微型个人跟踪定位器

“我要出征了，咱们太空见!”今天上午，中国第一颗由中学生全程参与研制制作并主导载荷设计的科普小卫星完成出厂评审，在八一学校举行出征仪式。这颗卫星将由八一学校学生研制团队中的5名代表队员参与护送到发射场地，进行最后的联调试验。之后，卫星将在年底择期发射，完成自己的科普使命。　　小卫星将由学生研制团队中的5名代表队员护送到发射场地　　卫星定名“八一少年行”　　长不足12厘米、宽约11厘米、高20厘米出头的小卫星上午一亮相，就引起了全场热烈的掌声。同时亮相的还有一个为其量身订做的蓝色盒子，据八一学校副校长朱凯介绍，这个盒子是由我国自主研制、享有自主知识产权的微小卫星分离装置，小卫星将与其一起升空。　　这个小家伙将如何完成自己的科普使命呢?奥秘在其搭载的载荷上。据了解，结合最终实现的难度和意义等方面考虑，这颗定名为“八一少年行”的卫星的载荷最终确认为四种，分别是对地拍摄、无线电通讯、对地传输音频和文件以及快速离轨试验。卫星研制参与队员之一、来自八一学校高二的朱迅告诉记者，这四种载荷是队员们“头脑风暴”后精挑细选、经过可行性论证的产物。“一开始在我们队员中间征集了十几种载荷方案，但是经过专家点评、指导后，我们慢慢淘汰掉了不合理的方案，剩下了现在的四种载荷。”　　卫星将跟踪拍摄雾霾　　对地拍摄功能的实现依靠的是航天相机。卫星升空后，可以从几百公里的高空中俯瞰地球。在未来可开展活动的畅想方案里，八一学校会将卫星拍摄的图片公布，让同学们猜测卫星拍摄的图片来自地球上哪个位置。同时，同学们还将通过学习卫星轨道知识，指令卫星进行定时拍摄，从而得到拍摄特定坐标所需要延迟拍摄的时间，最终验证是否达到预期效果。此外，队员们还希望通过卫星上的相机，跟踪拍摄雾霾和台风等天气现象，从而进行一定气象观察数据的积累。　　搭载《东方红》和校歌　　卫星的无线电通讯载荷，则承担了交流沟通“中转”站的功能。这项功能可以实现数据和语音的转发，为后期各个学校之间的连通、学校业余无线电教学以及与其他业余无线电爱好者的通联打下基础。　　让人期盼的是，明年是八一学校建校70周年校庆，即将升空的小卫星上也提前寄托了孩子们对于母校的祝福。原来，此次卫星搭载了对地音频和文件传输载荷，当接收到地面遥控的指令之后，搭载在卫星上的音频文件就可以通过下传“解码”后进行播放。我国第一颗人造卫星播放过的《东方红》、八一学校建校70周年校歌等音频文件将伴随卫星一同升空。　　设计试验清理太空垃圾　　在载荷的选择上，孩子们关注的目光还更长远。通过系统的学习卫星知识，学生研发团队的队员们了解到，空间卫星领域发展至今，空间碎片的数量迅速增长 而随着空间碎片数量的积累，使得卫星与空间碎片相撞的几率不断增加，卫星碎片又会碰撞形成新的卫星碎片 如果不及时采取措施，卫星事业的发展将会被这种潜在的多米诺效应所严重阻碍。因此，队员们想借着此次卫星发射的时机，为太空垃圾的清理贡献一定的力量。　　根据预想，当确定卫星处于寿命末期时，就下指令进行快速离轨试验，使原先的迎风面对准太阳、迎阳面迎风，从而增加迎风面积，同时尝试控制磁力矩器，使其与地磁场相互作用，使卫星尽快离轨。朱迅告诉记者，在这个过程中，可以通过实时监测卫星的运行状态，通过观察轨道参数等数据，验证所采取措施对于帮助卫星快速离轨的可行性。　　带动各校参与航天科普　　据八一学校相关负责人介绍，学校目前正在进行卫星地面站的建设，在卫星发射升空后将开始为卫星的信息接收和处理进行服务。同时，以八一学校的测控地面站为主节点，带动其他学校地面从站，一起参与航天科普。

