王瑞鵬，李東敏，李廣云，范百興

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2 河南省國土資源調(diào)查規(guī)劃院，河南 鄭州 450016)

MetroIn在大尺寸天線罩安裝測量中的應用

王瑞鵬1，李東敏2，李廣云1，范百興1

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2 河南省國土資源調(diào)查規(guī)劃院，河南 鄭州 450016)

闡述大尺寸天線罩的高精度安裝測量方案，基于MetroIn工業(yè)測量軟件平臺對測量數(shù)據(jù)進行處理和分析，全方位實時指導天線罩的現(xiàn)場安裝。通過對一臺口徑為5 m的天線進行防護罩安裝測量，驗證方案的正確性，表明其理論和技術成功可行。

MetroIn；大尺寸； 安裝測量；圓錐擬合；拋物面擬合；球擬合

雷達天線的主要任務是預警，可快速、全面地感知區(qū)域信息，是保證國防安全的基礎設施，通常建立在邊境前沿，如孤島、海岸等自然條件比較極端的區(qū)域，隨時面臨大風襲擊、雨雪侵蝕等威脅。隨著天線口徑的規(guī)模增大，其設計越難、造價越高、重要性越強。為了保證以及延長天線的使用壽命，削弱來自外界的威脅，給天線安裝防護罩，同時又不影響其正常工作就顯得特別重要和必要。

天線罩的設計方面，主體是穩(wěn)定的三角網(wǎng)鋼結構，面上是一層極薄、韌性極強的防護膜，不影響天線信號的接收與傳送。天線罩下端有一個圓環(huán)狀承載平臺，可以保證其穩(wěn)定性以及360°全方位旋轉。承載平臺有較高的平面度及穩(wěn)定性指標，下方是深入地下并高于地面的若干支撐柱。

為了將天線罩的安裝測量誤差降到最低以減小其對天線性能的影響，安裝測量有很多嚴格指標：天線罩與天線的同心度、承載平臺的平面度、天線罩的球形度、支撐柱的位置精度等等。為了實現(xiàn)大尺寸天線罩的高精度安裝測量，本文提出完善的測量方案，硬件采用TDA5005、T3000等工業(yè)級全站儀/經(jīng)緯儀，采用MetroIn軟件進行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

1 測量方案設計

1.1 高精度基礎控制網(wǎng)

為保證天線罩測量過程中的精度，在天線四周合適的位置布設4個建于基巖上的強制對中觀測墩，組成安裝測量的基礎控制網(wǎng)，如圖1所示?；A控制網(wǎng)作為整個天線罩安裝測量的坐標系基準，所有的安裝測量數(shù)據(jù)都在該基準下進行。

在多次重復測量過程中，儀器不可能每次都安置在強制對中墩的同一位置，所以需要復現(xiàn)基礎控制網(wǎng)坐標系。在現(xiàn)有的天線底座上，布設10個高程基準參考點，并在基礎坐標系下測量各個參考點的坐標值Pi(xi,yi,zi)。

圖1 基礎控制網(wǎng)

1.2 天線中心點測量

天線中心是天線罩測量的基準點，也是天線橫軸和豎軸的交點。由于天線中心是一個虛擬點，無法直接觀測，所以采用轉動測量法得到天線的橫軸線和豎軸線，計算兩軸線的交點求出天線中心。

在天線A，B面背架的合適位置上各粘貼一個測量標志，如圖2所示。啟動天線進行俯仰旋轉，每旋轉20°停止，對A，B面的標志點進行測量。由于兩個標志點到天線橫軸的距離不同，當天線俯仰轉動時，兩個標志點的運動軌跡是一大一小的兩個圓O1,O2，兩圓圓心與天線中心應在同一橫軸線上。因此，對O1,O2測量點作標準圓錐擬合(見圖3)求出天線橫軸線。同樣的方法對天線進行水平旋轉，求出豎軸線。計算橫軸線和豎軸線的交點得到天線中心。

圖2 天線俯仰軸

1.3 天線拋物面軸線測量

天線罩底部鋼結構是由等十邊形構成，由于十邊形的方位設計值以天線北方向(方位零度，起始邊)為參考，因此需要測量天線北方向在基準坐標系中的方位，用天線拋物面軸線與+X軸的夾角來表示。

將天線轉到天線北方向，在天線拋物面表面粘貼若干工業(yè)測量標志點，由內(nèi)及外均勻分布。對這些標志點進行前方角度交會測量，最后通過對測量標志點坐標進行拋物面擬合(見圖4)來確定天線軸線方位。

圖3 標準圓錐擬合

圖4 拋物面擬合

1.4 放樣測量

1.4.1 支撐柱放樣

天線罩承載平臺共有6根等間距分布的支撐柱，支撐柱等間距分布在以天線中心為圓心、半徑為3909 mm的圓周上(見圖5)，其放樣工作包括平面放樣和高程放樣。

圖5 支撐柱平面放樣示意圖

在天線現(xiàn)有基礎建筑平臺上，設置高程過渡點O1，并測量其高程。根據(jù)天線中心的高程和承載平臺的高程設計值，以O1的坐標為控制承載平臺施工中高程的基準對支撐柱的高程進行放樣。根據(jù)天線中心的平面坐標(X0，Y0)和承載平臺設計半徑，通過式(1)計算得到支撐柱Ci(i=1，2，…，6)的平面坐標值，根據(jù)計算值對支撐柱的平面坐標進行放樣。

