CN105205237B - 一种基准弹道动态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基准弹道动态确定方法，主要解决在运载器发射试验任务中，数据处理系统根据外测设备的跟踪测量数据进行运载器飞行轨迹计算时，提供测量数据检择预处理的比较基准和优化综合弹道处理计算时的基准弹道，以剔除异常数据，解决因部分外测设备测量数据异常导致的外测综合弹道异常跳变的问题，提高外测综合弹道处理结果的可信度和精度，实现测量设备的平稳引导，提供正确的指挥决策支持信息。包括：1.提出了人机结合的候选弹道优先级策略。2.确定了候选弹道初选满足条件。3.确定了候选基准弹道值计算方法。4.制定了基准弹道验证方法。

Description

一种基准弹道动态确定方法

技术领域

本发明涉及航天测控领域运载器的数据分析处理技术，特别是对跟踪测量数据的预处理、飞行器的多条跟踪测量弹道的综合处理，具体是一种基准弹道动态确定方法。

背景技术

在执行航天器发射任务过程中，数据处理软件根据外测设备精度等情况，制定了一系列设备选优组合。在正常情况下，这样的选优组合可以得到高精度的弹道。在各个选优组合的基础上再计算出一条外测综合弹道。然而，外测弹道质量不仅仅取决于测量设备本身，还与运载器合作目标、气象条件、通信链路、处理算法有关。因此，在任务中常常可以看到一台外测设备数据质量不好，就会导致多条外测弹道质量不好、曲线异常跳变，从而导致外测综合弹道曲线异常跳变。

通常，GNSS(全球导航卫星系统)弹道和遥测弹道的数据质量好、曲线光滑，能够真实反映运载器飞行情况。

开展基准弹道动态确定方法研究具有较大的现实意义。主要表现在：

1)能够为测量数据预处理提供检择比较基准，有效剔除异常跳变的野值。

2)为运载器综合弹道处理算法优化改进提供基准弹道，提高综合弹道质量。

3)能够帮助提高指挥决策、引导控制、实时分析评估的自动化程度。

发明内容

针对现有技术的不足，为了剔除测量数据的异常跳变野值、为运载器综合弹道处理算法的优化改进、提高综合弹道计算精度，提出了一种基准弹道动态确定方法。本发明的技术方案如下：一种基准弹道动态确定方法，其包括以下步骤：

101、首先设定人机结合的候选弹道优先级顺序；

102、其次设定候选弹道的初选满足条件，判断候选弹道的弹道值队列listOrbit(t)是否符合初选满足条件；

103、对满足初选条件的候选弹道队列listOrbit(t)进行计算，得到候选基准弹道值JZOrbit(t)；

104、利用外测弹道集合对步骤103得到的候选基准弹道值JZOrbit(t)进行验证，若验证通过，该候选基准弹道值有效，则基准弹道值JZOrbit^*(t)等于该候选基准弹道值JZOrbit(t)，完成基准弹道值的确定。

进一步的，步骤101中设定人机结合的候选弹道优先级顺序具体为：

首先，按照GNSS弹道、遥测主惯组弹道YCGZ1、遥测从惯组弹道YCGZ2的顺序，候选弹道的优先级由高到低排列；

其次，在人工控制界面中，人工控制选取参与当前基准弹道候选的弹道，候选弹道可以选取GNSS弹道、YCGZ1、YCGZ2中的任1条、任两条或三条。

进一步的，步骤102中设定候选弹道的初选满足条件具体为：

设listOrbit(t)＝＜Orbit_N-1,…,Orbit₁,Orbit₀＞为候选弹道Orbit在t时刻的的弹道队列，Orbit₀为最新弹道点，Orbit_N-1为最旧弹道点，N为弹道队列长度，Orbit_i的数据结构为tagOrbit＝[T X Y Z Vx Vy Vz]，其中T表示弹道时间，X表示弹道坐标轴x方向上的大小，Y表示弹道坐标轴Y方向上的大小，Z表示弹道坐标轴z方向上的大小，Vx表示x方向上的速度分量，Vy表示Y方向上的速度分量，Vz表示z方向上的速度分量；

