CN109765598B - 一种多测速系统最优测站组合实时确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种多测速系统最优测站组合实时确定方法，主要用于在卫星发射试验任务中，实时数据处理系统根据火箭的实时飞行弹道、姿态和多测速系统测站测量数据，确定当前有效测站集合，并根据测站组合的几何精度因子计算出多测速系统最优测站组合，以得到高精度的火箭飞行弹道，为测控设备实时引导、火箭安全控制和轨道预报提供高精度的弹道数据。包括：1.提出了多测速系统有效测站集合确定方法。2.提出了多测速系统测站组合几何精度因子矩阵构造方法。3.提出了多测速系统测站组合几何精度因子计算方法。4.提出了多测速系统最优测站组合确定流程。本发明提高了多测速系统数据融合处理精度。

Description

一种多测速系统最优测站组合实时确定方法

技术领域

本发明属于航天测控领域火箭飞行跟踪数据处理分析技术，特别是多测速系统测速数据处理分析技术，具体是一种根据火箭飞行姿态和多测速系统跟踪测量情况，实时动态确定测站最优计算组合，以获得高精度的目标速度参数的技术。

背景技术

在卫星发射任务中，火箭外弹道测量系统是完成试验任务的重要保障，是试验任务中不可缺少的部分。外弹道测量数据是火箭飞行过程中实时引导跟踪、火箭安全控制的基础，也是精度鉴定、故障分析和改进设计的基本依据。

随着航天测控领域的发展，导航卫星自主定位与天基测控系统的应用是大趋势。但目前，这两者均不能满足基地试验任务的高精度要求。近年来研发使用的多测速测量系统利用多个测速元数据高精度计算目标速度，具有设备简单、测元精度高、机动性好等优点，即将取代超期使用、严重老化的短基线干涉仪设备，为实现高精度的测量需求提供了更加有效的测控支持。

多测速系统数据融合处理精度不仅与测站测元精度有关，还与测站组合与目标的几何构型有关。在实时数据处理系统和事后数据分析系统中，数据融合时的测站组合是影响目标弹道参数精度的重要因素之一。

开展多测速系统最优测站组合实时确定方法研究具有较大的现实意义。主要表现在：

1)能够为多测速系统建设方案制定、快速几何布站、发射任务总体技术方案制定提供科学依据。

2)能够为实时数据处理系统实时动态确定测站最优计算组合，以获得高精度的目标速度参数，为火箭安全控制、设备引导、轨道预报、指挥决策提供高精度弹道数据。

3)能够为事后数据分析系统提供全程测站最优计算组合，进一步结合迭代误差修正、多源信息融合等手段，为数据分析、故障定位和试验鉴定提供高精度弹道数据。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高多测速系统数据融合处理精度的多测速系统最优测站组合实时确定方法。本发明的技术方案如下：

一种多测速系统最优测站组合实时确定方法，其包括以下步骤；

101、首先，确定多测速系统有效测站集合，包括：剔除工作仰角不满足条件的测站、剔除超出设备跟踪距离的测站、剔除受火焰干扰严重的测站及从测站集合DEV3中剔除目标夹角φ小于设定值的测站；

102、其次，构造多测速系统测站组合几何精度因子矩阵W；

103、再次，计算多测速系统测站组合几何精度因子GDOP；

104、最后，确定出多测速系统最优测站组合。

进一步的，所述步骤101多测速系统有效测站集合确定方法，具体内容为：

设DEV＝{dev₀,dev₁,dev₂,...,dev_N}表示多测速系统测站集合，dev_i表示第i个测站，i＝0,1,…,N，N为测站总数，dev₀、dev₁分别表示当前工作主站的发站和收站。对于数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV确定方法：

(1)剔除工作仰角不满足条件的测站，得到测站集合DEV1＝{dev₀,dev₁,...,dev_N1}，

N1为满足工作仰角条件的测站数；

其中，E_i为dev_i雷达设备的工作仰角，

为发射系到dev_i测量系的转换矩阵，E^*为最低工作仰角；[x_ci y_ci z_ci]^T为dev_i测量坐标系的目标位置分量，[x y z]^T为发射系下目标位置分量，[x_i y_i z_i]^T为dev_i在发射系下位置。

