CN103411629A - 一种火箭橇试验外测数据融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火箭橇试验外测数据融合方法,本发明综合了雷达系统的测速精度、遮光板系统的位置精度和差分GPS的定位、测速精度,弥补了水刹车段数据丢失的现象,使外测数据更加完整,实现对火箭橇试验的全程覆盖,数据融合的同时完成了雷达、遮光板以及差分GPS系统的时间同步问题,整个融合方法得到的数据都具有该阶段最高的精度水平,该方法相对以往采用单一外测手段进行误差分离或者功能评判,数据融合方法提供了更多数据点,改善了以往采用单一外测手段进行误差分离的状况,使精度分析更加准确,为惯性测量装置误差模型的高阶项分离提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种火箭橇试验外测数据融合方法,特别涉及一种基于惯性测量装置火箭橇试验外测数据融合方法,属于航天试验技术领域。
背景技术
火箭橇是采用火箭发动机作为动力,沿着专门建造的轨道运行的一种可回收式的试验手段。以往的火箭橇测速方法是采用老式的断靶触发方法,即在火箭橇的侧方,每隔一端距离布置上启动靶和停止靶,通过橇载记录设备记录下橇体触碰到启动靶和停止靶的时间,进而知道橇体的运动速度,并根据布设靶的位置,得到橇体的位置信息,但由于这种方法对于长距离火箭橇试验实施较为困难,并且精度不高,逐渐的被淘汰。
新的外测手段应运而生,雷达、遮光板等外测手段逐渐的应用于火箭橇试验中。雷达外测系统是非接触式测量手段,其采用雷达波和多普勒效应原理,实现对火箭橇橇体速度的测量,并且通过积分等方法,得到位置信息,但是雷达外测系统有其自身的缺点,即雷达对高速运动的物体,其测速精度较高,而对低速运动的物体,其测速精度较低,当橇速低至接近停止时,雷达测速系统的测速精度大大降低。
遮光板系统受启发于以前的断靶触发原理,但只采用单靶的方式,即将挡光板安装在轨道边上,挡光板之间的距离进行精确测量,其安装垂直度也精确调整,当火箭橇试验时,橇体上安装的计时器,每通过一个挡光板时,记录下通过该挡光板的时间,根据计时器得到的时间信息和挡光板的距离信息,即可以得到橇体的位置信息,进一步得到速度信息,但遮光板系统受到其工作特点的限制,进入水刹车区后,水花会影响其工作,所以遮光板失效,水刹段数据丢失。
为了解决火箭橇试验橇体在水刹段数据丢失的问题,引入了全新的外测系统:差分GPS系统。差分GPS系统由天上的导航卫星提供导航数据,由于接收天线安装在橇体顶部,不受环境影响,所以可以完成定位、测速等测量功能,弥补了水刹段的数据丢失现象,但由于技术限制,在火箭橇试验的大过载段,其定位、测速功能失效。
以往的精度试验和分析方法,都是采用单一的外测手段进行误差分离,比如只采用雷达数据进行误差分离或者只采用遮光板数据进行误差分离,这样的结果就是,对火箭橇试验的评估和分析不够全面,采用雷达进行评估,其低速区测速精度并不高,所以评估的质量也较差,而采用遮光板进行评估,也只能评估加速段和滑行段的数据,不能进行水刹段乃至全程的精度分析,限制了火箭橇试验的精度分析,制约着火箭橇误差分离的进步,所以,亟待寻求一种方法,可以实现对火箭橇试验的全覆盖,并提供准确的外测系统数据,为惯性测量装置误差模型的高阶项分离提供保证。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供了一种火箭橇试验外测数据融合方法,提高了外测数据的测量精度,实现对火箭橇试验全程覆盖,为惯性测量装置误差模型的高阶项分离提供依据。
本发明的技术解决方案:一种火箭橇试验外测数据融合方法,火箭橇试验采用雷达系统、遮光板系统和差分GPS系统获取外测数据,步骤如下:
(1)火箭橇试验从加速段到滑行段前半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,利用火箭橇的速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息,对遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息进行积分得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息,将积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息与遮光板系统测量得到的位置信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,对上述三个误差进行补偿得到火箭橇试验加速段和滑行段前半段的外测数据;
(2)火箭橇试验从滑行段前半段结束到滑行段后半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(1)的方法得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,利用雷达系统测量得到的火箭橇速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息,将插值得到的差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息与差分GPS系统测量得到的速度信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对上述四个误差进行补偿得到火箭橇试验滑行段后半段的外测数据;