(1)

1.4.2 天線罩底邊等十邊形放樣

天線罩底邊等十邊形方位線的放樣點為等十邊形內(nèi)切圓與對應方位直線的交點。每條邊5個點，共計50個放樣點。從十邊形任意兩條邊的頂點開始，第一條邊的每兩個點與圓心的夾角依次為2°(頂點與第一點)、4°(第一、二點)、12°、12°、4°，第二條邊則為4°(上條邊最后點與該邊第一點)、4°(第一、二點)、12°、12°、4°，以此類推。放樣點在基準坐標系中的水平坐標通過式(2)計算得到。

(2)

式中：3 623是設計方提供的內(nèi)切圓半徑值，mm。

根據(jù)天線中心點在基準坐標系中的坐標，50個放樣點在基準坐標系中的高程坐標值Zi通過式(3)計算得到。

Zi=Z0-5 150.

(3)

1.5 承載平臺的水平度檢測

承載平臺建好并穩(wěn)定以后，對其高程和平面度進行檢測。用TDA5005全站儀及CCR1.5″球棱鏡對天線罩底部十邊形上螺栓附近的點進行采樣，并對采樣點坐標進行平面擬合，計算承載平臺的高程和平面度。

1.6 球形度檢測和復測

天線罩組裝完畢后，用全站儀對其球形度進行檢測，以反映天線罩結構的加工誤差。測量點為天線罩內(nèi)部法蘭節(jié)點，并對所有測量點進行球面擬合和天線罩底邊平面擬合，以檢驗天線罩的球形度和天線罩底邊的平面度。為了檢測天線罩安裝的不同方位對信號接收的影響，對天線罩進行多次吊裝，并在每次吊裝后對天線罩球形度進行復測。

2 實測結果及分析

采用4臺儀器分別在觀測墩設站測量并解算，基礎控制網(wǎng)成功解算并建立后，得到4個觀測墩在基準坐標系O-XYZ中的坐標。對天線背架上的測量標志進行測量，通過標準圓錐擬合求出天線橫軸線和豎軸線以及天線中心點坐標。

2.1 天線拋物面軸線測量結果

拋物面擬合結果如圖6所示，測量的總均方根誤差為1.392 mm，天線中心點到拋物面軸線的距離為45.357 mm。從以上結果可以看出，天線在經(jīng)過長時間的使用后，天線面型有了一定程度的變形，導致拋物面軸線不能通過天線中心點。

2.2 承載平臺水平度檢測結果

承載平臺平面擬合結果如圖7所示，測量的總均方根誤差為4.432 mm，點位誤差的極小值為-10.219 mm，極大值為7.181 mm，說明支撐臺具有良好的平面度。但是大部分測量點高程比設計值低20 mm左右，其原因主要有以下幾個方面：水泥凝固影響、整體沉降影響、施工誤差影響。

圖7 平面擬合結果

2.3 天線球形度檢測及復測結果

通過球面擬合解算，天線罩中心點坐標為(-701.546，-175.482，3 776.238)，天線罩徑向偏差的總均方根誤差為5.999 mm，極小值為-15.077 mm，極大值為21.089 mm，偏差范圍為36.166 mm，天線罩總體誤差在設計范圍內(nèi)。天線罩底面的平面度誤差為17.779 mm，說明天線罩底邊十邊形Z方向變形比較大，這是由制造誤差導致的。通過計算得到天線的中心與天線罩的球心在高程上相差2.965 mm左右(不包括天線罩底邊誤差)，符合設計的要求。

在天線罩多次吊裝后，進行球形度復測，對所有測量點進行標準球擬合。解算結果中，總均方根誤差17.110 mm，極小值為-48.344 mm，極大值為49.019 mm，偏差范圍為97.363 mm，說明天線罩在反復吊裝過程中有較大程度的變形。

3 結束語

本文對大尺寸天線罩精密安裝測量的關鍵技術進行研究，提出完整的測量方案。首次將高精度工業(yè)測量系統(tǒng)應用于天線罩安裝測量，并基于MetroIn平臺進行數(shù)據(jù)采集、存儲、分析及處理，最后在實際應用中取得很好的效果。同時，天線電測結果優(yōu)于設計指標也從另一方面反映天線罩安裝的正確性。這是國內(nèi)首次大尺寸天線罩安裝的成功實踐，為以后解決此類問題提供參考。

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[責任編輯：張德福]

Application of MetroIn system to the measurement of large-scale radome installation

WANG Rui-peng1，LI Dong-min2，LI Guang-yun1，F(xiàn)AN Bai-xing1

(1.Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China; 2. He’nan Land and Resources Inventory and Planning Institute, Zhengzhou 450016, China)

It introduces a precise measurement solution of large-scale radome installation. Data is processed and analyzed with MetroIn software platform of industrial measurement to provide Omni-directional real-time guidance of radome installation. The validity of this solution is verified by measuring a 5m diameter radome, and the feasibility of measurement of large-scale radome installation is proved.

MetroIn；large-scale；installation survey；conic fitting；parabolic fitting；sphere fitting

2014-04-24

國家自然科學基金資助項目(41274014;41101446)

王瑞鵬(1990-)，男，碩士研究生.

TU198

：A

：1006-7949(2014)11-0043-03