(2)剔除超出设备跟踪距离的测站，得到DEV2＝{dev₀,dev₁,...,dev_N2}，

N2为目标在雷达设备跟踪范围内的测站数；

其中，r_i为dev_i的接收距离，r^*为多测速系统雷达设备最大保精度跟踪距离。

(3)剔除受火焰干扰严重的测站，得到测站集合DEV3＝{dev₀,dev₁,...,dev_N3}，

N3为β角满足条件的测站数；

[l_JF m_JF n_JF]^T＝M_JF(t)·[1 0 0]^T

β_i＝arccos(l_JFl_i+m_JFm_i+n_JFn_i)

其中，β_i为测站dev_i的箭体视角，[l_JF m_JF n_JF]^T为箭体轴在发射系下的方向余弦，[l_i m_i n_i]^T为dev_i到目标矢径的方向余弦。M_JF(t)为t时刻箭体系到发射系的转换矩阵，β^*为最大目标跟踪视角；

(4)从测站集合DEV3中剔除目标夹角φ太小的测站，得到有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}，

N4为目标夹角φ满足条件的测站数；

其中，φ^*为方案规定的最小目标夹角，r₀为主站发送距离。

进一步的，所述步骤102构造多测速系统测站组合几何精度因子矩阵W，具体内容包括：

对于某时刻的测站组合{dev₀,dev₁,dev₂,…,dev_M}，M为测站组合的测站数，几何精度因子矩阵W为

其中，C为测元偏导矩阵，w_ij为测站组合几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M。

进一步的，当为三测站时，三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}几何精度因子矩阵W构造如下：

其中，C_k1,k2为测站组合DEV_k1,k2的测元偏导矩阵，r_k2、r_k1分别表示测站dev_k1、测站dev_k2的目标距离，k1>1，k2>1，k1≠k2。

进一步的，所述步骤103中多测速系统测站组合几何精度因子GDOP计算方法具体为：

其中，w_ij为测站组合几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M，M为时刻t测站组合里的测站数，GDOP值描述了测站组合与目标的几何构型对测速精度的削弱程度，GDOP值越小，则测站组合与目标的几何构型更优、目标速度估计精度更高。

进一步的，所述步骤104中的多测速系统最优测站组合确定流程具体为：

(1)首先，按照多测速系统有效测站集合确定方法，得到数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}；

(2)然后，构造所有三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}的几何精度因子矩阵W，k1>1，k2>1，k1≠k2，dev_k1∈ValidDEV，dev_k2∈ValidDEV；

(3)接着，根据测站组合DEV_k1,k2的几何精度因子矩阵W计算该组合几何精度因子GDOP；

(4)最后，选取GDOP最小的三测站组合

作为最优测站组合。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明方法针对影响多测速系统信息融合处理精度的测站测元和测站几何构型等因素，提出了多测速系统最优测站组合实时确定方法。本发明能够为多测速系统建设方案制定、快速几何布站、发射任务总体技术方案制定提供科学依据；为实时数据处理系统实时动态确定测站最优计算组合，以获得高精度的目标速度参数，为火箭安全控制、设备引导、轨道预报、指挥决策提供高精度弹道数据；为事后数据分析系统提供全程测站最优计算组合，进一步结合迭代误差修正、多源信息融合等手段，为数据分析、故障定位和试验鉴定提供高精度弹道数据。

本方法已编码实现，在验证其正确性后，已应用于本中心的多测速系统建设论证规划中，为几何布站设计提供了科学依据。在多测速系统建设完成后，本方法将为发射任务总体技术方案的制定提供设备布站依据。

当本方法编码实现在实时任务数据处理软件中，在任务实施过程中，将基于实时遥外测数据完成多测速系统最优测站组合实时确定，为火箭安全控制、设备引导、轨道预报、指挥决策提供了高精度弹道数据。

当本方法编码实现在事后数据分析处理软件中，将基于任务各类遥外测存盘数据提供任务全时段测站最优计算组合，进一步结合迭代误差修正、多源信息融合等手段，计算得到最优弹道估计，为数据分析、故障定位和试验鉴定提供高精度弹道数据。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例实时数据处理系统应用本方法的处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