导语：激光跟踪仪作为大尺寸空间几何量精密测量仪器，由于具有较高的技术门槛，国内企业又缺乏深厚的经验积累，导致该产品长期被国外垄断。历经十余年的研发与实践，中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队终于在激光跟踪仪的技术领域有了与国际先进技术比肩的突破性进展。本文将带您了解这个研发团队的激光跟踪仪和它在精密制造中扮演的关键性角色。说起激光跟踪仪，高端装备制造企业对它大概并不陌生，它是一种大尺寸空间几何量精密测量仪器，是大型高端装备制造的核心检测仪器，具有测量功能多（三维坐标、尺寸、形状、位置、姿态、动态运动参数等）、测量精度高、测量速度快、量程大、可现场测量等特点。检测的装备体积越大越能显示出此类产品的优越性，所以它更多出现在航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、能源、科研、医疗等领域等先进制造领域。激光跟踪仪是激光干涉测距技术、激光绝对测距技术、精密测角技术、光电探测技术、精密机械技术、精密跟踪技术、现代数值计算理论等各种先进技术的集大成之作，需要突破百米的测量范围、毫秒级的测量时间、微米级的测量精度以及动态实时跟踪测量等各项技术难点，技术门槛非常高，需要长期的经验积累，几乎不存在弯道超车的可能性。目前，世界范围内主要有美国FARO、美国API、瑞士Leica三家公司生产销售激光跟踪仪，我国当前尚无成熟的激光跟踪仪产品销售。因此，攻克关键技术难点实现激光跟踪仪国产化迫在眉睫。组建团队 攻关激光跟踪仪技术壁垒由于激光跟踪仪的重要性、特殊性和不可替代性，国家层面高度重视激光跟踪仪的自主研发。中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队（以下简称该团队）一直致力于实现激光跟踪仪的国产化。该团队激光跟踪仪的研发历史已有十余年，并阶段性取得骄人成绩：（1）2011年中科院微电子研究所 (原中科院光电研究院激光跟踪仪研发团队)在国内率先开展激光跟踪仪整机研制；（2）2013年推出国内首台原理样机，初步形成具有一定规模的、专业稳定的整机开发团队，引领国内激光跟踪仪的整机与系统关键技术发展，积极追赶国际前沿；（3）2017年推出国际首台三自由度飞秒激光跟踪仪样机，从技术层面上实现了跨越式发展；（4）2021年研制成功国内第一台六自由度激光跟踪仪样机，并通过技术指标测试；（5）2021年三自由度激光跟踪仪进入到产业化阶段，立足海宁集成电路与先进制造研究院，组建了数十人的激光跟踪仪产业化团队，建立激光跟踪仪小批量生产线。该团队在激光跟踪仪领域取得了一系列具有自主知识产权的研究成果，共申报发明专利32项（已授权21项），软件著作权6项，发表研究论文60余篇。2020年激光跟踪仪成果通过了中国仪器仪表行业协会组织的成果鉴定，鉴定委员会认为：“本研究成果技术难度很大，创新性很强，取得了多项自主知识产权。整体达到国际先进水平，研制的激光跟踪仪填补国内空白，飞秒激光跟踪仪属国际首创，其中绝对测距精度、断光续接精度达到国际领先水平。”该成果荣获中国机械工业技术发明特等奖和中国计量测试学会科技进步一等奖。该团队目前主推三自由度激光跟踪仪ICAM-LT-3DOF、六自由度激光跟踪仪ICAM-LT-6DOF如图1所示。除此以外，该团队还可以根据用户的要求定制解决方案，更加贴近客户的使用需求，解决用户的“非标”问题。图1 ICAM-LT-3DOF型激光跟踪仪图2 ICAM-LT-6DOF型激光跟踪仪干货满满 技术原理深度剖析当三自由度激光跟踪仪工作时，如图2所示，激光测距系统获得靶球到仪器的精确距离r，方位编码器和俯仰编码器测角系统分别测出目标方位角A和俯仰角E，利用这三个原始测量值，就可以通过球坐标与直角坐标之间的转换关系获取空间三维直角坐标（X，Y，Z）。