候选弹道初选满足条件为：候选弹道队列listOrbit(t)中的弹道点连续，队列长度N≥6，当前计算时刻t不小于最旧弹道点Orbit_N-1的时间，且最新弹道点Orbit₀与t的时延不大于该候选弹道要求的最大时延ΔT_max，即

其中，ΔT_max为弹道Orbit的最大允许延迟时间。

进一步的，当候选弹道为GNSS弹道时，候选弹道GNSS的弹道周期T_GNSS＝0.1s，候选弹道GNSS的最大允许延迟时间ΔT_max＝1.0s；

当候选弹道为遥测主惯组弹道YCGZ1或遥测从惯组弹道YCGZ2，候选弹道YCGZ1、YCGZ2的弹道周期都为1s，即T_YCGZ1＝1s，T_YCGZ2＝1s，候选弹道YCGZ1、YCGZ2的最大允许延迟时间ΔT_max＝2.5s。

进一步的，步骤103计算得到候选基准弹道值JZOrbit(t)具体为：候选基准弹道值JZOrbit(t)采用普通最小二乘法计算得到，即

y＝β₀+β₁t

其中n＝6，x_i代表候选弹道队列listOrbit(t)中弹道Orbit的T分量，y_i代表候选弹道队列中弹道Orbit除T分量之外的六个弹道分量，y代表候选基准弹道值JZOrbit(t)的除T分量之外的六个弹道分量。

进一步的，步骤104中利用外侧弹道集合对步骤103得到的候选基准弹道值JZOrbit(t)进行验证具体内容为：

设JZOrbit^*(t)为基准弹道，listWCOrbit_i(t)为外测弹道WCOrbit_i的弹道队列，WCOrbit_i(t)为对外测弹道队列listWCOrbit_i(t)采用最小二乘法计算得到的外测弹道WCOrbit_i在t时刻弹道估计值，V_i(t)为WCOrbit_i(t)的速率，即

V_jz(t)为候选基准弹道JZOrbit(t)的速率，即

ΔV_i(t)为V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差，即

ΔV_i(t)＝|V_i(t)-V_jz(t)|

基准弹道值验证方法为：计算每条外测弹道速率V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差ΔV_i(t)，如果ΔV_i(t)≤V_T(t)的外测弹道的数量N_sum≥1，则该候选基准弹道值有效，且基准弹道值JZOrbit^*(t)等于该候选基准弹道值JZOrbit(t)，即

JZOrbit^*(t)＝JZOrbit(t)。

进一步的，门限值V_T(t)的确定采用动态的随机误差统计法确定，即

V_T(t)＝k×V_randomE(t)

其中，V_randomE(t)为候选基准弹道速度值的随机误差统计值，实时计算，初始设置为0.1米/秒，k为比例系数，缺省设置为k＝3.0。

本发明的优点及有益效果如下：

本方法能够根据候选弹道的实时质量，动态自适应验证并确定基准弹道，能够为测量数据预处理提供检择比较基准，有效剔除异常跳变的野值，进一步实现基于动态自适应基准弹道的综合弹道处理算法，为指挥决策、引导控制、实时分析评估提供高质量的弹道数据。

本方法已应用于本中心的实时处理系统中，成功执行了三次卫星发射任务。

在任务实施过程中，基于本方法进行优化改进的综合弹道处理系统有效剔除了测量数据的各种异常跳变野值，处理出高质量的外测综合弹道和全程综合弹道，实时引导测量设备对运载器的平稳跟踪测量，为其他系统和指挥员提供了及时、准确的分析评估和指挥决策信息。

附图说明

图1是综合处理软件应用本方法的处理流程示意图；

图2是本方法中验证确定基准弹道值的流程示意图；

图3某次卫星发射中应用本方法的外测综合弹道曲线图；

图4某次卫星发射中应用本方法的全程综合弹道曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

根据上述研究背景，本发明的目的提出一种基准弹道动态确定方法。本方法包括：

1、人机结合的候选弹道优先级策略

基准弹道的候选弹道有三条，具体为：GNSS弹道、遥测主惯组弹道YCGZ1、遥测从惯组弹道YCGZ2。按照GNSS弹道、YCGZ1、YCGZ2的顺序，候选弹道的优先级由高到低排列。

