摘要：本文主要就國外廣泛應用的幾類新型測量技術及其設備進行闡述，并結合國內現有設備介紹了飛機行業的系列典型應用實例，以期為國內飛機制造企業和技術人員提供借鑒和參考。
關鍵詞：大尺寸；三維測量；飛機制造；V-STARS系統
1 引言
以大飛機制造為代表的飛機數字制造技術的發展，對精密測量技術提出了一系列新的要求，尤其是要求能夠進行非接觸式、現場在位測量，而且還要能夠適應不同尺寸部件、尤其是大尺寸部件或整機的測量。
大尺寸測量主要指“幾米至幾百米范圍內物體的空間位置、尺寸、形狀、運動軌跡等的測量”。
目前可以實現大尺寸三維測量的設備主要有經緯儀測量系統、激光跟蹤測量系統、激光掃描測量系統、室內GPS和數字攝影測量系統等。
本文主要就國內外廣泛應用的幾類新型測量技術及其設備進行闡述，并結合現有設備介紹了飛機行業的典型應用實例，以期為國內飛機制造企業和技術人員提供借鑒和參考。
2 大尺寸三維測量技術與設備
2.1 經緯儀測量系統
經緯儀測量系統是由兩臺以上的高精度電子經緯儀（如Leica 的TM5100A，水平角和垂直角的測角精度皆為0.5"）構成的空間角度前方交會測量系統，是在大尺寸測量領域應用最早和最多的一種系統，由電子經緯儀、基準尺、通訊接口和聯機電纜及微機等組成。
經緯儀測量系統的優點是測量范圍較大（0.5m 至幾十米）、是光學、非接觸式測量方式，測量精度在二十米范圍內的坐標精度可達到10μm/m；其不足是一般采用手動照準目標，逐點測量，測量速度慢、自動化程度不高。
目前，國內外已有多個商用化的成型設備，如瑞士Leica 公司的Axyz/MTM系統和國內鄭州辰維科技有限公司的SMN/M系統。
自上世紀80年代開始，已在國內外的飛機制造企業中廣泛應用，但隨著其它類測量技術與設備（如激光跟蹤儀）的出現和應用，經緯儀測量系統目前已基本退出飛機制造業，不過在其它行業（如航天制造業）仍在大量應用。
2.2 激光跟蹤測量系統
激光跟蹤測量系統（簡稱激光跟蹤儀）是由單臺激光跟蹤儀及其測量附件等構成的球坐標測量系統。由于干涉法距離測量的精度高，測量速度快，因此激光跟蹤儀的整體測量性能和精度要優于經緯儀測量系統。在測量范圍內（一般<50m），坐標重復測量精度達到5ppm（即5μm/m）；絕對坐標測量精度達到10ppm（即10μm/m）。但在單項指標上，如測角精度比經緯儀的要低。
Leica 公司于1990 年就推出了第一代商用激光跟蹤測量系統SMART310，美國的API公司和FARO公司也推出了各自最新的系統TrackerIII 和Tracker ION。
激光跟蹤儀自推出伊始就開始在飛機制造業大量應用，自沈陽飛機工業集團公司于1997年引進第1 臺激光跟蹤儀后，目前國內所有的飛機制造企業均在大量使用激光跟蹤儀，僅西飛集團就有不下20 臺激光跟蹤儀。
采用其它非干涉法測距方式可以不需要合作目標來實現距離的測量，將這類設備稱為激光掃描測量系統（簡稱激光掃描儀）。激光掃描儀的測距原理分為三種：一是脈沖法激光測距，二是激光相位法測距，三是激光三角法測距。
基于脈沖法測距的激光掃描儀精度較低，一般為毫米級，但其測程較長，如FARO 公司的Photon120 型激光掃描儀（最大測程120m，測距精度達到為2mm）。故其主要應用在土木工程測量、文物和建筑物的三維測繪等領域。
激光雷達是一種新型的球坐標系的三維掃描測量系統，它產生一束聚焦的紅外激光投向被測目標，此時在被測目標上產生大量的發射光束，將入射激光返回雷達所經歷的時間與復制的入射激光通過內置的已知長度的光纖所用的時間進行比對，得出被測目標與激光雷達的距離。被測目標的方位角和仰角分別由反射鏡獲和旋轉頭獲取，最后將獲得的球坐標轉換成直角坐標，即可獲得被測目標的坐標。
美國Metris公司（最初叫Metric Vision公司，現已被并入Nikon Metrology公司）推出的激光雷達MV224/260 在24m 距離上絕對距離測量的廠家標稱精度可以達到0.1mm，最大測量范圍可以達到60m。
激光雷達的顯著特點是其不需要合作目標（角反射器）就可以實現高精度的三維掃描測量，就其技術特點而言應該具有很大的應用空間。然而實際上，雖然該類設備進入國內已有近十年時間，但限于技術成熟度和價格等因素，還沒有看到很成功的應用案例。
2.4 室內GPS
