一种导航校准工装的研究与应用

钟 敏

（江西昌河航空工业有限公司，江西景德镇 333002）

0 引言

惯性导航系统是直升机上不可或缺的重要电子设备，其功能在于提供准确的姿态、航向、位置和速度等信息，从而使飞行员能够安全地操纵直升机。然而，在安装完成后，为确保系统的准确性，必须对其姿态和航向进行校准，以确保其输出的信息达到最佳精度。理想状态下，惯性导航系统的航向基准、水平基准应与直升机的航向基准、水平基准完全重合，但是由于加工误差、安装误差的存在，惯性导航系统在直升机上的安装往往不能达到理想状态，即存在安装误差[1]。

因此，在直升机仪器仪表安装过程中，组合导航系统安装调整工作至关重要，其作用不可忽视。然而，传统的手动调整设备、手动读取记录及手动计算工作量大、所需时间长、效率低；用人眼读取标尺上的刻度，测量精度低；受外界环境温度和风速因素影响较大，对环境条件要求较高。如果惯性导航系统的初始对准不符合要求，则极有可能对准不通过，或者即使通过，系统的导航参数输出精度也不符合要求。因此，研制一种高效、方便的导航校准工装有重要的现实意义。

为了提高惯性导航系统的校准效率，本研究的目标是设计并研制出一套高效、准确、易操作的导航校准工装，具有便携、精度高、操作简便等特点。

1 总体思路

使用数字化测量设备精确定位测量点，将结果实时传输至测量系统，经过精确计算，最终生成准确可靠的测量报告。而激光跟踪仪是目前国内使用最为广泛的大空间高精度测量设备，它利用激光技术，可以实现物体的精确姿态测定。激光跟踪仪能够同时测量物体水平、垂直两个方向的角度以及物体相互间的距离，还可以用于测点的精确定位以及物体几何特征的准确测定[2]。

导航校准工装利用辅助安装工装、计算机软件、校准测量工具（主体是激光跟踪仪），将导航设备基座装配的水平和垂直两个方向的角度测量与距离测量结合在一起，构成一个空间坐标测量系统；利用高精测量靶球和数字测量系统建立坐标系，获取导航设备基座的空间几何元素测点信息，并通过三维数据分析软件完成对空间尺寸、尺寸公差与形位公差的分析计算工作。利用计算出的误差尺寸指导对导航设备基座装配的调整安装，测量示意图如图1所示。导航校准工装能满足多种机型的导航设备基座装配测量要求，并可自动计算需要调整的安装误差。

图1 测量示意图

惯性导航系统的主机托架由激光扫描和跟踪测量站进行测量。辅助校准板用于扫描和测量惯性导航系统主机托架的安装表面，然后将测量的点云平面拟合到相应的安装角度。在直升机参考坐标系下，扫描并测量安装支架与校准产品之间的接触面，然后将测量点的空间尺寸与校准目标模型对齐或进行表面拟合，以获得校准平面数据，从而获得校准平面俯仰角和滚转角的角度偏差。

2 导航校准工装组成及实现方法

导航校准工装主要由校准测量工具、校准显示系统、辅助校准板、校准工具辅助工装等组成，校准显示系统应包含独立的电源适配器及工具软件等部分。

导航校准系统主体为校准测量工具，其负责发出及接收反射回的激光，是测量的核心部件，如图2所示。校准测量工具主要用于对辅助校准板的安装位置进行测量，并将测量信息反馈给校准显示系统用于安装调整。靶球也称 “反射镜” ，是校准测量工具的一部分，是用于接收并返回激光束的耦合棱镜，能测量到直升机的水平测量点和铅锤投影点，靶球测量时应确保不发生晃动和偏移，以保证测量精度和稳定性。

图2 校准测量工具示意图

辅助校准板具备与机上导航设备一致的机械安装接口，适用于多个型号导航设备的安装及测试需求，示意图如图3所示。校准显示系统（主要包含笔记本电脑和测量软件）主要用于显示测量的安装信息，并自动计算需要调整的安装误差。校准工具辅助工装主要是为消除直升机水平测量点和铅锤投影点的人为测量误差设计的，让靶球可以更稳定地采集到直升机的水平测量点和铅锤投影点，如图4所示。