在人工控制界面中，人工控制选取参与当前基准弹道候选的弹道。可以在实时处理过程中的任意时刻进行控制。候选弹道可以选取GNSS弹道、YCGZ1、YCGZ2中的任1条、任两条或三条。当人工不控制选取基准弹道时，说明此刻不需要基准弹道参与外测综合弹道的计算。

3、候选弹道初选满足条件

设listOrbit(t)＝＜Orbit_N-1,…,Orbit₁,Orbit₀＞为候选弹道Orbit在t时刻的的弹道队列，Orbit₀为最新弹道点，Orbit_N-1为最旧弹道点，N为弹道队列长度。Orbit_i的数据结构为tagOrbit＝[T X Y Z Vx Vy Vz]。

候选弹道初选满足条件为：候选弹道队列listOrbit(t)中的弹道点连续，队列长度N≥6，当前计算时刻t不小于最旧弹道点时间，且最新弹道点与t的时延不大于该候选弹道要求的最大时延ΔT_max，即

其中，ΔT_max为弹道Orbit的最大允许延迟时间。

定义bJZOrbit(t)为候选弹道Orbit在t时刻是否满足基准弹道初始条件的度量函数，则

t时刻，当t-Orbit₀.T≤ΔT_max且Orbit_N-1.T-t≥0时，候选弹道Orbit满足候选弹道初选条件，可以进一步计算出候选基准弹道值JZOrbit(t)。

(1)GNSS弹道的最大允许延迟时间ΔT_max

实际任务中，候选弹道GNSS的弹道周期T_GNSS＝0.1s。

候选弹道GNSS的最大允许延迟时间ΔT_max＝1.0s。

(2)YCGZ1、YCGZ2弹道的最大允许延迟时间ΔT_max

实际任务中，候选弹道YCGZ1、YCGZ2的弹道周期都为1s，即

T_YCGZ1＝1s，T_YCGZ2＝1s

候选弹道YCGZ1、YCGZ2的最大允许延迟时间ΔT_max＝2.5s。

4、候选基准弹道值计算方法

候选基准弹道值JZOrbit(t)采用普通最小二乘法计算得到，即

y＝β₀+β₁t

应用中，n＝6，x_i代表候选弹道队列listOrbit(t)中弹道Orbit的T分量，y_i代表候选弹道队列中弹道Orbit除T分量之外的六个弹道分量，y代表候选基准弹道值JZOrbit(t)的除T分量之外的六个弹道分量。

5、基准弹道值验证方法

设为t时刻外测弹道队列集合，N_w为外测弹道的条数。listWCOrbit_i(t)为外测弹道WCOrbit_i的弹道队列，WCOrbit_i(t)为采用普通最小二乘法通过listWCOrbit_i(t)计算得到的外测弹道WCOrbit_i在t时刻弹道估计值。V_i(t)为WCOrbit_i(t)的速率，即

V_jz(t)为候选基准弹道JZOrbit(t)的速率，即

ΔV_i(t)为V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差，即

ΔV_i(t)＝|V_i(t)-V_jz(t)|

设JZOrbit^*(t)为基准弹道。

基准弹道值验证方法为：计算每条外测弹道速率V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差ΔV_i(t)，如果ΔV_i(t)≤V_T(t)的外测弹道的数量N_sum≥1，则该候选基准弹道值有效，且基准弹道值JZOrbit^*(t)等于该候选基准弹道值JZOrbit(t)，即

JZOrbit^*(t)＝JZOrbit(t)

算法中的门限值V_T(t)的确定采用动态的随机误差统计法确定，即

V_T(t)＝k×V_randomE(t)