所謂室內GPS（也稱iGPS）是指利用室內的激光發射裝裝置（基站）不停地向外發射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號后，從中得到發射器與接受器間的兩個角度值（類似于經緯儀的水平角和垂直角），在已知了基站的位置和方位信息后，只要有兩個以上的基站就可以通過角度交會的方法計算出接收器的三維坐標。
美國Arc Second 公司（現也并入了Nikon Metrology 公司）生產的室內iGPS，其測量速度達到了20Hz，測量空間范圍從幾米到幾百米，如果采用四個以上的基站，10 米測量空間內測量精度可以達到0.125mm。
iGPS 最為顯著的特點是測量空間范圍幾乎不受限制（從幾米至幾百米），且多個用戶（接收機）同時工作互不干擾。國外已有用iGPS 進行大飛機總體裝配的應用（圖2），目前國內的應用尚處在待開發階段。
數字攝影測量是通過數碼相機在不同的位置和方向獲取同一物體的2 幅以上的數字圖像，經計算機圖像匹配等處理及相關數學計算后得到待測點精確的三維坐標。其測量原理和經緯儀測量系統一樣，均是三角形交會法。
數字攝影測量系統一般分為單臺像機的脫機測量系統、多臺像機的聯機測量系統。此類系統與其它類系統一樣具有精度高、非接觸測量和便攜性好等特點。此外，還具有其它系統所無法比擬的優點：可適應不同尺寸（從0.5m 至100m）的測量對象，測量現場工作量小、快速、高效和不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾。國外的生產廠家和產品很多，如美國GSI 公司的V-STARS 系統和挪威Metronor 公司的Metronor 系統等。
美國早在上世紀六七十年代就開始大規模將數字攝影測量技術應用于航空制造業，雖然該技術被引入國內不過六年之久，但其優勢已逐步被認可，應用面也越來越廣。
作為引入國內飛機制造業時間最短的成熟技術的新設備，V-STARS系統及其應用還不是廣為大眾所知，故本文將在后文加以重點介紹。
3 V-STARS 系統及其應用
3.1 V-STARS系統簡介
V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系統是美國GSI公司研制的數字攝影三坐標測量系統。V-STARS系統可采用脫機和聯機二種測量方式，即單相機系統和雙（多）相機系統，圖3。根據采用不同的相機又可以分為V-STARS/S（智能單相機系統）、V-STARS/E（經濟型單相機系統）和V-STARS/M（智能多相機系統）
V-STARS/S8 系統的典型測量精度為5mm＋5mm/m；而V-STARS/E/M 系統的測量精度為10mm＋10mm/m。
（1） 大型工裝夾具測量
飛機生產過程中使用大量的各種工裝夾具均需要精密測量數據，這類測量是V-STARS 系統最基本的功能體現，圖5。
V-STARS/S 系統配合光學靶標是用于大型模具快速數字化測量，使用遙控測頭的V-STARS/M 系統則可以便捷地對具有曲線特征的模具進行數字化，圖6。
V-STARS 系統結合激光跟蹤儀已經成功協助中國商飛公司解決了大飛機外形測繪問題，圖8。
采用V-STARS/S 系統對空客A320 型飛機的機翼吊掛進行安裝質量檢測，目前該設備已在天津空客總裝廠和西安西飛國際機翼裝配廠等成功應用，圖9。
利用V-STARS/S 系統對GE90 引擎的管道進行測量，如此狹窄的測量空間中唯有攝影測量才可實施，圖10。
采用4臺INCA相機組成的V-STARS/M系統并經過定制開發而成的大型機身自動鉆孔引導測量系統，成功解決了美國SPIRIT 公司的機身自動鉆孔問題，圖11。
【1】葉聲華，王仲，曲興華，精密測試技術展望，中國機械工程，2000，11（3）
【2】熊有倫，數字裝備與數字制造，第四屆中國國際機電產品博覽會組委會，2003
【3】謝華錕，現代精密量儀現狀及水平－從近幾屆中國國際機床展覽會看量具量儀發展趨勢，現代切削與測量工程（國際）研討會，成都：2004，10
【4】張國雄，裘祖榮，測試技術的作用與發展方向，現代切削與測量工程（國際）研討會，成都：2004
【5】黃桂平、欽桂勤. 大尺寸三坐標測量方法與系統. 宇航計測技術，2007，27（4）
第一作者簡介:
黃桂平(1973－)，男，江蘇溧陽人，鄭州測繪學院副教授、博士，主要從事大尺寸三維測量技術和數字攝影測量技術等方向的研究與應用。
