CN113884005B - 运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天发射领域与航天测控领域，公开了一种运载火箭光学测量系统测量点在箭体坐标系中位置的估算方法。该方法包括：步骤一，构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标与运载火箭飞行高度之间的数学模型；步骤二，利用光学测量系统近场时得到的运载火箭完整图像的实际测量结果，计算模型参数的修正值；步骤三，利用模型参数的修正值计算模型参数的校准值；步骤四，利用模型参数的校准值对模型参数进行迭代估算；步骤五，根据模型参数的迭代估值对运载火箭光学测量点的位置进行估算。本发明方法可以较好地解决运载火箭光学测量点的位置估算问题，从而为航天发射所有测量数据的位置基准统一和高精度融合提供技术基础。

Description

运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法

技术领域

本发明属于航天发射领域与航天测控领域，涉及一种运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法。

背景技术

在外弹道测量中，光学测量系统是指以光学成像原理采集目标飞行信息，经处理得到所需弹道参数与目标特性参数，并获取飞行实况图像资料的专用测量系统，是航天测控系统的重要组成部分。

在航天发射任务中，不同类型的测量设备，其测量位置(测量点在箭体坐标系中的位置)一般都不一致，光学设备在近场一般把箭体质心或发动机喷口作为测量点、远场时以火焰中心点为测量点，合作式外测设备(如雷达测量系统、卫星导航测量系统、惯性导航测量系统)测量点则位于应答机天线位置(普遍安装与二级顶部)，为了将光学测量系统的测量结果与其他类型测量系统的测量数据相融合，必需首先统一各测量系统测量点的位置基准。而统一位置基准的前提是要准确估算光学测量系统测量点的位置。在本发明中简称为光学测量点。

与其他类型测量系统不同，光学测量系统一般不在运载火箭上安装合作测量装置。当前发射场光学测量设备给出目标位置的方法是：以光学测量画面的中心(一般认为与光学测量设备主镜头中心轴的方位、俯仰角一致)加上测量目标景象中心的脱靶量，得到所测目标在测量坐标系中的方位角和俯仰角。在近场条件下，光学测量设备测量点选在运载火箭质心位置或发动机喷口位置；但是，随着运载火箭越飞越高，离测量设备越来越远，在光学测量系统捕捉到的图像中，运载火箭箭体将会不可见，发动机喷焰将会成为唯一可见的景象，此时，光学测量点位于发动机喷焰中心位置，该位置在箭体坐标系中会随着运载火箭的飞行高度、当前工作级数等条件发生显著变化。在远离设备的外太空中，发动机喷焰长度一般会达数公里至数十公里量级，远远超过箭体自身的长度。因而，光学测量设备所测得的目标位置与实际目标(箭体)位置也相差数公里至数十公里量级。

因而，为了统一光学测量系统与其他测量系统的测量位置基准，实现运载火箭多来源多类型测量数据的深度融合，需要准确估算发动机喷焰中心(远场时光学设备测量点)在运载火箭箭体坐标系中的位置坐标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，充分利用近场时光学测量系统能够得到运载火箭完整景象时的测量结果，构建运载火箭发动机喷焰中心在箭体坐标系上的位置坐标与运载火箭飞行高度的数学模型，然后利用实际光学测量数据估算出模型参数，最后用数学模型估算出运载火箭的光学测量点位置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，包括如下步骤：

步骤一，构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标与运载火箭飞行高度之间的数学模型；

步骤二，利用光学测量系统近场时得到的运载火箭完整图像的实际测量结果，计算模型参数的修正值；

步骤三，利用模型参数的修正值计算模型参数的校准值；

步骤四，利用模型参数的校准值对模型参数进行迭代估算；

将步骤三得到模型参数校准值作为新的模型参数初值，重复步骤二和步骤三，直到模型参数的修正值小于给定阈值或达到最大迭代次数，结束迭代，最终得到模型参数的迭代估值；

步骤五，根据模型参数的迭代估值对运载火箭光学测量点的位置进行估算。

进一步地，所述的步骤一进一步包括：

记O为运载火箭箭体坐标系原点，OX轴为箭体对称轴，指向运载火箭的头部，OY轴在运载火箭的主对称面内，垂直与OX轴；记运载火箭的长度为L，运载火箭尾端点为q，其位置坐标为[x^q 0 0]^T，其中x^q表示运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标；记光学测量点为p，p取发动机喷焰的中心位置，且可以粗略地认为p点在箭体坐标系的OX轴上，其位置坐标为[x 0 0]^T，即，光学测量点p在箭体坐标系中只有OX轴方向上的位置坐标x；

按照(1)式构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标x与运载火箭飞行高度之间的数学模型：

式中，H表示运载火箭的飞行高度，[a b c]^T为模型参数。

进一步地，所述的步骤二进一步包括：

2.1记λ为从运载火箭头部到发动机喷焰中心点p的距离与从运载火箭头部到运载火箭尾端点q的距离之比，根据点p在运载火箭光学测量景象中的几何关系，按照(2)式计算点p在箭体坐标系中的位置坐标x：

x＝x^q+(1-λ)·L (2)

