z或硼(见图5)为250 mm时，要保证在这个间距上分辩出±37的角度，需要在飞机测量校准坐标系中，能够分辩出三轴方向0.218 mm的偏差。当被校准基座安装孔间距l或W为125 mm时，则要求在飞机测量校准坐标系中，能够分辩出三轴方向0.109 mm的偏差。如果使用传统的机载设备测量校准方法，由于误差环节多，因此实际上难于保证设备安装测量与校准的上述精度要求。如果采用激光雷达的测量校准方案，则可以避免传统方法中的许多误差环节，直接测量安装校准夹具上的固定靶球。目前的激光雷达产品其测量精度与激光跟踪仪相当，但是使用操作上的便利性及自动化程度都远远高于激光跟踪仪。
对于MV224和MV260型激光雷达，当被测量点与激光雷达间距小于1 m时，单点测量的3 D不确定度低于16弘m;小于2 m时，单点测量的3 D不确定度低于24 pm。利用MV224激光雷达，对位于测量坐标系中的单点进行了实际测量实验，该点在测量坐标系中的xyz坐标分别为3 025，2 557和一533 mm。实际测量的误差结果分别如图6"--8所示。实测结果显示，利用激光雷达对于该单点的实测，在各个坐标轴方向上的测量误差均小于0.015mm，远小于基于激光雷达的机载惯导测量校准方案对整个测量校准系统的精度要求。这表明了基于激光雷达的测量校准方案，完全满足机载惯导设备的测量校准要求。
4 结束语
对比两种机载设备安装姿态校准方法，可以发现基于激光雷达的校准方法不仅可以省去飞机姿态凋水平的环节，同时也可以相应大大简化校准夹具的结构复杂性，降低了校准夹具加工制造的难度。激光雷达测量系统有效避免了人工接触式测量过程中的各种人为的不确定因素。对于测量结果，可以利用文中的相应计算方法，利用计算机能够快捷地直接得到姿态调节所需的垫片调整量。
因此，本文中基于激光雷达的机载设备安装姿态测量校准方法，将有效减少这一校准过程中的误差环节，在提高测量校准精度和可靠性的同时，也有效提高了工作效率，有助于实现现代飞机更高的研制要求。