關鍵詞：大尺寸；三維測量；飛機制造；V-STARS系統
1 引言
以大飛機制造為代表的飛機數字制造技術的發展，對精密測量技術提出了一系列新的要求，尤其是要求能夠進行非接觸式、現場在位測量，而且還要能夠適應不同尺寸部件、尤其是大尺寸部件或整機的測量。
大尺寸測量主要指“幾米至幾百米范圍內物體的空間位置、尺寸、形狀、運動軌跡等的測量”。
目前可以實現大尺寸三維測量的設備主要有經緯儀測量系統、激光跟蹤測量系統、激光掃描測量系統、室內GPS和數字攝影測量系統等。
本文主要就國內外廣泛應用的幾類新型測量技術及其設備進行闡述，并結合現有設備介紹了飛機行業的典型應用實例，以期為國內飛機制造企業和技術人員提供借鑒和參考。
2 大尺寸三維測量技術與設備
2.1 經緯儀測量系統
經緯儀測量系統是由兩臺以上的高精度電子經緯儀（如Leica 的TM5100A，水平角和垂直角的測角精度皆為0.5"）構成的空間角度前方交會測量系統，是在大尺寸測量領域應用最早和最多的一種系統，由電子經緯儀、基準尺、通訊接口和聯機電纜及微機等組成。
經緯儀測量系統的優點是測量范圍較大（0.5m 至幾十米）、是光學、非接觸式測量方式，測量精度在二十米范圍內的坐標精度可達到10μm/m；其不足是一般采用手動照準目標，逐點測量，測量速度慢、自動化程度不高。
目前，國內外已有多個商用化的成型設備，如瑞士Leica 公司的Axyz/MTM系統和國內鄭州辰維科技有限公司的SMN/M系統。
自上世紀80年代開始，已在國內外的飛機制造企業中廣泛應用，但隨著其它類測量技術與設備（如激光跟蹤儀）的出現和應用，經緯儀測量系統目前已基本退出飛機制造業，不過在其它行業（如航天制造業）仍在大量應用。
2.2 激光跟蹤測量系統
激光跟蹤測量系統（簡稱激光跟蹤儀）是由單臺激光跟蹤儀及其測量附件等構成的球坐標測量系統。由于干涉法距離測量的精度高，測量速度快，因此激光跟蹤儀的整體測量性能和精度要優于經緯儀測量系統。在測量范圍內（一般<50m），坐標重復測量精度達到5ppm（即5μm/m）；絕對坐標測量精度達到10ppm（即10μm/m）。但在單項指標上，如測角精度比經緯儀的要低。
Leica 公司于1990 年就推出了第一代商用激光跟蹤測量系統SMART310，美國的API公司和FARO公司也推出了各自最新的系統TrackerIII 和Tracker ION。
激光跟蹤儀自推出伊始就開始在飛機制造業大量應用，自沈陽飛機工業集團公司于1997年引進第1 臺激光跟蹤儀后，目前國內所有的飛機制造企業均在大量使用激光跟蹤儀，僅西飛集團就有不下20 臺激光跟蹤儀。
采用其它非干涉法測距方式可以不需要合作目標來實現距離的測量，將這類設備稱為激光掃描測量系統（簡稱激光掃描儀）。激光掃描儀的測距原理分為三種：一是脈沖法激光測距，二是激光相位法測距，三是激光三角法測距。
基于脈沖法測距的激光掃描儀精度較低，一般為毫米級，但其測程較長，如FARO 公司的Photon120 型激光掃描儀（最大測程120m，測距精度達到為2mm）。故其主要應用在土木工程測量、文物和建筑物的三維測繪等領域。
激光雷達是一種新型的球坐標系的三維掃描測量系統，它產生一束聚焦的紅外激光投向被測目標，此時在被測目標上產生大量的發射光束，將入射激光返回雷達所經歷的時間與復制的入射激光通過內置的已知長度的光纖所用的時間進行比對，得出被測目標與激光雷達的距離。被測目標的方位角和仰角分別由反射鏡獲和旋轉頭獲取，最后將獲得的球坐標轉換成直角坐標，即可獲得被測目標的坐標。
美國Metris公司（最初叫Metric Vision公司，現已被并入Nikon Metrology公司）推出的激光雷達MV224/260 在24m 距離上絕對距離測量的廠家標稱精度可以達到0.1mm，最大測量范圍可以達到60m。
激光雷達的顯著特點是其不需要合作目標（角反射器）就可以實現高精度的三維掃描測量，就其技術特點而言應該具有很大的應用空間。然而實際上，雖然該類設備進入國內已有近十年時間，但限于技術成熟度和價格等因素，還沒有看到很成功的應用案例。
2.4 室內GPS
所謂室內GPS（也稱iGPS）是指利用室內的激光發射裝裝置（基站）不停地向外發射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號后，從中得到發射器與接受器間的兩個角度值（類似于經緯儀的水平角和垂直角），在已知了基站的位置和方位信息后，只要有兩個以上的基站就可以通過角度交會的方法計算出接收器的三維坐標。
