MetroIn在大尺寸天线罩安装测量中的应用

王瑞鹏，李东敏，李广云，范百兴

(1.信息工程大学，河南 郑州 450001；2 河南省国土资源调查规划院，河南 郑州 450016)

MetroIn在大尺寸天线罩安装测量中的应用

王瑞鹏1，李东敏2，李广云1，范百兴1

(1.信息工程大学，河南 郑州 450001；2 河南省国土资源调查规划院，河南 郑州 450016)

阐述大尺寸天线罩的高精度安装测量方案，基于MetroIn工业测量软件平台对测量数据进行处理和分析，全方位实时指导天线罩的现场安装。通过对一台口径为5 m的天线进行防护罩安装测量，验证方案的正确性，表明其理论和技术成功可行。

MetroIn；大尺寸； 安装测量；圆锥拟合；抛物面拟合；球拟合

雷达天线的主要任务是预警，可快速、全面地感知区域信息，是保证国防安全的基础设施，通常建立在边境前沿，如孤岛、海岸等自然条件比较极端的区域，随时面临大风袭击、雨雪侵蚀等威胁。随着天线口径的规模增大，其设计越难、造价越高、重要性越强。为了保证以及延长天线的使用寿命，削弱来自外界的威胁，给天线安装防护罩，同时又不影响其正常工作就显得特别重要和必要。

天线罩的设计方面，主体是稳定的三角网钢结构，面上是一层极薄、韧性极强的防护膜，不影响天线信号的接收与传送。天线罩下端有一个圆环状承载平台，可以保证其稳定性以及360°全方位旋转。承载平台有较高的平面度及稳定性指标，下方是深入地下并高于地面的若干支撑柱。

为了将天线罩的安装测量误差降到最低以减小其对天线性能的影响，安装测量有很多严格指标：天线罩与天线的同心度、承载平台的平面度、天线罩的球形度、支撑柱的位置精度等等。为了实现大尺寸天线罩的高精度安装测量，本文提出完善的测量方案，硬件采用TDA5005、T3000等工业级全站仪/经纬仪，采用MetroIn软件进行数据采集、处理和分析。

1 测量方案设计

1.1 高精度基础控制网

为保证天线罩测量过程中的精度，在天线四周合适的位置布设4个建于基岩上的强制对中观测墩，组成安装测量的基础控制网，如图1所示。基础控制网作为整个天线罩安装测量的坐标系基准，所有的安装测量数据都在该基准下进行。

在多次重复测量过程中，仪器不可能每次都安置在强制对中墩的同一位置，所以需要复现基础控制网坐标系。在现有的天线底座上，布设10个高程基准参考点，并在基础坐标系下测量各个参考点的坐标值Pi(xi,yi,zi)。

图1 基础控制网

1.2 天线中心点测量

天线中心是天线罩测量的基准点，也是天线横轴和竖轴的交点。由于天线中心是一个虚拟点，无法直接观测，所以采用转动测量法得到天线的横轴线和竖轴线，计算两轴线的交点求出天线中心。

在天线A，B面背架的合适位置上各粘贴一个测量标志，如图2所示。启动天线进行俯仰旋转，每旋转20°停止，对A，B面的标志点进行测量。由于两个标志点到天线横轴的距离不同，当天线俯仰转动时，两个标志点的运动轨迹是一大一小的两个圆O1,O2，两圆圆心与天线中心应在同一横轴线上。因此，对O1,O2测量点作标准圆锥拟合(见图3)求出天线横轴线。同样的方法对天线进行水平旋转，求出竖轴线。计算横轴线和竖轴线的交点得到天线中心。

图2 天线俯仰轴

1.3 天线抛物面轴线测量

天线罩底部钢结构是由等十边形构成，由于十边形的方位设计值以天线北方向(方位零度，起始边)为参考，因此需要测量天线北方向在基准坐标系中的方位，用天线抛物面轴线与+X轴的夹角来表示。

将天线转到天线北方向，在天线抛物面表面粘贴若干工业测量标志点，由内及外均匀分布。对这些标志点进行前方角度交会测量，最后通过对测量标志点坐标进行抛物面拟合(见图4)来确定天线轴线方位。

图3 标准圆锥拟合

图4 抛物面拟合

1.4 放样测量

1.4.1 支撑柱放样

天线罩承载平台共有6根等间距分布的支撑柱，支撑柱等间距分布在以天线中心为圆心、半径为3909 mm的圆周上(见图5)，其放样工作包括平面放样和高程放样。

图5 支撑柱平面放样示意图

在天线现有基础建筑平台上，设置高程过渡点O1，并测量其高程。根据天线中心的高程和承载平台的高程设计值，以O1的坐标为控制承载平台施工中高程的基准对支撑柱的高程进行放样。根据天线中心的平面坐标(X0，Y0)和承载平台设计半径，通过式(1)计算得到支撑柱Ci(i=1，2，…，6)的平面坐标值，根据计算值对支撑柱的平面坐标进行放样。