(3)火箭橇试验从滑行段结束到火箭橇速度达到15m/s时,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(2)的方法得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差进行补偿得到火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(4)从火箭橇速度低于15m/s直至停止,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息,将差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息作为火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(5)将步骤(1)-(4)得到的火箭橇试验四个阶段的外测数据进行拼接得到火箭橇试验全过程外测数据,从而实现火箭橇试验外测数据的融合。
步骤(1)、(2)中采用拉格朗日插值算法得到遮光板系统或差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息的方法为:
V′ld为遮光板系统或差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息;
Tld为雷达系统测量的火箭撬速度信息所对应的时间点;
T为遮光板系统或者差分GPS系统测量信息对应的时间点;
V为雷达系统测量的火箭撬速度信息;
i为遮光板系统或者差分GPS系统的采样点,i=1、2、3、、、m;
j为雷达系统的采样点,j=1、2、3、、、n。
步骤(1)、(2)得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0的方法为:
Szgb为遮光板系统测量得到的位置信息;
S′ld为积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息;
Tzgb为遮光板系统测量的火箭撬位置信息对应的时间点。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明综合了雷达系统的测速精度、遮光板系统的位置精度和差分GPS的定位、测速精度,弥补了水刹车段数据丢失的现象,使外测数据更加完整,实现对火箭橇试验的全程覆盖,数据融合的同时完成了雷达、遮光板以及差分GPS系统的时间同步问题,整个融合方法得到的数据都具有该阶段最高的精度水平,该方法相对以往采用单一外测手段进行误差分离或者功能评判,数据融合方法提供了更多数据点,改善了以往采用单一外测手段进行误差分离的状况,使精度分析更加准确,为惯性测量装置误差模型的高阶项分离提供依据。
附图说明
图1为本发明数据融合方法流程图;
图2为雷达系统测量的速度图;
图3为遮光板系统测量的位置曲线图;
图4为差分GPS系统测量的位置曲线图;
图5为差分GPS系统测量的速度曲线图;
图6为本发明数据融合结果示意图。
具体实施方式
火箭橇试验中,雷达系统的外测数据以其较高的测速精度,火箭橇试验确定其为速度基准,但由于其舍入误差,通过积分得到的位置信息有较大的误差;遮光板系统以其较高的位置精度的优点,确定其为位置基准,但由于其工作特点的原因,当进入水刹车区后,水花等影响其工作,所以只能作为前半程的位置基准,另外通过遮光板的位置得到橇体运动信息为微分运算,微分运算的噪声较大,对精度分析不利;差分GPS系统以其较高的位置精度和测速精度等特点,确定其为位置基准,但由于在火箭橇加速区,加速度较大,GPS板接收信号出现失锁现象,只有在滑行阶段,才会恢复定位功能,所以只能作为后半程的位置基准。
因此,火箭橇试验需要联合时统系统、遮光板系统数据,雷达系统数据和差分GPS系统数据,通过数据融合算法进行数据融合,组成一个完整的外测系统,其实现流程如图1所示,具体步骤如下:
(1)火箭橇试验从加速段到滑行段前半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,利用火箭橇的速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息,对遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息进行积分得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息,将积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息与遮光板系统测量得到的位置信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,对上述三个误差进行补偿得到火箭橇试验加速段和滑行段前半段的外测数据;
(2)火箭橇试验从滑行段前半段结束到滑行段后半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(1)的方法得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,利用雷达系统测量得到的火箭橇速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息,将插值得到的差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息与差分GPS系统测量得到的速度信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对上述四个误差进行补偿得到火箭橇试验滑行段后半段的外测数据;
