GTS激光跟蹤儀USMN聯合組網應用——精確到微米的大空間尺度測量

1.背景：突破單站式測量精度的局限

當前，對于激光跟蹤儀的大尺寸測量應用，普遍采用單臺作業或多站位轉站測量的模式。然而，單站式激光跟蹤儀的空間測量精度為15μm+6μm/m，隨著測量范圍越大，其測量不確定度越大，跟蹤儀的測角精度對空間測量精度的影響較大。例如測量半徑10m,空間測量精度為75um，對某些高精度、大范圍應用場景是不夠的。在此背景下，行業需要引入更為先進的技術手段，以突破現有測量技術的局限，實現測量精度和效率的提升。

圖1：單站測量(左)與USMN組站測量（右）

2.解決方案：激光跟蹤儀USMN組網

如何在大范圍空間測量中，突破單站激光跟蹤儀精度限制，實現更高精度的測量呢？為了解決這一問題，中圖儀器推出的激光跟蹤儀測量分析軟件SpatialMaster（SMT軟件）集成了USMN功能。USMN 技術是一種由多測量設備構建的空間坐標測量網，它通過足夠數量的固定參考點將多個測量設備聯系起來并統一在一個坐標系下。USMN采用優化數值計算技術，利用多測站權重分配優化平差，可以顯著減小角度測量誤差對測量結果的干擾，充分利用激光跟蹤儀測距精度高的特點。

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在USMN 測量中，固定目標點的賦值是由該點的所有測站所決定，每個坐標點的不確定度會根據參與測量的各測站的不確定度得到均化，不確定度的傳播遠小于轉站測量，見圖2。

圖2：單設備轉站與USMN 測量

在SMT軟件的USMN計算界面（如圖3），默認設置儀器1為主儀器進行計算，可以手動切換為其它儀器，并且儀器屬性設置可以根據不同儀器的精度情況，進行權重和自由度設置，從而最大限度的利用數據，確保整體測量數據的精度，有效解決因單站位測量距離過遠而導致的精度下降問題。

圖3：USMN 界面儀器權重設置

同時可以利用USMN 的數據統計功能（圖4）幫助測量分析者判斷結果的可靠性，在多站位擬合時，也可及時發現某一站位的測量點中粗大誤差，及時剔除防止干擾后續測量的準確性。

圖4：USMN 數據處理示意圖

3.案例分享：精確到微米的測量

下面以使用GTS系列激光跟蹤儀組網測量標準桿驗證測量精度為例，簡述使用中圖激光跟蹤儀進行USMN組網測量的流程及測量效果。

3.1測量簡介：

測量需求：在長10米寬5米的空間范圍內，搭建四臺跟蹤儀USMN測量網，該范圍內的測量精度需要控制在10μm以內。

測量流程：設備選型與布局→布置定位點并測量→USMN組網→測量驗證。

3.2設備選型與布局：

根據測量空間的特點，選擇4臺GTS3300型號激光跟蹤儀，采用分布四角高度不同的布局，確保每個站位跟蹤儀將合理范圍內且視線無干涉的點位全部采集，后考慮誤差分析再進行權重取舍。在長15米寬7米的測量空間范圍內，布置20個定位點。跟蹤儀和定位點布置見圖5。

圖5：設備與定位點布局

3.3定位點測量：

跟蹤儀通過路由器連接在同一網絡，四臺GTS激光跟蹤儀依次測量20個定位點，見圖6。USMN通過點的名稱來匹配，不同儀器測量同一個定位點，測量點名稱要一致。

圖6：定位點測量數據

3.4 USMN解算：

通過SMT軟件進行解算分析，選擇4臺儀器的定位點測量數據使用USMN配準，解算結果顯示RMS=0.057mm，最大偏差0.097mm為P13定位點（圖7）。

圖7：USMN解算

點擊應用，生成USMN解算點組并將4臺設備定位（圖8）。

圖8：儀器定位

3.5 1m標準桿測量：

標準桿用高精度三坐標進行測量作為標準值，長度為1004.7704mm。

（1）將1m標準桿，橫、豎、斜向不同姿態擺放，分別在測量空間范圍內進行測量，共計20個位置，每個位置重復3次，擺放位置見圖9。

圖9：1m標準桿擺放位置

（2）單臺跟蹤儀測量：單臺儀器測量數據查詢桿長，以三坐標測量值為標準，進行比較，從圖10中可以看出，單臺跟蹤儀在不同距離，是無法滿足整個測量場任意位置偏差10μm以內的要求。

圖10：62#跟蹤儀的測量桿長偏差

（3）USMN組網測量：四臺跟蹤儀測量數據解算查詢的桿長，與標準值進行對比，從圖11中可以看出，多臺跟蹤儀組網測量，結果得到了非常大的提升，其精度可以滿足測量場中10μm的精度要求。

圖11：組網測量1m桿長偏差

3.6 2m標準桿測量：

標準桿三坐標測量精度為2299.7103mm。使用2m標準桿，橫、斜向不同姿態擺放，在空間范圍內進行測量，共計12個位置，每個位置重復3次，擺放位置見圖12。

圖12：2m標準桿擺放位置

數據分析：從圖13折線圖可以看出，在長15m寬7米的測量場內，USMN組網測量2m的標準桿可以滿足10μm的精度要求。

圖13：組網測量2m桿長偏差

4.結語：開啟大空間的高精度檢測

中圖GTS激光跟蹤儀USMN組網技術，僅需30分鐘單人操作即可完成四臺設備的組網定位工作，后續測量實現了測量網中任意位置的10微米精度，展現出突破性的精度提升和高測量效率。這項技術不僅提升了工業測量的精度標準，還成為了優化生產流程、增強產品質量的關鍵工具，助力企業在市場競爭中保持優勢。選擇中圖激光跟蹤儀，確保每次測量精確無誤，為產品質量保駕護航。