光學跟蹤

光學跟蹤測量系統(tǒng)是武器靶場試驗和航天發(fā)射中使用的一種跟蹤測量系統(tǒng)。它利用光學測量和成象原理，測量、記錄目標的運動軌跡、姿態(tài)、運動中發(fā)生的 事件，以及目標的紅外輻射和視覺（可見光）特征。光學跟蹤測量設(shè)備通常由攝影機、跟蹤或監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處 理設(shè)備組成。多臺設(shè)備通過適當組合，構(gòu)成光學跟蹤測量系統(tǒng)。光學跟蹤測量系統(tǒng)主要分為三類。

光學跟蹤彈道測量設(shè)備

用來獲取被測目標在空間隨時間變化的位置、速度和加速度等數(shù)據(jù)，是對航天器、武器系統(tǒng)進行鑒定的改進設(shè)計，以及編制武器射表的重要依據(jù)，所用設(shè)備主要有電影經(jīng)緯儀、彈照相機和固定攝影機。

光學跟蹤姿態(tài)和事件測量設(shè)備

主要有跟蹤望遠鏡和高速攝影機，用來獲取目標的飛行姿態(tài)和事件數(shù)據(jù)，如目標的滾動，俯仰和偏航， 以及發(fā)射時間、遭遇時間和脫靶量。

光學跟蹤目標特征測量設(shè)備

用于對目標紅外信號特征和可見光信號特征進行測 量。60年代以來激光、紅外、電視等光電新技術(shù)和電子計算機的發(fā)展，為靶場跟蹤測量提供了新手段，出現(xiàn)激光 雷達、電視跟蹤測量設(shè)備和激光-電影經(jīng)緯儀復合設(shè)備等新一代光學跟蹤測量設(shè)備。這些設(shè)備保持了傳統(tǒng)光學 跟蹤測量設(shè)備測量精度高、目標影象直觀和設(shè)備機動性好等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)光測設(shè)備需多臺同時工作、數(shù)據(jù) 處理周期長的缺點，實現(xiàn)了單站實時測量。例如激光雷達根據(jù)激光束的方位角、俯仰角和激光測距，可確定目 標的空間位置，由距離隨時間變化求得速度，由速度變化求得加速度，測量精度高。電視自動跟蹤系統(tǒng)利用目標 與背景或周圍物體的比較跟蹤數(shù)據(jù)。光學跟蹤測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是進一步提高激光雷達的作用距離，應用圖 象識別和處理技術(shù)提高光學跟蹤測量設(shè)備的捕獲跟蹤能力、測量精度，利用計算機技術(shù)提高光學跟蹤測量系統(tǒng) 自動化程度，更好發(fā)揮系統(tǒng)的綜合效能。

在光學跟蹤測量中須由多種設(shè)備組成一個完整的跟蹤測量系統(tǒng)。例如，由幾臺電影經(jīng)緯儀組成的光學測量系統(tǒng)，不僅各臺電影經(jīng)緯儀之間要有密切的配合，還要與引導設(shè)備、時間統(tǒng)一設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、計算中心和通信指揮設(shè)備連接并協(xié)同工作。在試驗時，由引導設(shè)備把目標引入電影經(jīng)緯儀視場，電影經(jīng)緯儀自動或人工驅(qū)動伺服系統(tǒng)跟蹤目標。在跟蹤過程中，時間統(tǒng)一設(shè)備控制各站對目標進行同步攝影，攝影頻率一般為10～40幀/秒,每張照片都記錄目標的方位角、俯仰角和目標形象，經(jīng)事后判讀和修正處理即可求出目標的彈道參數(shù)。在跟蹤拍照的同時，電影經(jīng)緯儀輸出實測參數(shù)至計算中心，用于安全控制顯示和引導其他測量設(shè)備。

光學跟蹤是利用光學測量和成象原理，測量、記錄目標的運動軌跡、姿態(tài)、運動中發(fā)生的事件，以及目標的紅外輻射和視覺（可見光）特征。

光學跟蹤測量設(shè)備通常由攝影機、跟蹤或監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。多臺設(shè)備通過適當組合，構(gòu)成光學跟蹤測量系統(tǒng)。

在笛卡兒直角坐標系中，運動目標的瞬時質(zhì)心位置可用3個線量(X、Y、Z)來確定，連續(xù)取得3個線量就可以求出它的運行軌道。光學跟蹤通常用交會測量法和綜合定向測距法測量。