美國Arc Second 公司（現也并入了Nikon Metrology 公司）生產的室內iGPS，其測量速度達到了20Hz，測量空間范圍從幾米到幾百米，如果采用四個以上的基站，10 米測量空間內測量精度可以達到0.125mm。
iGPS 最為顯著的特點是測量空間范圍幾乎不受限制（從幾米至幾百米），且多個用戶（接收機）同時工作互不干擾。國外已有用iGPS 進行大飛機總體裝配的應用（圖2），目前國內的應用尚處在待開發階段。
圖2 iGPS用于大飛機總裝示意圖
數字攝影測量是通過數碼相機在不同的位置和方向獲取同一物體的2 幅以上的數字圖像，經計算機圖像匹配等處理及相關數學計算后得到待測點精確的三維坐標。其測量原理和經緯儀測量系統一樣，均是三角形交會法。
數字攝影測量系統一般分為單臺像機的脫機測量系統、多臺像機的聯機測量系統。此類系統與其它類系統一樣具有精度高、非接觸測量和便攜性好等特點。此外，還具有其它系統所無法比擬的優點：可適應不同尺寸（從0.5m 至100m）的測量對象，測量現場工作量小、快速、高效和不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾。國外的生產廠家和產品很多，如美國GSI 公司的V-STARS 系統和挪威Metronor 公司的Metronor 系統等。
美國早在上世紀六七十年代就開始大規模將數字攝影測量技術應用于航空制造業，雖然該技術被引入國內不過六年之久，但其優勢已逐步被認可，應用面也越來越廣。
作為引入國內飛機制造業時間最短的成熟技術的新設備，V-STARS系統及其應用還不是廣為大眾所知，故本文將在后文加以重點介紹。
3 V-STARS 系統及其應用
3.1 V-STARS系統簡介
V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系統是美國GSI公司研制的數字攝影三坐標測量系統。V-STARS系統可采用脫機和聯機二種測量方式，即單相機系統和雙（多）相機系統，圖3。根據采用不同的相機又可以分為V-STARS/S（智能單相機系統）、V-STARS/E（經濟型單相機系統）和V-STARS/M（智能多相機系統）
V-STARS/S8 系統的典型測量精度為5mm＋5mm/m；而V-STARS/E/M 系統的測量精度為10mm＋10mm/m。
（1） 大型工裝夾具測量
飛機生產過程中使用大量的各種工裝夾具均需要精密測量數據，這類測量是V-STARS 系統最基本的功能體現，圖5。
V-STARS/S 系統配合光學靶標是用于大型模具快速數字化測量，使用遙控測頭的V-STARS/M 系統則可以便捷地對具有曲線特征的模具進行數字化，圖6。
V-STARS 系統結合激光跟蹤儀已經成功協助中國商飛公司解決了大飛機外形測繪問題，圖8。
采用V-STARS/S 系統對空客A320 型飛機的機翼吊掛進行安裝質量檢測，目前該設備已在天津空客總裝廠和西安西飛國際機翼裝配廠等成功應用，圖9。
利用V-STARS/S 系統對GE90 引擎的管道進行測量，如此狹窄的測量空間中唯有攝影測量才可實施，圖10。
采用4臺INCA相機組成的V-STARS/M系統并經過定制開發而成的大型機身自動鉆孔引導測量系統，成功解決了美國SPIRIT 公司的機身自動鉆孔問題，圖11。
【1】葉聲華，王仲，曲興華，精密測試技術展望，中國機械工程，2000，11（3）
【2】熊有倫，數字裝備與數字制造，第四屆中國國際機電產品博覽會組委會，2003
【3】謝華錕，現代精密量儀現狀及水平－從近幾屆中國國際機床展覽會看量具量儀發展趨勢，現代切削與測量工程（國際）研討會，成都：2004，10
【4】張國雄，裘祖榮，測試技術的作用與發展方向，現代切削與測量工程（國際）研討會，成都：2004
【5】黃桂平、欽桂勤. 大尺寸三坐標測量方法與系統. 宇航計測技術，2007，27（4）
第一作者簡介:
黃桂平(1973－)，男，江蘇溧陽人，鄭州測繪學院副教授、博士，主要從事大尺寸三維測量技術和數字攝影測量技術等方向的研究與應用。
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