图3 三自由度激光跟踪仪原理图合作靶球在空间移动时，从合作靶球返回的一部分光会进入激光跟踪仪内部的位置检测器（PSD，Position Sensitive Detector），随着合作靶球的移动PSD将探测偏移值，跟踪控制系统根据这个偏移值控制方位和俯仰电机转动直到偏移值为零，从而达到跟踪的目的。测量组合参数(A，E，r) 经过坐标转换得到空间三维直角坐标（X，Y，Z）后，经过数据分析软件可以得到被测对象各种几何量参数。激光跟踪仪数据采集系统将测量数据发送至上位机以后，经上位机解析可以确定目标的三维尺寸、几何形貌等信息，并通过计算机实时显示并打印测量结果。六自由度激光跟踪仪为三自由激光跟踪仪的升级产品，如图3所示，在空间位置信息测量的基础上加入了视觉测量、光电测量和惯性测量等模块，用以获取目标空间姿态信息。首先需要建立激光跟踪仪坐标系与上述测量模块之间的转换关系，并通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角测量；在上述基础上，基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量，最后实现三个空间姿态角的测量；除此之外，还融入了惯性测量单元IMU的测量信息，用于动态条件下的辅助测量。图4 六自由度激光跟踪仪原理图多项技术突破 跻身国际先进该团队历经10余年的垂直深耕，在激光跟踪仪领域相继突破了高速激光干涉测距、高精度绝对测距、精密跟踪转台设计、高精度测角、动态伺服跟踪、目标快速识别锁定、多源融合姿态测量、系统误差检测与补偿等多项关键技术，在80m范围内，跟踪测量速度大于4m/s，具有良好的目标快速识别锁定能力，测量精度达到15μm+6ppm，技术性能跻身国际先进行列。优势突出 大尺寸精密测量显身手在大尺寸精密测量领域，激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、功能多、可现场测量等优点，取代了大型固定式三坐标测量机、经纬仪、全站仪等许多传统测量设备，在设备校准、部件检测、工装制造与调试、集成装配和逆向工程等应用领域显示出极高的测量精度和效率，激光跟踪仪已成为大尺寸精密测量的主要手段，在实践中可以为为航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、科学研究、能源、医疗等领域等行业提供可靠的技术保障。（1）航空航天领域在航空航天制造领域，飞行器具有外形尺寸大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点，飞行器的装配通常是在各部件分别安装后再进行总体装配，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的几何检测。激光跟踪仪测量的现场性和实时性以及它的高精度可以满足飞机型架和工装的定位安装、飞机外形尺寸的检测、大型零部件的检测以及飞机维修等工程测量需求。例如，测量一架大型飞机的内外形尺寸，首先要确定整架飞机的空间坐标，保证所测量的外形尺寸空间点都在同一坐标系中，可以布置足够的激光跟踪仪测站，这些测站保证了飞机上、下、左、右、前、后等整个外形都在激光跟踪仪测量范围内。其次要保证飞机处于静止状态，测量过程中不能产生移动。激光跟踪仪在每个测站测量某一个区域的飞机外形坐标点，将各个测站下的飞机外形坐标连接起来就构成整架飞机的外形尺寸坐标，对这些点进行处理可形成飞机外形的数字模型。激光跟踪仪扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，大大提高了飞机测量的工作效率。（2）汽车制造领域在汽车制造领域，激光跟踪仪用于车身检测、汽车外形测量、汽车工装检具的检测与调整。