光學(xué)跟蹤原理

在笛卡兒直角坐標(biāo)系中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的瞬時(shí)質(zhì)心位置可用3個(gè)線量(X、Y、Z)來(lái)確定，連續(xù)取得3個(gè)線量就可以求出它的運(yùn)行軌道。光學(xué)跟蹤通常用交會(huì)測(cè)量法和綜合定向測(cè)距法測(cè)量。

光學(xué)跟蹤交會(huì)測(cè)量法

光學(xué)跟蹤系統(tǒng)在靶場(chǎng)測(cè)量中采用前方交會(huì)測(cè)量法。在一條精密測(cè)量基線的兩端各布置一個(gè)光學(xué)測(cè)量站，同時(shí)測(cè)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(cè)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(biāo)。電影經(jīng)緯儀和彈道照相機(jī)就是用這種方法進(jìn)行測(cè)量的。

光學(xué)跟蹤綜合定向測(cè)量法

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

光學(xué)跟蹤是利用光學(xué)測(cè)量和成象原理，測(cè)量、記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的事件，以及目標(biāo)的紅外輻射和視覺(jué)（可見(jiàn)光）特征。

光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備通常由攝影機(jī)、跟蹤或監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。多臺(tái)設(shè)備通過(guò)適當(dāng)組合，構(gòu)成光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。

光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是武器靶場(chǎng)試驗(yàn)和航天發(fā)射中使用的一種跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。它利用光學(xué)測(cè)量和成象原理，測(cè)量、記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的 事件，以及目標(biāo)的紅外輻射和視覺(jué)（可見(jiàn)光）特征。光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備通常由攝影機(jī)、跟蹤或監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處 理設(shè)備組成。多臺(tái)設(shè)備通過(guò)適當(dāng)組合，構(gòu)成光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)主要分為三類(lèi)。

光學(xué)跟蹤彈道測(cè)量設(shè)備

用來(lái)獲取被測(cè)目標(biāo)在空間隨時(shí)間變化的位置、速度和加速度等數(shù)據(jù)，是對(duì)航天器、武器系統(tǒng)進(jìn)行鑒定的改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jī)和固定攝影機(jī)。

光學(xué)跟蹤姿態(tài)和事件測(cè)量設(shè)備

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

光學(xué)跟蹤目標(biāo)特征測(cè)量設(shè)備

用于對(duì)目標(biāo)紅外信號(hào)特征和可見(jiàn)光信號(hào)特征進(jìn)行測(cè) 量。60年代以來(lái)激光、紅外、電視等光電新技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為靶場(chǎng)跟蹤測(cè)量提供了新手段，出現(xiàn)激光 雷達(dá)、電視跟蹤測(cè)量設(shè)備和激光-電影經(jīng)緯儀復(fù)合設(shè)備等新一代光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備。這些設(shè)備保持了傳統(tǒng)光學(xué) 跟蹤測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度高、目標(biāo)影象直觀和設(shè)備機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)光測(cè)設(shè)備需多臺(tái)同時(shí)工作、數(shù)據(jù) 處理周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了單站實(shí)時(shí)測(cè)量。例如激光雷達(dá)根據(jù)激光束的方位角、俯仰角和激光測(cè)距，可確定目 標(biāo)的空間位置，由距離隨時(shí)間變化求得速度，由速度變化求得加速度，測(cè)量精度高。電視自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)利用目標(biāo) 與背景或周?chē)矬w的比較跟蹤數(shù)據(jù)。光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步提高激光雷達(dá)的作用距離，應(yīng)用圖 象識(shí)別和處理技術(shù)提高光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備的捕獲跟蹤能力、測(cè)量精度，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng) 自動(dòng)化程度，更好發(fā)揮系統(tǒng)的綜合效能。