其中，V_randomE(t)为候选基准弹道速度值的随机误差统计值，实时计算，初始设置为0.1米/秒。k为比例系数，缺省设置为k＝3.0。

本算法中，V_randomE(t)采用差分阶数P＝3、步长λ＝4的基于变量差分法的随机误差统计公式：

其中，

Δ³Y_k＝Y_k-3Y_k+4+3Y_k+8-Y_k+12

Y表示需进行误差统计的速率序列V_i，σ_Y为Y的随机误差统计值，P为差分阶数，λ为步长，w为误差统计窗口，实时应用中w＝13。

设bValidJZ(t)为当前存在基准弹道值的验证确定函数，

当bValidJZ(t)＝true，说明当前存在基准弹道JZOrbit^*(t)，且

JZOrbit^*(t)＝JZOrbit(t)。

6、方法步骤

下面以伪代码形式，描述利用本方法验证确定一条候选弹道为基准弹道的具体步骤。

……//相关变量初始化

bJZ＝false；//当前没有基准弹道

get listOrbit(t)＝＜Orbit_N-1,…,Orbit₁,Orbit₀＞；//获取候选弹道队列

bJZ_HX＝bJZOrbit(t)；//判断候选弹道是否满足初选条件

if(bJZ_HX＝＝true)//如果满足初选条件

{

JZOrbit＝JZOrbit(t)；//计算候选基准弹道值

//计算候选基准弹道速率

V_randomE(t)；//候选基准弹道速度值随机误差统计

V_T(t)＝k×V_randomE(t)；//计算速率比较门限

//获取外测弹道队列集合

get mapWCOrbit(t)＝＜listWCOrbit₁(t),…,listWCOrbit_Nw(t)＞；

//计算每条外测弹道速率

ΔV_i(t)＝|V_i(t)-V_jz(t)|；//计算速率距离差

N_sum＝Count(ΔV_i(t)≤V_T(t))；//统计ΔV_i(t)≤V_T(t)的外测弹道个数

if(bValidJZ(t)＝＝true)//N_sum≥1，验证确认为基准弹道

{

bJZ＝true；//确认为基准弹道

JZOrbit^*＝JZOrbit；//给基准弹道赋值

}

else bJZ＝false；//该弹道不能作为基准弹道

}

else bJZ＝false；//该弹道不能作为基准弹道

实时综合处理软件中利用本方法的流程如图1所示，其中利用外测弹道集合验证确定基准弹道值的详细流程如图2所示。

如图1所示，实时综合处理软件利用本方法在每个处理周期从GNSS、YCGZ1和YCGZ2三条候选弹道中，按照GNSS、YCGZ1、YCGZ2的优先级顺序判断候选弹道是否满足初选条件，对满足初选条件的弹道按照图2所示的流程，继续验证是否能作为基准弹道，实现实时动态确定基准弹道。

图3是某次卫星发射中应用本方法的外测综合弹道曲线图，其中，最下面一条曲线为外测综合弹道曲线，是应用本方法从上面几条外测曲线综合计算得到。从图中可以看出，利用本方法改进后的综合弹道处理算法处理出的外测综合弹道曲线质量，明显优于上面三条外测曲线的任意一条。改进前的综合弹道处理算法能剔除质量最差的外测弹道，处理出相当于余下弹道平均质量的综合弹道，但选不上其中质量最好的一条外测弹道。

图4是某次卫星发射中应用本方法的全程综合弹道曲线图，其中，最下面一条曲线为全程综合弹道曲线；最下面两条曲线是应用本方法从上面几条曲线综合计算得到。从图中同样可以看到，本基准弹道动态确定方法正确、有效，利用本方法改进后的综合弹道处理算法处理出的最下面两条曲线质量，明显优于上面参加综合处理的各条弹道质量，为指挥决策、引导控制、实时分析评估提供高质量的弹道数据。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、首先设定人机结合的候选弹道优先级顺序；

102、其次设定候选弹道的初选满足条件，判断候选弹道的弹道值队列listOrbit(t)是否符合初选满足条件；设定候选弹道的初选满足条件具体为：

设listOrbit(t)＝＜Orbit_N-1,…,Orbit₁,Orbit₀＞为候选弹道Orbit在t时刻的弹道队列，Orbit₀为最新弹道点，Orbit_N-1为最旧弹道点，N为弹道队列长度，Orbit_i的数据结构为tagOrbit＝[T X Y Z Vx Vy Vz]，其中T表示弹道时间，X表示弹道坐标轴x方向上的大小，Y表示弹道坐标轴y 方向上的大小，Z表示弹道坐标轴z方向上的大小，Vx表示x方向上的速度分量，Vy表示y 方向上的速度分量，Vz表示z方向上的速度分量；