(1)

1.4.2 天线罩底边等十边形放样

天线罩底边等十边形方位线的放样点为等十边形内切圆与对应方位直线的交点。每条边5个点，共计50个放样点。从十边形任意两条边的顶点开始，第一条边的每两个点与圆心的夹角依次为2°(顶点与第一点)、4°(第一、二点)、12°、12°、4°，第二条边则为4°(上条边最后点与该边第一点)、4°(第一、二点)、12°、12°、4°，以此类推。放样点在基准坐标系中的水平坐标通过式(2)计算得到。

(2)

式中：3 623是设计方提供的内切圆半径值，mm。

根据天线中心点在基准坐标系中的坐标，50个放样点在基准坐标系中的高程坐标值Zi通过式(3)计算得到。

Zi=Z0-5 150.

(3)

1.5 承载平台的水平度检测

承载平台建好并稳定以后，对其高程和平面度进行检测。用TDA5005全站仪及CCR1.5″球棱镜对天线罩底部十边形上螺栓附近的点进行采样，并对采样点坐标进行平面拟合，计算承载平台的高程和平面度。

1.6 球形度检测和复测

天线罩组装完毕后，用全站仪对其球形度进行检测，以反映天线罩结构的加工误差。测量点为天线罩内部法兰节点，并对所有测量点进行球面拟合和天线罩底边平面拟合，以检验天线罩的球形度和天线罩底边的平面度。为了检测天线罩安装的不同方位对信号接收的影响，对天线罩进行多次吊装，并在每次吊装后对天线罩球形度进行复测。

2 实测结果及分析

采用4台仪器分别在观测墩设站测量并解算，基础控制网成功解算并建立后，得到4个观测墩在基准坐标系O-XYZ中的坐标。对天线背架上的测量标志进行测量，通过标准圆锥拟合求出天线横轴线和竖轴线以及天线中心点坐标。

2.1 天线抛物面轴线测量结果

抛物面拟合结果如图6所示，测量的总均方根误差为1.392 mm，天线中心点到抛物面轴线的距离为45.357 mm。从以上结果可以看出，天线在经过长时间的使用后，天线面型有了一定程度的变形，导致抛物面轴线不能通过天线中心点。

2.2 承载平台水平度检测结果

承载平台平面拟合结果如图7所示，测量的总均方根误差为4.432 mm，点位误差的极小值为-10.219 mm，极大值为7.181 mm，说明支撑台具有良好的平面度。但是大部分测量点高程比设计值低20 mm左右，其原因主要有以下几个方面：水泥凝固影响、整体沉降影响、施工误差影响。

图7 平面拟合结果

2.3 天线球形度检测及复测结果

通过球面拟合解算，天线罩中心点坐标为(-701.546，-175.482，3 776.238)，天线罩径向偏差的总均方根误差为5.999 mm，极小值为-15.077 mm，极大值为21.089 mm，偏差范围为36.166 mm，天线罩总体误差在设计范围内。天线罩底面的平面度误差为17.779 mm，说明天线罩底边十边形Z方向变形比较大，这是由制造误差导致的。通过计算得到天线的中心与天线罩的球心在高程上相差2.965 mm左右(不包括天线罩底边误差)，符合设计的要求。

在天线罩多次吊装后，进行球形度复测，对所有测量点进行标准球拟合。解算结果中，总均方根误差17.110 mm，极小值为-48.344 mm，极大值为49.019 mm，偏差范围为97.363 mm，说明天线罩在反复吊装过程中有较大程度的变形。

3 结束语

本文对大尺寸天线罩精密安装测量的关键技术进行研究，提出完整的测量方案。首次将高精度工业测量系统应用于天线罩安装测量，并基于MetroIn平台进行数据采集、存储、分析及处理，最后在实际应用中取得很好的效果。同时，天线电测结果优于设计指标也从另一方面反映天线罩安装的正确性。这是国内首次大尺寸天线罩安装的成功实践，为以后解决此类问题提供参考。

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[责任编辑：张德福]

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

WANG Rui-peng1，LI Dong-min2，LI Guang-yun1，FAN 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

国家自然科学基金资助项目(41274014;41101446)

王瑞鹏(1990-)，男，硕士研究生.

TU198

：A

：1006-7949(2014)11-0043-03