在光學(xué)跟蹤測(cè)量中須由多種設(shè)備組成一個(gè)完整的跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。例如，由幾臺(tái)電影經(jīng)緯儀組成的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，不僅各臺(tái)電影經(jīng)緯儀之間要有密切的配合，還要與引導(dǎo)設(shè)備、時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、計(jì)算中心和通信指揮設(shè)備連接并協(xié)同工作。在試驗(yàn)時(shí)，由引導(dǎo)設(shè)備把目標(biāo)引入電影經(jīng)緯儀視場(chǎng)，電影經(jīng)緯儀自動(dòng)或人工驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)。在跟蹤過(guò)程中，時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備控制各站對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(biāo)的方位角、俯仰角和目標(biāo)形象，經(jīng)事后判讀和修正處理即可求出目標(biāo)的彈道參數(shù)。在跟蹤拍照的同時(shí)，電影經(jīng)緯儀輸出實(shí)測(cè)參數(shù)至計(jì)算中心，用于安全控制顯示和引導(dǎo)其他測(cè)量設(shè)備。

①測(cè)量火箭、導(dǎo)彈主動(dòng)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(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)實(shí)況，為導(dǎo)彈起飛離架、級(jí)間分離、故障分析和再入物理特性研究提供資料；

③對(duì)其他光學(xué)和無(wú)線電測(cè)量設(shè)備進(jìn)行鑒定和校準(zhǔn)。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高，直觀性強(qiáng)，測(cè)角精度可達(dá)2～5角秒，定位精度可達(dá)1～2米，作用距離一般為100～400公里。缺點(diǎn)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(shí)容易丟失目標(biāo)。

第1章概論

1.1光學(xué)跟蹤測(cè)量在航天測(cè)控網(wǎng)中的作用

1.2國(guó)內(nèi)外光學(xué)測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

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

參考文獻(xiàn)

第2章光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備

2.1高速電視測(cè)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(cè)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(shí)況記錄儀測(cè)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(yuǎn)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(xiàn)

參考文獻(xiàn)

第3章事后光測(cè)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(shí)現(xiàn)

3.1.2膠片判讀儀工作原理與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.2光學(xué)畸變與校準(zhǔn)

3.2.1視頻圖像判讀的光學(xué)畸變校準(zhǔn)處理

3.2.2膠片判讀的區(qū)域化畸變校準(zhǔn)處理

3.2.3視頻圖像判讀細(xì)分技術(shù)

3.3光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取與格式

3.3.1視頻圖像和膠片測(cè)量數(shù)據(jù)記錄格式

3.3.2光測(cè)數(shù)據(jù)的量綱復(fù)原

3.4判讀系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)定方法

3.4.1視頻圖像判讀系統(tǒng)標(biāo)定方法

3.4.2膠片判讀系統(tǒng)標(biāo)定方法

參考文獻(xiàn)

第4章光測(cè)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(biāo)定與數(shù)學(xué)模型

4.2.1設(shè)備系統(tǒng)誤差簡(jiǎn)介

4.2.2軸系誤差對(duì)測(cè)角的影響

4.2.3常規(guī)系統(tǒng)誤差數(shù)學(xué)模型

4.2.4特殊系統(tǒng)誤差數(shù)學(xué)模型

4.3時(shí)間誤差修正

4.3.1激光測(cè)距延時(shí)修正

4.3.2采樣點(diǎn)時(shí)間不一致修正

4.4跟蹤部位誤差的數(shù)學(xué)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(cè)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(xiàn)

第5章光測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評(píng)估

5.1光學(xué)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(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

5.3.1基于比對(duì)的殘差檢查

5.3.2不同設(shè)備的時(shí)間一致性分析

5.4異常變化數(shù)據(jù)的識(shí)別與診斷技術(shù)

5.4.1數(shù)據(jù)波動(dòng)的量化評(píng)定與時(shí)域?yàn)V波技術(shù)

5.4.2數(shù)據(jù)散亂的識(shí)別與診斷技術(shù)

5.4.3數(shù)據(jù)擺動(dòng)的識(shí)別與診斷技術(shù)

5.5數(shù)據(jù)過(guò)失誤差的檢查與處理

5.5.1丟點(diǎn)/重點(diǎn)診斷與修復(fù)

5.5.2異常點(diǎn)識(shí)別與修復(fù)

5.5.3斑點(diǎn)識(shí)別與修復(fù)

5.6殘差平穩(wěn)性檢驗(yàn)

5.6.1逆序數(shù)檢驗(yàn)法

5.6.2歸一化游程檢驗(yàn)法

5.7非平穩(wěn)殘差序列趨勢(shì)項(xiàng)分離

5.7.1趨勢(shì)項(xiàng)的擬合分離

5.7.2比對(duì)差值序列與比較標(biāo)準(zhǔn)的相依關(guān)系分析

5.8隨機(jī)誤差模型分析與統(tǒng)計(jì)