候选弹道初选满足条件为：候选弹道队列listOrbit(t)中的弹道点连续，队列长度N≥6，当前计算时刻t不大于最旧弹道点Orbit_N-1的时间，且最新弹道点Orbit₀与t的时延不大于该候选弹道要求的最大时延ΔT_max，即

其中，ΔT_max为弹道Orbit的最大允许延迟时间；

103、对满足初选条件的候选弹道队列listOrbit(t)进行计算，得到候选基准弹道值JZOrbit(t)；

104、利用外测弹道集合对步骤103得到的候选基准弹道值JZOrbit(t)进行验证，若验证通过，该候选基准弹道值有效，则基准弹道值JZOrbit^*(t)等于该候选基准弹道值JZOrbit(t)，完成基准弹道值的确定。

2.根据权利要求1所述的一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，步骤101中设定人机结合的候选弹道优先级顺序具体为：

首先，按照GNSS全球导航卫星系统弹道、遥测主惯组弹道YCGZ1、遥测从惯组弹道YCGZ2的顺序，候选弹道的优先级由高到低排列；

其次，在人工控制界面中，人工控制选取参与当前基准弹道候选的弹道，候选弹道可以选取GNSS弹道、YCGZ1、YCGZ2中的任1条、任两条或三条。

3.根据权利要求1所述的一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，当候选弹道为GNSS弹道时，候选弹道GNSS的弹道周期T_GNSS＝0.1s，候选弹道GNSS的最大允许延迟时间ΔT_max＝1.0s；

当候选弹道为遥测主惯组弹道YCGZ1或遥测从惯组弹道YCGZ2，候选弹道YCGZ1、YCGZ2的弹道周期都为1s，即T_YCGZ1＝1s，T_YCGZ2＝1s，候选弹道YCGZ1、YCGZ2的最大允许延迟时间ΔT_max＝2.5s。

4.根据权利要求1所述的一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，步骤103计算得到候选基准弹道值JZOrbit(t)具体为：候选基准弹道值JZOrbit(t)采用普通最小二乘法计算得到，即

y＝β₀+β₁t

其中n＝6，x_i代表候选弹道队列listOrbit(t)中弹道Orbit的T分量，y_i代表候选弹道队列中弹道Orbit除T分量之外的六个弹道分量，y代表候选基准弹道值JZOrbit(t)的除T分量之外的六个弹道分量。

5.根据权利要求1所述的一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，步骤104中利用外侧弹道集合对步骤103得到的候选基准弹道值JZOrbit(t)进行验证具体内容为：

设JZOrbit^*(t)为基准弹道，listWCOrbit_i(t)为外测弹道WCOrbit_i的弹道队列，WCOrbit_i(t)为对外测弹道队列listWCOrbit_i(t)采用最小二乘法计算得到的外测弹道WCOrbit_i在t时刻弹道估计值，V_i(t)为WCOrbit_i(t)的速率，即

V_jz(t)为候选基准弹道JZOrbit(t)的速率，即

ΔV_i(t)为V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差，即

ΔV_i(t)＝|V_i(t)-V_jz(t)|

基准弹道值验证方法为：计算每条外测弹道速率V_i(t)与候选基准弹道值速率V_jz(t)的距离差ΔV_i(t)，如果ΔV_i(t)≤V_T(t)且外测弹道的数量N_sum≥1，则该候选基准弹道值有效，且基准弹道值JZOrbit^*(t)等于该候选基准弹道值JZOrbit(t)，即

JZOrbit^*(t)＝JZOrbit(t)。

6.根据权利要求5所述的一种基准弹道动态确定方法，其特征在于，门限值V_T(t)的确定采用动态的随机误差统计法确定，即

V_T(t)＝k×V_randomE(t)

其中，V_randomE(t)为候选基准弹道速度值的随机误差统计值，实时计算，初始设置为0.1米/秒，k为比例系数，缺省设置为k＝3.0。