(3)火箭橇试验从滑行段结束到火箭橇速度达到15m/s时,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(2)的方法得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差进行补偿得到火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(4)从火箭橇速度低于15m/s直至停止,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息,将差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息作为火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(5)将步骤(1)-(4)得到的火箭橇试验四个阶段的外测数据进行拼接得到火箭橇试验全过程外测数据,从而实现火箭橇试验外测数据的融合。
本发明配合适当的插值运算和最小二乘计算方法,结合了雷达较高的测速精度、遮光板系统较高的位置精度、GPS对水刹车段的测速及定位功能和激光惯组的导航数据,克服了雷达低速区测速不准、遮光板信息不丰富、遮光板在水刹车段失灵、GPS在高过载段失灵等缺点,得到一个能对火箭橇试验进行全程覆盖的外测系统数据,并以其为基准,对激光惯组的误差模型进行误差分离。
火箭橇试验采用的雷达系统是脉冲多普勒雷达系统,根据雷达的数据可以计算出火箭橇的运行速度,通过积分的方法可以得到火箭橇相对于初始点的位移,由于雷达的测速精度在1‰左右,其数据只保留到小数点后2位,较大的舍入误差影响了其位置精度,如图2所示为雷达系统的速度曲线图。
火箭橇试验的橇载外测系统是遮光板外测系统,遮光板外测系统赖于遮光板安装的垂直度和位置精度,容易受到试验和环境影响,重复性不佳。应用火箭橇试验前测量好的遮光板位置数据,可以得到遮光板的位置随时间变化示意图,如图3所示,从图中可以看出,遮光板在橇体运行到14.4s时进入水刹车后失去测量功能,与雷达外测相比,失去了火箭橇进入水刹车后那一段的宝贵数据,这对外测系统提出了全面覆盖试验全过程的要求,也正是数据融合的意义所在。
通过分析雷达外测和遮光板外测系统的工作和数据特点,对前半程的外测数据进行融合。例如从数据上看出,雷达外测一共有800个测量点,遮光板外测一共有419个点,并且雷达数据近似的等间隔测量,而遮光板数据属于离散式的数据,这样就需要进行插值计算,因为雷达系统相邻的两个点时间很短,所以插值计算方法采用Lagrange的线性插值方法,在遮光板的数据上取到对应的雷达数据点V′ld,其公式:
V′ld为遮光板系统或差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息;
Tld为雷达系统测量的火箭撬速度信息所对应的时间点;
T为遮光板系统或者差分GPS系统测量信息对应的时间点;
V为雷达系统测量的火箭撬速度信息;
i为遮光板系统或者差分GPS系统的采样点,i=1、2、3、、、m;
j为雷达系统的采样点,j=1、2、3、、、n。
通过公式,就可以从雷达的800个数据点中,提取出遮光板对应的419个点,这样就可以和遮光板的419个点进行数据比对,分析雷达与遮光板之间可能存在的误差,有时间同步误差Δt,起始速度误差V0,还有起始点的零位误差S0,则有:
Szgb为遮光板系统测量得到的位置信息;
S′ld为积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息;
Tzgb为遮光板系统测量的火箭撬位置信息对应的时间点。
对上式进行最小二乘拟合,从拟合结果可以看出,二者非常接近,个别点差别较大是由于雷达的舍入误差造成的。得到了遮光板和雷达的误差,对雷达数据进行修正,首先修正时间同步误差,得到修正结果。其次进行零位修正,即补偿起始点的零位误差,零位发生了明显改变。最后对初始速度进行误差补偿,可以看出,拟合结果基本在零位附近。通过对雷达的位置数据的进行系统误差补偿,剩下的残差部分属于随机噪声,是正常情况。最后将遮光板和雷达的速度和位置信息绘于同一个图内,二者基本完全重合,得到数据融合结果I,雷达和遮光板数据融合完成。
差分GPS是一种依赖于无线电波的外测手段,在火箭橇试验过程中,由于在火箭橇的加速段,会产生12g~18g的航向过载,在如此高的过载情况下,GPS板极易出现卫星信号失锁的现象,如果一旦信号失锁,就意味着支持GPS工作的无线电文无法正常传输和接收,那么GPS板失去了定位功能。火箭橇试验的GPS数据分为单板GPS和差分GPS数据,其数据是在WGS-84坐标系下的经度、纬度和高度等,可以通过下式将其转化为地球直角坐标系下的值,并以发射原点作为坐标系原点,可以解算出火箭橇试验数据的东向、北向及天向数据,如图4所示。
其中N为卯酉圈半径,e为地球第一偏心率。
从图4中可以看出,GPS板在火箭橇加速段丧失定位功能,当火箭橇从加速段到滑行段时,GPS板恢复定位功能,但此时定位精度较差,随着时间的推移,GPS定位精度恢复,但差分GPS需要更长的缓冲时间。从图5中可以看出单板GPS和差分GPS的速度曲线,从图中可以看出,GPS在第5s时恢复定位测速等功能,差分GPS在第10s时恢复功能,直至试验结束.由于遮光板在进入水刹车后丧失其功能,导致橇体进入水刹车段的宝贵数据丢失,这部分可以由差分GPS补充,并且差分GPS和遮光板外测系统有公共部分,这样可以较准确的完成数据融合。GPS系统的位置测量精度和速度测量精度由GPS板卡参数决定,与火箭橇的位置和具体运动情况无关,所以雷达和GPS数据融合不存在起始位置误差和起始速度误差,只需要将时间统一到同一时刻即可。通过雷达对GPS数据的插值运算,从速度曲线可以看出,在时间对齐后,雷达与GPS的速度曲线是重合的。