5.8.1典型的隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)方法

5.8.2穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法

5.8.3容錯(cuò)平滑殘差統(tǒng)計(jì)法

5.8.4加權(quán)最小一乘統(tǒng)計(jì)方法

5.9布站結(jié)構(gòu)的影響分析與評(píng)估

5.9.1影響分析方法

5.9.2實(shí)例分析與評(píng)估

5.9.3布站優(yōu)化

參考文獻(xiàn)

第6章箭體姿態(tài)與漂移光測(cè)數(shù)據(jù)處理

6.1箭體姿態(tài)與漂移基礎(chǔ)知識(shí)

6.1.1箭體舵面定義

6.1.2箭體坐標(biāo)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(cè)跟蹤測(cè)量及計(jì)算

6.2.1測(cè)站的布站

6.2.2箭體測(cè)量標(biāo)志

6.3箭體漂移計(jì)算

6.3.1箭體測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)位置計(jì)算

6.3.2箭體測(cè)量點(diǎn)漂移及漂移方位角計(jì)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(dòng)角確定

6.5測(cè)元數(shù)據(jù)對(duì)漂移量數(shù)據(jù)影響分析

6.5.1分析模型

6.5.2誤差計(jì)算

6.6發(fā)射點(diǎn)偏差對(duì)漂移量影響分析

6.6.1發(fā)射坐標(biāo)及旋轉(zhuǎn)矩陣

6.6.2擾動(dòng)矩陣

6.6.3誤差計(jì)算

6.7判讀誤差對(duì)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(duì)漂移量影響分析

6.8.1影響分析

6.8.2實(shí)例分析

6.8.3焦距測(cè)量與修正

6.9箭體漂移規(guī)律建模、分析與預(yù)測(cè)

6.9.1箭體漂移規(guī)律分析

6.9.2箭體漂移預(yù)報(bào)

參考文獻(xiàn)

第7章運(yùn)載火箭飛行彈道的光測(cè)數(shù)據(jù)處理

7.1單臺(tái)光測(cè)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(jì)算

7.1.3速度分量算法

7.2多臺(tái)交會(huì)彈道確定

7.2.1測(cè)元層數(shù)據(jù)融合估計(jì)

7.2.2彈道層數(shù)據(jù)組合估計(jì)

7.3彈道數(shù)值微分法

7.3.1容錯(cuò)擬合微分算法

7.3.2容錯(cuò)樣條微分算法

7.3.3容錯(cuò)插值微分算法

7.3.4滑動(dòng)遞推微分預(yù)報(bào)和容錯(cuò)微分預(yù)報(bào)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(xué)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(cè)速系統(tǒng)信息融合處理

7.5.2與GPS測(cè)量信息融合處理

參考文獻(xiàn)

本書(shū)以航天工程為背景，系統(tǒng)闡述了光學(xué)跟蹤測(cè)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(píng)估、箭體漂移與姿態(tài)確定、目標(biāo)彈道確定與精度估計(jì)等相關(guān)技術(shù)。全書(shū)共分7章，第1章介紹了光學(xué)跟蹤測(cè)量有關(guān)內(nèi)容；

第2章介紹了光學(xué)跟蹤測(cè)量設(shè)備；第3章介紹了事后光測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)；第4章介紹了光測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析與誤差修正處理知識(shí)；第5章介紹了光測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評(píng)估；第6章介紹了箭體姿態(tài)與漂移光測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)；第7章介紹了運(yùn)載火箭飛行彈道的光測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。本書(shū)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(shí)踐給出了大量的應(yīng)用效果和仿真實(shí)例，對(duì)光測(cè)數(shù)據(jù)處理理論和應(yīng)用都具有重要參考價(jià)值。本書(shū)可供光學(xué)跟蹤測(cè)量、光學(xué)數(shù)據(jù)處理及航天測(cè)控系統(tǒng)工程等專(zhuān)業(yè)的本科生、研究生學(xué)習(xí)。書(shū)中內(nèi)容和方法也可供航空測(cè)量與航天測(cè)控等工程領(lǐng)域的技術(shù)人員參考使用