为简化后续描述，将变量集中定义如下。

DEV＝{dev₀,dev₁,dev₂,...,dev_N}表示多测速系统测站集合，dev_i为测站i；特别的，dev₀、dev₁分别为主站的发站和收站；i＝0,1,2,...,N，N为测站数；r₀为主站发送距离；r_i第i个测站接收距离；特别的，r₁为主站接收距离；[x y z]^T为发射系下火箭位置分量；[x_iy_i z_i]^T为dev_i在发射系下位置；[x_ci y_ci z_ci]^T为dev_i测量坐标系的火箭位置分量；[l_i m_in_i]^T为dev_i到目标矢径的方向余弦。

根据上述研究背景，本发明的目的是一种多测速系统最优测站组合实时确定方法。本方法包括：

1、多测速系统有效测站集合确定方法

对于数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV确定步骤：

(1)剔除工作仰角不满足条件的测站，得到DEV1＝{dev₀,dev₁,...,dev_N1}，

N1为满足工作仰角条件的测站数。

其中，E_i为dev_i雷达设备的工作仰角，

为发射系到dev_i测量系的转换矩阵，E^*为最低工作仰角。

(2)剔除超出设备跟踪距离的测站，得到DEV2＝{dev₀,dev₁,...,dev_N2}，

N2为目标在雷达设备跟踪范围内的测站数。

其中，r^*为多测速系统雷达设备最大保精度跟踪距离。

(3)剔除受火焰干扰严重的测站，得到测站集合DEV3＝{dev₀,dev₁,...,dev_N3}，

N3为β角满足条件的测站数。

[l_JF m_JF n_JF]^T＝M_JF(t)·[1 0 0]^T

β_i＝arccos(l_JFl_i+m_JFm_i+n_JFn_i)

其中，β_i为测站dev_i的箭体视角，[l_JF,m_JF,n_JF]^T为箭体轴在发射系下的方向余弦，M_JF(t)为t时刻箭体系到发射系的转换矩阵，β^*为最大目标跟踪视角。

(4)剔除目标夹角φ太小的测站，得到有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}，

N4为目标夹角φ满足条件的测站数。

其中，φ^*为方案规定的最小目标夹角。

2、多测速系统测站组合几何精度因子矩阵W构造方法

其中，C为测站组合测元偏导矩阵，w_ij为测站组合{dev₀,dev₁,dev₂,…,dev_M}几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M，M为时刻t测站组合里的测站数。

特别的，三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}几何精度因子矩阵W构造如下：

其中，C_k1,k2为测站组合DEV_k1,k2的测元偏导矩阵，r_k2、r_k1分别表示测站dev_k1、测站dev_k2的目标距离，k1>1，k2>1，k1≠k2。

3、多测速系统测站组合几何精度因子GDOP计算方法

其中，w_ij为测站组合几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M，M为时刻t测站组合里的测站数。

4、多测速系统最优测站组合确定流程

(1)首先，按照多测速系统有效测站集合确定方法，得到数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}。

(2)然后，构造所有三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}的几何精度因子矩阵W，k1>1，k2>1，k1≠k2，dev_k1∈ValidDEV，dev_k2∈ValidDEV。

(3)接着，根据测站组合DEV_k1,k2的几何精度因子矩阵W计算该组合几何精度因子GDOP。

(4)最后，选取GDOP最小的三测站组合

作为最优测站组合。

5、方法步骤

下面以伪代码形式，描述实时数据处理系统利用本方法计算多测速系统火箭速度分量的具体步骤。

实时数据处理系统中利用本方法的流程如图1所示。

如图1所示，实时数据处理系统利用本方法在某数据处理周期里，处理得到多测速系统的火箭测速数据。首先利用本方法确定本处理周期多测速系统有效测站集合ValidDEV，然后构造有效测站集合里每三个测站组合的几何精度因子矩阵W，并计算该组合的几何精度因子值GDOP，最后求得最小GDOP值的测站组合DEV^*，即为数据处理周期里的多测速系统最优测站组合。实时数据处理系统再进一步进行多测速系统火箭速度分量、火箭综合弹道，以及其它指挥决策支持信息的计算。

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 (1)