按照上述两个融合阶段,可以先后完成雷达与遮光板的数据融合、雷达与遮光板加上GPS系统的数据融合、雷达与GPS系统的数据融合以及GPS系统数据的直接应用,这样就形成了一套完整的外测系统,得到数据融合结果如图6中所示。
该方法根据火箭橇各外测数据的数据特点,即雷达外测系统,其测速精度较高,但由于其数据有舍入误差,所以位置信息不精确;遮光板系统具有较高的位置精度,但水刹段功能失效;差分GPS系统具有较高的定位和测速精度,但主动段功能失效,将各外测系统数据进行插值并融合,可以得到一组完整的火箭橇试验外测系统数据,该外测数据不但具有雷达的测速精度,还具有遮光板的位置精度,并弥补了水刹车段的数据丢失,实现了外测系统对火箭橇试验的全覆盖,并弥补了采用单一外测手段所得数据进行误差分离所带来的不足,对火箭橇试验的精度分析具有重要的理论和应用意义。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (3)
1.一种火箭橇试验外测数据融合方法,火箭橇试验采用雷达系统、遮光板系统和差分GPS系统获取外测数据,其特征在于步骤如下:
(1)火箭橇试验从加速段到滑行段前半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,利用火箭橇的速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息,对遮光板系统采样点所对应的火箭橇速度信息进行积分得到遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息,将积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息与遮光板系统测量得到的位置信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,对上述三个误差进行补偿得到火箭橇试验加速段和滑行段前半段的外测数据;
(2)火箭橇试验从滑行段前半段结束到滑行段后半段,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用遮光板系统测量得到火箭橇的位置信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(1)的方法得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0,利用雷达系统测量得到的火箭橇速度信息采用拉格朗日插值算法插值得到差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息,将插值得到的差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息与差分GPS系统测量得到的速度信息进行最小二乘拟合得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对上述四个误差进行补偿得到火箭橇试验滑行段后半段的外测数据;
(3)火箭橇试验从滑行段结束到火箭橇速度达到15m/s时,采用雷达系统测量得到火箭橇的速度信息,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的位置信息和速度信息,按照步骤(2)的方法得到火箭橇试验差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差Δt1,对差分GPS系统与雷达系统的时间同步误差进行补偿得到火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(4)从火箭橇速度低于15m/s直至停止,采用差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息,将差分GPS系统测量得到火箭橇的速度和位置信息作为火箭橇试验在该阶段的外测数据;
(5)将步骤(1)-(4)得到的火箭橇试验四个阶段的外测数据进行拼接得到火箭橇试验全过程外测数据,从而实现火箭橇试验外测数据的融合。
2.根据权利要求1所述的一种火箭橇试验外测数据融合方法,其特征在于:所述步骤(1)、(2)中采用拉格朗日插值算法得到遮光板系统或差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息的方法为:
V′ld为遮光板系统或差分GPS系统采样点所对应的火箭橇速度信息;
Tld为雷达系统测量的火箭撬速度信息所对应的时间点;
T为遮光板系统或者差分GPS系统测量信息对应的时间点;
V为雷达系统测量的火箭撬速度信息;
i为遮光板系统或者差分GPS系统的采样点,i=1、2、3、、、m;
j为雷达系统的采样点,j=1、2、3、、、n。
3.根据权利要求2所述的一种火箭橇试验外测数据融合方法,其特征在于:所述步骤(1)、(2)得到火箭橇试验遮光板系统与雷达系统的时间同步误差Δt、起始速度误差V0和起始点零位误差S0的方法为:
Szgb为遮光板系统测量得到的位置信息;
S′ld为积分得到的遮光板系统采样点所对应的火箭橇位置信息;
Tzgb为遮光板系统测量的火箭撬位置信息对应的时间点。
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