通过激光跟踪仪采集汽车不同部位的点云数据，再进行拼接得到完整的汽车曲面点云数据，利用三维造型软件得到汽车三维模型。另外，汽车生产线需要以最高级别的自动化程度和准确性进行定期检测，以进行重复性和适产性测试。激光跟踪仪这种移动坐标测量设备适合工业现场使用，在检测工程中使汽车生产的停工期大幅缩短。（3）重型机械制造领域在重型机械制造业中，大尺寸部件的检测和逆向工程常采用激光跟踪仪。在零部件生产中，该系统可以快速精确地检验每个成品零部件的尺寸是否与设计尺寸一致，同时将零部件物理模型迅速数字化，得到的数字化文件可以用各种方法处理从而得出测量结果。在工件模具生产中，激光跟踪仪对工件模型进行扫描测量后建立数据模型，由数据模型生成可被加工中心识别的加工程序，从而加工出模具。三维管片和模具测量系统也是激光跟踪仪的典型工程应用之一，通过跟踪测量成品管片各个表面上的空间点坐标，经过坐标系转换和纠正将表面数据点拟合成平面或曲面，检验管片的尺寸与设计尺寸的偏差，便可判断成品的质量是否合格。与传统的检测方法相比，激光跟踪仪测量速度快，能在短时间内采集大量空间数据点信息，同时可以直接处理数据，给出成果报表，不仅工作效率高，而且大大节省了人力物力。（4）重工与船舶领域在造船工业领域中，激光跟踪仪常用于舰船外形尺寸检测、重要部件安装检测与逆向工程等。例如，船舶制造公司对于甲板都有着极高的要求，每一个拼接块的连接点都必须恰好能够和另外一片拼接块严丝合缝对接，且甲板外侧的外观必须与船体形状严格吻合，如此才能体现船舶的质量和性能。激光跟踪仪能够实时地对长度以及横向曲率进行测量，代替笨重的模板进行现场装配与检测，可使生产时间节约60%-70%，大大提高了船舶的生产效率。（5）能源领域在能源领域，激光跟踪仪常用于大型零部件的高精度加工、尺寸检测和辅助维护。例如，水力发电站中，新的涡轮发电机投入工作之前，必须获得精确的涡轮机转子形状，以便后续的勘测；当进行水力发电站的检测时，需要对在役涡轮机转子开展数字化测量，从而确定涡轮转子的磨损情况。在风力发电站中，对大型风电轮毂叶片外形尺寸进行高精度测量是保证风电轮叶片正常工作的关键。激光跟踪仪能够完成定轴轴径、同轴度、轮毂连接孔位置度的高精度测量，并且仪器轻便灵活、精度高、测量范围大、能够现场测量，已成为风电行业的必然选择。（6）科研领域在科研领域中，激光跟踪仪在粒子加速器的定期检测与调整、重要核心部件安装检测以及机器人制造校准中发挥了重要作用。例如，机器人在工厂机械安装、马达驱动安装、夹具重组等整个生产周期过程中必须保持规定的精度，才能称为高性能工业机器人。机器人设计尺寸与实际生产尺寸的偏差往往较大，主要是由于机械公差和部件安装误差所引起的。在校准机器人的实际应用中，一般有两个工作测量组，一组负责装配机器人，一组则负责检测校准安装部件，激光跟踪仪安置在这两个测量组之间。操作人员通过计算机控制定位，激光跟踪仪可以监测两个工作小组的测量工作。在一组操作人员利用激光跟踪仪检测机器人配件的同时，另一组工作人员负责装配经过检测的工件，装配后再利用激光跟踪仪进行校准。这样，大幅提高了机器人生产安装的工作效率，也节省了人力物力。（7）医疗领域在医疗领域中，质子医疗机在治疗时最重要的是需要准确定位患者体内癌细胞位置，通过控制治疗床移动，将患者需要治疗的部位送到有效的治疗区域内，才能够进行准确有效的治疗。因此医疗机在安装调试时，要求系统能够控制机械臂，将末端工装精确地移动到理论位置。这对测量方案提出了更高标准的要求：能够准确调整病灶中心的位置，X、Y、Z方向偏差要求小于0.1 mm；能够调整连接法兰的姿态精度，RX、RY、RZ要求小于0.1°，同时检测、分析效率要尽可能高。在质子医疗机安装调试过程中，激光跟踪仪可以提供简单便捷的应用方案。