1.一种多测速系统最优测站组合实时确定方法，其特征在于，包括以下步骤；

101、首先，确定多测速系统有效测站集合，包括：剔除工作仰角不满足条件的测站、剔除超出设备跟踪距离的测站、剔除受火焰干扰严重的测站及从测站集合DEV3中剔除目标夹角φ小于设定值的测站；

102、其次，构造多测速系统测站组合几何精度因子矩阵W；

103、再次，计算多测速系统测站组合几何精度因子GDOP；

104、最后，确定出多测速系统最优测站组合；

所述步骤101多测速系统有效测站集合确定方法，具体内容为：

设DEV＝{dev₀,dev₁,dev₂,...,dev_N}表示多测速系统测站集合，dev_i表示第i个测站，i＝0,1,…,N，N为测站总数，对于数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV确定方法：

(1)剔除工作仰角不满足条件的测站，得到测站集合

N1为满足工作仰角条件的测站数；

if E_i＜E^*,then

其中，E_i为dev_i雷达设备的工作仰角，

为发射系到dev_i测量系的转换矩阵，E^*为最低工作仰角；[x_ci y_ci z_ci]^T为dev_i测量坐标系的目标位置分量，[x y z]^T为发射系下目标位置分量，[x_i y_i z_i]^T为dev_i在发射系下位置；

(2)剔除超出设备跟踪距离的测站，得到DEV2＝{dev₀,dev₁,...,dev_N2}，

N2为目标在雷达设备跟踪范围内的测站数；

if r_i≥r^*,then

其中，r_i为dev_i的接收距离，r^*为多测速系统雷达设备最大保精度跟踪距离；

(3)剔除受火焰干扰严重的测站，得到测站集合DEV3＝{dev₀,dev₁,...,dev_N3}，

N3为β角满足条件的测站数；

[l_JF m_JF n_JF]^T＝M_JF(t)·[1 0 0]^T

β_i＝arccos(l_JFl_i+m_JFm_i+n_JFn_i)

if β_i≥β^*,then

其中，β_i为测站dev_i的箭体视角，[l_JF m_JF n_JF]^T为箭体轴在发射系下的方向余弦，[l_i m_in_i]^T为dev_i到目标矢径的方向余弦，M_JF(t)为t时刻箭体系到发射系的转换矩阵，β^*为最大目标跟踪视角；

(4)从测站集合DEV3中剔除目标夹角φ太小的测站，得到有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}，

N4为目标夹角φ满足条件的测站数；

if φ_i≤φ^*,then

其中，φ^*为方案规定的最小目标夹角，r₀为主站发送距离；

所述步骤102构造多测速系统测站组合几何精度因子矩阵W，具体内容包括：

对于某时刻的测站组合

M为测站组合的测站数，几何精度因子矩阵W为

其中，C为测元偏导矩阵，w_ij为测站组合几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M，r_M为dev_M的接收距离；

当为三测站时，三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}几何精度因子矩阵W构造如下：

其中，C_k1,k2为测站组合DEV_k1,k2的测元偏导矩阵，r_k2、r_k1分别为测站dev_k1、测站dev_k2的目标距离，k1＞1，k2＞1，k1≠k2；

所述步骤103中多测速系统测站组合几何精度因子GDOP计算方法具体为：

其中，w_ij为测站组合几何精度因子矩阵W第i行第j列元素，i＝1,2,3，j＝1,2,...,M，M为时刻t测站组合里的测站数，GDOP值描述了测站组合与目标的几何构型对测速精度的削弱程度，GDOP值越小，则测站组合与目标的几何构型更优、目标速度估计精度更高；

所述步骤104中的多测速系统最优测站组合确定流程具体为：

(1)首先，按照多测速系统有效测站集合确定方法，得到数据处理时刻t有效测站集合ValidDEV＝{dev₀,dev₁,...,dev_N4}；

(2)然后，构造所有三测站组合DEV_k1,k2＝{dev₀,dev₁,dev_k1,dev_k2}的几何精度因子矩阵W，k1＞1，k2＞1，k1≠k2，dev_k1∈ValidDEV，dev_k2∈ValidDEV；

(3)接着，根据测站组合

的几何精度因子矩阵W计算该组合几何精度因子GDOP；

(4)最后，选取GDOP最小的三测站组合

作为最优测站组合。

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