GTS激光跟踪仪USMN联合组网应用——精确到微米的大空间尺度测量

1.背景：突破单站式测量精度的局限

当前，对于激光跟踪仪的大尺寸测量应用，普遍采用单台独立作业或多站位转站测量的模式。然而，单站式激光跟踪仪的空间测量精度为15μm+6μm/m，随着测量范围越大，其测量不确定度越大，跟踪仪的测角精度对空间测量精度的影响较大。例如测量半径10m,空间测量精度为75um，对某些高精度、大范围应用场景是不够的。在此背景下，行业需要引入更为先进的技术手段，以突破现有测量技术的局限，实现测量精度和效率的提升。

图1：单站测量(左)与USMN组站测量（右）

2.解决方案：激光跟踪仪USMN组网

如何在大范围空间测量中，突破单站激光跟踪仪精度限制，实现更高精度的测量呢？为了解决这一问题，中图仪器推出的激光跟踪仪测量分析软件SpatialMaster（SMT软件）集成了USMN功能。USMN 技术是一种由多测量设备构建的空间坐标测量网，它通过足够数量的固定参考点将多个测量设备联系起来并统一在一个坐标系下。USMN采用最优化数值计算技术，利用多测站权重分配优化平差，可以显著减小角度测量误差对测量结果的干扰，充分利用激光跟踪仪测距精度高的特点。

在USMN 测量中，固定目标点的赋值是由该点的所有测站所决定，每个坐标点的不确定度会根据参与测量的各测站的不确定度得到均化，不确定度的传播远小于转站测量，见图2。

图2：单设备转站与USMN 测量

在SMT软件的USMN计算界面（如图3），默认设置仪器1为主仪器进行计算，可以手动切换为其它仪器，并且仪器属性设置可以根据不同仪器的精度情况，进行权重和自由度设置，从而最大限度的利用数据，确保整体测量数据的精度，有效解决因单站位测量距离过远而导致的精度下降问题。

图3：USMN 界面仪器权重设置

同时可以利用USMN 的数据统计功能（图4）帮助测量分析者判断结果的可靠性，在多站位拟合时，也可及时发现某一站位的测量点中粗大误差，及时剔除防止干扰后续测量的准确性。

图4：USMN 数据处理示意图

3.案例分享：精确到微米的测量

下面以使用GTS系列激光跟踪仪组网测量标准杆验证测量精度为例，简述使用中图激光跟踪仪进行USMN组网测量的流程及测量效果。

3.1测量简介：

测量需求：在长10米宽5米的空间范围内，搭建四台跟踪仪USMN测量网，该范围内的测量精度需要控制在10μm以内。

测量流程：设备选型与布局→布置定位点并测量→USMN组网→测量验证。

3.2设备选型与布局：

根据测量空间的特点，选择4台GTS3300型号激光跟踪仪，采用分布四角高度不同的布局，确保每个站位跟踪仪将合理范围内且视线无干涉的点位全部采集，后考虑误差分析再进行权重取舍。在长15米宽7米的测量空间范围内，布置20个定位点。跟踪仪和定位点布置见图5。

图5：设备与定位点布局

3.3定位点测量：

跟踪仪通过路由器连接在同一网络，四台GTS激光跟踪仪依次测量20个定位点，见图6。USMN通过点的名称来匹配，不同仪器测量同一个定位点，测量点名称要一致。

图6：定位点测量数据

3.4 USMN解算：

通过SMT软件进行解算分析，选择4台仪器的定位点测量数据使用USMN配准，解算结果显示RMS=0.057mm，最大偏差0.097mm为P13定位点（图7）。

图7：USMN解算

点击应用，生成USMN解算点组并将4台设备定位（图8）。

图8：仪器定位

3.5 1m标准杆测量：

标准杆用高精度三坐标进行测量作为标准值，长度为1004.7704mm。

（1）将1m标准杆，横、竖、斜向不同姿态摆放，分别在测量空间范围内进行测量，共计20个位置，每个位置重复3次，摆放位置见图9。

图9：1m标准杆摆放位置

（2）单台跟踪仪测量：单台仪器测量数据查询杆长，以三坐标测量值为标准，进行比较，从图10中可以看出，单台跟踪仪在不同距离，是无法满足整个测量场任意位置偏差10μm以内的要求。

图10：62#跟踪仪的测量杆长偏差

（3）USMN组网测量：四台跟踪仪测量数据解算查询的杆长，与标准值进行对比，从图11中可以看出，多台跟踪仪组网测量，结果得到了非常大的提升，其精度可以满足测量场中10μm的精度要求。

图11：组网测量1m杆长偏差

3.6 2m标准杆测量：

标准杆三坐标测量精度为2299.7103mm。使用2m标准杆，横、斜向不同姿态摆放，在空间范围内进行测量，共计12个位置，每个位置重复3次，摆放位置见图12。

图12：2m标准杆摆放位置

数据分析：从图13折线图可以看出，在长15m宽7米的测量场内，USMN组网测量2m的标准杆可以满足10μm的精度要求。

图13：组网测量2m杆长偏差

4.结语：开启大空间的高精度检测

激光跟踪仪USMN组网技术，仅需30分钟单人操作即可完成四台设备的组网定位工作，后续测量实现了测量网中任意位置的10微米精度，展现出突破性的精度提升和卓越的测量效率。这项技术不仅提升了工业测量的精度标准，还成为了优化生产流程、增强产品质量的关键工具，助力企业在市场竞争中保持优势。