光學跟蹤交會測量法

光學跟蹤系統(tǒng)在靶場測量中采用前方交會測量法。在一條精密測量基線的兩端各布置一個光學測量站，同時測量飛行器的方位角α和俯仰角γ，得到兩條方向線，再根據(jù)已知兩測量站間的距離L，即可由球面三角函數(shù)關(guān)系求出飛行器質(zhì)心位置的坐標。電影經(jīng)緯儀和彈道照相機就是用這種方法進行測量的。

光學跟蹤綜合定向測量法

加裝激光測距器的電影經(jīng)緯儀和激光雷達使用這種測量方法。為了提高可靠性和測量參數(shù)的精確度，往往采用多站測量。

①測量火箭、導彈主動段和再入段的彈道參數(shù)，為安全控制提供位置信息；

②拍攝和記錄火箭、導彈運動實況，為導彈起飛離架、級間分離、故障分析和再入物理特性研究提供資料；

③對其他光學和無線電測量設(shè)備進行鑒定和校準。光學測量系統(tǒng)測量精度高，直觀性強，測角精度可達2～5角秒，定位精度可達1～2米，作用距離一般為100～400公里。缺點是作用距離短,受天氣影響，陰雨天難以獲取數(shù)據(jù)，有云時容易丟失目標。

第1章概論

1.1光學跟蹤測量在航天測控網(wǎng)中的作用

1.2國內(nèi)外光學測量發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.2國內(nèi)發(fā)展情況

1.3航天器光學跟蹤測量數(shù)據(jù)處理若干關(guān)鍵技術(shù)

參考文獻

第2章光學跟蹤測量設(shè)備

2.1高速電視測量系統(tǒng)

2.1.1系統(tǒng)工作原理

2.1.2系統(tǒng)組成及功能

2.2經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)工作原理

2.2.2系統(tǒng)組成及功能

2.3實況記錄儀測量系統(tǒng)

2.3.1系統(tǒng)工作原理

2.3.2系統(tǒng)組成及功能

2.4光電望遠鏡系統(tǒng)

2.4.1系統(tǒng)工作原理

2.4.2系統(tǒng)組成及功能

參考文獻

參考文獻

第3章事后光測數(shù)據(jù)獲取

3.1判讀儀

3.1.1視頻圖像判讀儀工作原理與技術(shù)實現(xiàn)

3.1.2膠片判讀儀工作原理與技術(shù)實現(xiàn)

3.2光學畸變與校準

3.2.1視頻圖像判讀的光學畸變校準處理

3.2.2膠片判讀的區(qū)域化畸變校準處理

3.2.3視頻圖像判讀細分技術(shù)

3.3光學測量數(shù)據(jù)獲取與格式

3.3.1視頻圖像和膠片測量數(shù)據(jù)記錄格式

3.3.2光測數(shù)據(jù)的量綱復原

3.4判讀系統(tǒng)主要技術(shù)指標標定方法

3.4.1視頻圖像判讀系統(tǒng)標定方法

3.4.2膠片判讀系統(tǒng)標定方法

參考文獻

第4章光測數(shù)據(jù)誤差分析與修正處理

4.1跟蹤誤差與修正

4.1.1跟蹤誤差

4.1.2誤差修正

4.2系統(tǒng)誤差標定與數(shù)學模型

4.2.1設(shè)備系統(tǒng)誤差簡介

4.2.2軸系誤差對測角的影響

4.2.3常規(guī)系統(tǒng)誤差數(shù)學模型

4.2.4特殊系統(tǒng)誤差數(shù)學模型

4.3時間誤差修正

4.3.1激光測距延時修正

4.3.2采樣點時間不一致修正

4.4跟蹤部位誤差的數(shù)學模型與修正

4.4.1箭體漂移跟蹤部位誤差及修正

4.4.2激光測距跟蹤部位誤差及修正

4.4.3光波折射誤差及修正

參考文獻

第5章光測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評估

5.1光學成像質(zhì)量檢查

5.2判讀誤差不確定度分析

5.2.1視頻圖像判讀不確定度分析

5.2.2膠片判讀不確定度分析

5.3光學數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

5.3.1基于比對的殘差檢查

5.3.2不同設(shè)備的時間一致性分析

5.4異常變化數(shù)據(jù)的識別與診斷技術(shù)

5.4.1數(shù)據(jù)波動的量化評定與時域濾波技術(shù)

5.4.2數(shù)據(jù)散亂的識別與診斷技術(shù)

5.4.3數(shù)據(jù)擺動的識別與診斷技術(shù)