图3 辅助校准板示意图

图4 校准工具辅助工装示意图

导航校准工装使用辅助校准板安装在机载导航设备的安装位置，替代导航成品。辅助校准板可以在惯性导航系统的自带托架上进行安装，使用校准测量工具精准测量导航设备的安装位置（主要是安装面的姿态及航向参数）。辅助校准板要求能原位替代设备（要求安装比例1∶1），安装孔位需要与机上设备安装位置一致，并能适应多个型号的导航设备安装调整特点，安装固定在导航设备的自带托架并锁紧。辅助校准板平面水平度要求不大于3′，安装后侧面应与直升机对称中心线平行，其误差不大于±6′，表面要求光滑且具备耐腐蚀性。校准工具主要用于对辅助校准板的安装位置进行测量，并将测量信息反馈给校准显示系统，用于惯性导航系统安装调整，校准显示如图5所示。

图5 校准显示图

3 导航校准工装在现场的应用

3.1 现场布置

在直升机进入现场之前，有必要安排好现场和设备。为了保证测量的准确性，必须对测量现场和环境进行严格控制。在进行测量之前，必须确保直升机处于水平状态，测量必须在室内进行，以防止风力对测量结果的干扰。在测量过程中，必须确保直升机的所有部件都已经安装好，并且直升机保持空载状态，禁止任何人员操作它们。

3.2 建立基准面

利用机头和机尾自带的中心线基准点作垂线到地面，在地面垂线作出机头基点和机尾基点，将靶球基座固定在基点上。当直升机基准坐标系建立起来后，便可对机载惯性导航系统托架进行测量，得到其相对直升机机体水平平面的夹角。但为了充分利用直升机上的空间，惯性导航系统在实际安装过程中会根据各设备的特性分布在直升机的相应部位，很多设备的安装托架位于直升机机身内部，机身蒙皮或其他设备的遮挡给航电设备的安装校准带来了很大的难度，很多都无法采用精密的测量设备进行测量，或者只能使用精度较低的光学设备进行测量，无法满足测量精度要求。

3.3 导航工装校准

在直升机侧面指定位置架设导航校准工装，导航校准工装通过定位栓与紧定螺栓固定在惯导部件安装托架上，安装后位置不可调，对导航设备安装角度的测量实际上就是对其安装托架安装角度的测量，如图6所示。

图6 惯导部件安装校准示意图

惯导部件安装校准时，应用激光扫描和跟踪测量站来完成辅助安装测量，以保证较高的安装精度，但是由于测量位置的限制，激光扫描时会存在某些被测点无法测量到的情况，导航校准工装需要为满足测量要求进行适应性更改，如增加测量平面和转接支架，保证测量的基准面可以与机体保持一致。

3.4 基准测量数据获取

把校准工具放置在校准板的基座上，测量地面垂线坐标位置，测量点记录在测量软件中，根据测量结果，建立基于直升机中心线的基准测量面，并由导航校准系统专用配套软件平移到直升机舱内。

在系统使用前，应按照产品数模或图纸换算出产品三维坐标值及公差，在产品绝对坐标系下测量各测量点位的三维坐标，与理论坐标进行对比，形成测量结果，如图7所示。

图7 基准测量示意图

3.5 导航校准工装姿态调整

为保证测量的基准面与机体保持一致，辅助校准板将惯导安装基座孔延伸到其转接支架的平面上，辅助校准板的几何中心孔与惯导安装基座的几何中心孔垂直重叠。将插销式靶球基座放入辅助校准板安装孔中，靶球所在的位置须确保校准测量工具能直接测量。

使用导航校准系统软件比对基准面方向坐标的数据和辅助校准板上的靶球采集到的数据，从而获得导航基座基准面的坐标与直升机中心线基准面的数字差异，用于逐步校准工装惯导部件的安装基座。

4 结束语

导航校准工装主要用于直升机导航设备基座装配的校准，拥有尺寸测量、安装、定位功能，能确保惯性导航系统输出的导航信息达到预期精度。导航校准工装借助高精度的激光跟踪仪进行测量，与人工测量方法相比，具有操作简单的优点，同时其测量精度更高，实践证明，该项目具有很强的实用性。