超高精度工业测量三维坐标基准建立的理论与方法研究

本项目将运用激光干涉精密测距和距离前方交会原理，消除传统方法中角度测量误差对空间点位精度的影响，建立超高精度工业测量三维坐标基准和完全测量空间。本项目针对目前我国工业测量系统存在测量精度偏低、精度评定基准和方法不统一、坐标基准精度偏低、多类型工业测量系统无法联合测量等难题，将深入研究建立超高精度工业测量三维坐标基准的理论和方法，将工业测量三维点位精度提高到亚微米级，统一多类型工业测量系统精度评定基准和方法，建立多类型测量系统联合测量的坐标基准，研究构建完全测量空间的理论和方法，实现各种工业测量系统坐标量值的溯源统一。.目前，国内还没有开展亚微米级工业测量坐标基准建立方法的研究，这严重制约了我国精密工业制造水平的发展，本课题的研究将构建国内最高精度工业测量三维坐标基准的理论体系，建立工业测量坐标定位的新理论和模型，极大推进我国向精密工业制造强国迈进。

随着精密工业与工程测量技术的发展，出现了多种工业测量技术联合测量的趋势，需要采用新的理论和方法建立更高精度的大尺寸空间坐标基准。本项目重点研究了激光跟踪干涉仪空间三维坐标测量原理和测量模式，建立了基于激光干涉精密测距的三维坐标平差模型，该模型为了消除测角误差对空间三维坐标测量的影响，水平和垂直角度值仅参与三维坐标基准概算而不参与严密平差。由于角度观测值不参与平差，导致三维坐标基准网缺乏角度基准而出现数亏，即误差方程的法方程矩阵为奇异阵而无法求解三维坐标基准值。.为得到三维坐标基准平差的唯一解，建立了基于附加约束矩阵的加权秩亏自由网平差模型，由于激光干涉测距值的精度较高，三维坐标基准网的尺度因子已知，附加约束矩阵的列数为6且为列满秩。加入最小二乘范数条件后，即实现了基于激光干涉测距的精密三维坐标网平差解算。.基于加权秩亏自由网平差后三维坐标基准的中误差计算模型，建立了三维位置几何精度衰减因子（Position Dilution of Precision，PDOP）模型，并推导了点位误差和空间图形体积的相关性模型，可实现空间网形优化以进一步提高点位精度。.采用拟稳平差模型，减弱点位稳定性对三维坐标基准误差的影响，并将激光干涉测距常数作为系统参数，建立了附有系统参数的激光干涉测距三维网平差模型。为了减弱空间网形和距离对三维坐标基准误差的影响，以高精度距离参考基准为基础，构建了附有长度约束条件的激光干涉测距三维网平差模型。经过上述优化模型解算，在激光干涉测距误差为0.5ppm时，在15m范围内点位误差优于25微米。.本课题研制了“精密三维坐标基准平差解算系统”，具备激光干涉测距的联机控制测量和不同三维坐标基准平差解算功能。本课题共申请国家发明专利两项：一种基于两点对中模型的联合测量方法（201410354619.2）、一种基于三点后方交会模型的联合测量方法（201410357073.6）。申请国家计算机软件著作权三项：激光跟踪仪边角网平差软件（2014SR142227）、激光跟踪仪与陀螺经纬仪联合定向测量软件（2014 SR142195）、激光干涉测距三维网平差软件（2014SR142219）。培养博士和硕士研究生各2人，公开发表学术论文13篇（5篇已录用），其中EI检索2篇，核心期刊7篇，完成出版专著《激光跟踪仪坐标测量原理与应用》撰写并拟2015年出版。