5.5數(shù)據(jù)過失誤差的檢查與處理

5.5.1丟點/重點診斷與修復

5.5.2異常點識別與修復

5.5.3斑點識別與修復

5.6殘差平穩(wěn)性檢驗

5.6.1逆序數(shù)檢驗法

5.6.2歸一化游程檢驗法

5.7非平穩(wěn)殘差序列趨勢項分離

5.7.1趨勢項的擬合分離

5.7.2比對差值序列與比較標準的相依關(guān)系分析

5.8隨機誤差模型分析與統(tǒng)計

5.8.1典型的隨機誤差統(tǒng)計方法

5.8.2穩(wěn)健統(tǒng)計法

5.8.3容錯平滑殘差統(tǒng)計法

5.8.4加權(quán)最小一乘統(tǒng)計方法

5.9布站結(jié)構(gòu)的影響分析與評估

5.9.1影響分析方法

5.9.2實例分析與評估

5.9.3布站優(yōu)化

參考文獻

第6章箭體姿態(tài)與漂移光測數(shù)據(jù)處理

6.1箭體姿態(tài)與漂移基礎(chǔ)知識

6.1.1箭體舵面定義

6.1.2箭體坐標系

6.1.3箭體姿態(tài)描述

6.1.4垂直起飛與箭體漂移

6.2光測跟蹤測量及計算

6.2.1測站的布站

6.2.2箭體測量標志

6.3箭體漂移計算

6.3.1箭體測量點坐標位置計算

6.3.2箭體測量點漂移及漂移方位角計算

6.4箭體姿態(tài)確定

6.4.1箭體俯仰角及偏航角確定

6.4.2箭體滾動角確定

6.5測元數(shù)據(jù)對漂移量數(shù)據(jù)影響分析

6.5.1分析模型

6.5.2誤差計算

6.6發(fā)射點偏差對漂移量影響分析

6.6.1發(fā)射坐標及旋轉(zhuǎn)矩陣

6.6.2擾動矩陣

6.6.3誤差計算

6.7判讀誤差對漂移量影響分析

6.7.1誤差模型

6.7.2誤差分析

6.8攝影焦距對漂移量影響分析

6.8.1影響分析

6.8.2實例分析

6.8.3焦距測量與修正

6.9箭體漂移規(guī)律建模、分析與預測

6.9.1箭體漂移規(guī)律分析

6.9.2箭體漂移預報

參考文獻

第7章運載火箭飛行彈道的光測數(shù)據(jù)處理

7.1單臺光測設(shè)備彈道確定

7.1.1定位算法

7.1.2誤差傳播與精度計算

7.1.3速度分量算法

7.2多臺交會彈道確定

7.2.1測元層數(shù)據(jù)融合估計

7.2.2彈道層數(shù)據(jù)組合估計

7.3彈道數(shù)值微分法

7.3.1容錯擬合微分算法

7.3.2容錯樣條微分算法

7.3.3容錯插值微分算法

7.3.4滑動遞推微分預報和容錯微分預報算法

7.3.5幾種典型微分效果比較分析

7.4其他參數(shù)的確定

7.5光學數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)

7.5.1與高精度測速系統(tǒng)信息融合處理

7.5.2與GPS測量信息融合處理

參考文獻

本書以航天工程為背景，系統(tǒng)闡述了光學跟蹤測量原理、數(shù)據(jù)獲取、誤差分析與處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評估、箭體漂移與姿態(tài)確定、目標彈道確定與精度估計等相關(guān)技術(shù)。全書共分7章，第1章介紹了光學跟蹤測量有關(guān)內(nèi)容；

第2章介紹了光學跟蹤測量設(shè)備；第3章介紹了事后光測數(shù)據(jù)獲取技術(shù)；第4章介紹了光測數(shù)據(jù)誤差分析與誤差修正處理知識；第5章介紹了光測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評估；第6章介紹了箭體姿態(tài)與漂移光測數(shù)據(jù)處理技術(shù)；第7章介紹了運載火箭飛行彈道的光測數(shù)據(jù)處理技術(shù)。本書合理吸收了作者及其所在單位20多年相關(guān)工作的系列性研究成果，并結(jié)合航天工程實踐給出了大量的應用效果和仿真實例，對光測數(shù)據(jù)處理理論和應用都具有重要參考價值。本書可供光學跟蹤測量、光學數(shù)據(jù)處理及航天測控系統(tǒng)工程等專業(yè)的本科生、研究生學習。書中內(nèi)容和方法也可供航空測量與航天測控等工程領(lǐng)域的技術(shù)人員參考使用