首先通过测量固定在墙体上的定位点，建立离子源坐标系，在软件中将机器坐标系定位到离子源坐标系统；通过坐标转换得出病灶中心与工装上定位孔的坐标关系，解算出定位孔的坐标。其次，将反射球放置在定位孔上，通过监视窗口功能查看当前位置偏差，实时调整工装，使偏差逐渐缩小至公差要求。该团队研发的激光跟踪仪已在卫星天线变形与位姿测量技术、飞机大型部件装配测量技术、船舶分段对接测量技术、高能加速器准直调节测量技术、工业机器人现场校准技术等领域开展了一系列应用研究，并取得了良好的社会效益。制造业中的智能装备、复杂结构制造、高精密制造和装配的兴起，对于测量系统提出了精度更高、智能化程度更高、适应性更强的要求。激光跟踪仪作为最先进的三坐标及姿态精密测量仪器之一，将为工程技术及科学研究大尺寸精密测量提供有效的解决方案。由于激光跟踪仪应用范围广、测量效率高、测量精度高，该仪器在高端制造领域扮演的角色越来越重要。激光跟踪仪的国产化，对于我国的制造业，尤其是高端制造领域，具有十分重大的意义。借势而起 稳扎稳打培育市场目前，国家政策一直在主张推进仪器的国产化，实现国产仪器与进口仪器的同台竞争。中国仪器仪表行业协会与中国和平利用军工技术协会在此方面做了大量的工作，这对国产激光跟踪仪的市场化推进是极大的政策性优势。在国防军工行业，激光跟踪仪的应用主要在导弹的测量、潜艇的测量、战斗机的装配、军舰的测量、天线的装配及外形检测，大型结构件测量检测等。由于进口的高端激光跟踪仪含有摄像头装置，这对我国国防军工行业造成了安全隐患。另外，由于进口激光跟踪仪不对我国展示源代码，不排除进口激光跟踪仪含有潜在的功能，这对我国部分商业秘密也带来了风险。如此种种安全隐患更是急需国产激光跟踪仪技术的开发与产品的应用。这是提供给国内企业的机会更是挑战。该团队也将借助他们国际领先的技术优势、可靠的数据链优势，以及强有力的价格优势和维修服务优势，不遗余力的为客户提供高质量的定制化产品和服务。结束语随着中国先进制造业和高端装备的飞速发展，以激光跟踪仪为代表的高精度、数字化、智能化的精密检测设备已经成为这些领域企业占领行业制高点的制胜法宝。一方面，激光跟踪仪在先进制造和高端装备领域的关键作用日益凸显，成为制造行业的核心仪器，国内对激光跟踪仪的需求量激增，国产化呼声高涨；另一方面，近年来西方对我国的技术限制和打压，使激光跟踪仪的采购和售后具有一定的不确定性，这将影响我国高端装备的发展，所以国家对激光跟踪仪等关键核心仪器的国产化大力支持。显而易见，未来激光跟踪仪的产业化具有极为光明的市场前景。

走进浙江大学信息与电子工程学院智能传感所的百人计划研究员杨宗银的办公室，可以看到电路焊接平台上，电烙铁、电路板、各种零配件一应俱全，办公室俨然是一座实验室。杨宗银（左）指导学生做实验 王崇均/摄“回到浙大任教后，我对自己的办公室做了规划，圆了儿时的梦想。”杨宗银说，“很享受制作机械电路的过程，比打游戏有趣。”继2019年在《科学》杂志刊发世界上最小光谱仪成果后，今年3月，杨宗银作为第一作者撰写的综述，又在线发表于《科学》。该文章首次系统性总结了光谱仪微型化的技术方案和发展历程，引起国际科学界高度关注。150次失败后的成功 把心路写进实验记录本光谱仪是测量光谱线中各个波长强度的设备，可以对物质成份和结构进行测知，广泛应用于科研、生产和生活中。比如一个苹果是否成熟、含糖量如何，通过光谱仪的“火眼金睛”就能一目了然。杨宗银研制的世界上最小光谱仪，直径在一百微米以下，不到头发丝直径的一半。“这么小的尺寸很适合装进我们的手机中，将来或可通过拍摄进行食品安全和健康的监测。”他在谈及未来应用时说，“再过几个月，团队研制的微型高光谱成像样机就将面世。”这样一个比头发丝直径还小的器件，杨宗银前前后后研究了8年。攻读博士期间，杨宗银每天都是剑桥大学电子工程系实验楼最晚走的那个人，但每一次回寝前都对实验结果不甚满意。 “早起努力！” “新idea明天试一下… … 又失败了。”打开杨宗银的实验笔记，上面用英文密密麻麻写着各类实验优化的细节，但每天都有几句中文格外醒目。“刚开始做实验是非常有新鲜感的，但是失败次数越多自己也会感到很无力。”他说，于是自己便在笔记中记下实验中的灵光一闪，或者勉励的话，“每天都期待好的结果，同时又期待新的一天快快到来。”“当时就写了整整三大本笔记本。”杨宗银说，偶尔也会心灰意冷，但是内心的那份热爱总能驱使自己去找失败的原因再尝试一次。2018年8月，历时3年，历经150次失败，实验终于成功，他的论文于第二年5月投稿《科学》杂志，7月便被接受。评审专家评价这个工作是“集合了世界上最先进的材料合成工艺，配上最高超的器件制作水准、实验技巧和巧妙的算法，是一个惊艳之作。”荣誉随之而来，杨宗银获得了剑桥大学国际生全额奖学金和国家优秀自费留学特别优秀奖，还被选为剑桥大学国王学院研究员，是学院第一位华人研究员。交叉与蜕变 兴趣是最好的老师杨宗银这份愈挫愈勇的劲头，在他求学浙大期间就已经打下基础。在浙大读硕士生的杨宗银，在世界上首次“生长”出了彩虹渐变的半导体纳米线。这种材料可以发出五颜六色的光，非常漂亮。这份光亮的背后是他近一万个小时的不断试错改进的艰辛。凭着兴趣与热爱，他在浙大学习时打开了一片新天地。在机械工程学院完成本科学业时，杨宗银就把机器人、机械设计等领域的各类竞赛都参加了一遍，乐在其中，还拿过全国大学生机械创新设计大赛一等奖。浙江大学机械工程学院教授顾大强，在担任杨宗银导师期间，经常教导他“要用最巧妙的机构完成一件复杂的事情”。这种思维训练对杨宗银来说终身受益。后来杨宗银被保送到浙大光电科学与工程学院攻读硕士。他回忆道：“交叉融合的求学经历为我后来研究提供了便利条件，当面临没有现成的设备时，可以直接自己做一个。”“我从小就喜欢做点小发明，比如随着光照自动响的闹钟、光控灯，或者把家里收音机、闹钟等拆开，研究其中的机理。为此也没少挨父母批评。”杨宗银笑称。在硕士期间，杨宗银除了生长出彩虹渐变半导体纳米线，还基于这种材料开发了世界最宽光谱可调谐激光器。就像收音机不同的调台，能够听到不同的节目，不同的激光波长能够对物质进行不同层面的探测。读文献到写文献 绘制一个领域“藏宝图”现如今，传统的光谱仪由于体积庞大已经无法满足日益发展的光谱检测技术的需求，然而，减小光谱仪的分光元件或探测器尺寸将导致光谱分辨率、灵敏度及动态范围显著下降。光谱仪的微型化是目前科技界面临的一项重大技术挑战。回到浙大任职后，杨宗银的研究是将微型光谱仪进一步往应用端迈进。“光电技术终究还是要落实到百姓的实际应用中才更有意义”。其中，向全球科研探索者们展现微型光谱仪领域的“全景”也成为其工作计划之一。杨宗银认为，只是把技术原理和研究进展介绍清楚是远远不够的，还要有全局观，用一个清晰的脉络把全文串起来。一篇好的文献综述，就是认识一个领域的主心骨，是一张“藏宝图”。“我把整个领域几百篇文献捋了好几遍，了然于胸，最后像介绍老朋友一样把它们串起来讲。”杨宗银介绍，“在后续的修改中，我和另外几位合作者讨论了几十次，不厌其烦地对文章进行精雕细琢。记得我在准备文章图片的时候盯着屏幕好几天就为了不让它们有一点瑕疵。”如何用好“藏宝图”？杨宗银也有自己的独家秘籍。担任博导的他，会给新生“打样”，面对面教学生如何读文献管理文献。“每读完一篇文献后，在软件里做个标签，这样日积月累，大量的文献就能理出一个脉络，后续根据这些标签迅速找到需要的文献。”从前沿探究的坚持不懈，到带领学生探索的孜孜不倦。他还会手把手指导学生如何搭建和使用实验仪器，也乐在其中。“如果说，科研的成就感在于做出独创的贡献和价值，”杨宗银说，“那么带学生就是自我价值的延伸。”