式中，L为运载火箭的长度；

2.2在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记为运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标序列，将/>代入(2)式，得到根据实际光学测量结果计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列，记为

2.3在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记H_i,i＝1,2,…,n为运载火箭随时间变化的飞行高度序列，将H_i,i＝1,2,…,n代入(1)式，得到根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列

2.4计算根据实际光学测量结果得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列与根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列之间的偏差，记为/>

2.5利用Δx_i，按照(3)式计算模型参数[a b c]^T的修正值[Δa Δb Δc]^T：

式中，

进一步地，所述的步骤三进一步包括：

任意给定一组模型参数的初值[a b c]^T，利用步骤二计算得到的模型参数的修正值[Δa Δb Δc]^T，按照(5)式计算[a b c]^T的校准值

进一步地，所述的步骤五进一步包括：

根据步骤四得到的模型参数迭代估值按照(6)式估算运载火箭光学测量点的位置：

本发明的优点是：

充分利用近场时光学测量系统能够得到运载火箭完整景象时的测量结果，通过估算运载火箭发动机喷焰中心到箭体头部的距离与箭体自身长度之比的变化情况，来估算飞行过程中不断变化的发动机喷焰中心位置。通过运载火箭图像处理方法，可以将光学测量位置的位置坐标估算成箭体坐标系上的位置坐标，即任意光学测量数据都有与之相对应的箭体坐标系测量位置坐标。本发明所给出的关系式，可以较好地解决运载火箭光学测量点的位置估算问题，从而为航天发射所有测量数据的位置基准统一和高精度融合提供技术基础。

附图说明

图1为光学测量图像位置关系示意图。

图2为运载火箭光学测量位置估算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明首先构建运载火箭发动机喷焰中心在箭体坐标系中的位置与运载火箭飞行高度的数学模型，然后充分利用光学测量系统在近场时得到的运载火箭完整图像估算出模型参数，最后利用数学模型和参数估算出运载火箭光学测量点在箭体坐标系中的位置。

在近场时光学测量系统还能够得到运载火箭的完整图像时，建立以运载火箭的飞行高度为自变量，以发动机喷焰中心的位置为因变量的数学模型，然后用实际光学测量结果估算出模型参数，最后就可以用数学模型估算出运载火箭的光学测量点位置。

如图1所示，记O为运载火箭箭体坐标系原点，OX轴为箭体对称轴，指向运载火箭的头部，OY轴在运载火箭的主对称面内，垂直与OX轴；记运载火箭的长度为L，运载火箭尾端点为q，其位置坐标为[x^q 0 0]^T，其中x^q表示运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标；记光学测量点为p，p取发动机喷焰的中心位置，且可以粗略地认为p点在箭体坐标系的OX轴上，其位置坐标为[x 0 0]^T，即，光学测量点p在箭体坐标系中只有OX轴方向上的位置坐标x。

参见图2，运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，包括如下步骤：

步骤一：构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标与运载火箭飞行高度之间的数学模型。

在大气层内，大气密度与飞行速度随着运载火箭越飞越高而显著变化，光学测量点位置也随之发生变化，即发动机喷焰的长度会不断发生变化。当运载火箭飞出大气层之后，可以认为同一类发动机的光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标x不再变化。

依据上述基本事实，按照(1)式构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标x与运载火箭飞行高度之间的数学模型：

式中，H表示运载火箭的飞行高度，[a b c]^T为模型参数。

步骤二：利用近场时光学测量系统得到的运载火箭完整景象的测量结果，计算模型参数的修正值。

分5步进行：

2.1如图1所示，记λ为从运载火箭头部到发动机喷焰中心点p的距离与从运载火箭头部到运载火箭尾端点q的距离之比，根据点p在运载火箭光学测量景象中的几何关系，按照(2)式计算点p在箭体坐标系中的位置坐标x：

x＝x^q+(1-λ)·L (2)

式中，L为运载火箭的长度。

2.2在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记为运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标序列。将/>代入(2)式，得到根据实际光学测量结果计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列，记为

2.3在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记H_i,i＝1,2,…,n为运载火箭随时间变化的飞行高度序列。将H_i,i＝1,2,…,n代入(1)式，得到根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列

2.4计算根据实际光学测量结果得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列与根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列之间的偏差，记为/>

2.5利用Δx_i，按照(3)式计算模型参数[a b c]^T的修正值[Δa Δb Δc]^T：

式中，

具体的，(3)式的推导过程如下：

将(1)式关于[a b c]^T进行全微分，得到

Δx＝f_a·Δa+f_b·Δb+f_c·Δc (4)

式中，

将H_i(i＝1,2,…,n)代入(4)式，得到

式中，

根据残差加权平方和最小准则，可得

即得(3)式。

步骤三：利用模型参数的修正值计算模型参数的校准值；

任意给定一组模型参数的初值[a b c]^T，利用步骤二计算得到的模型参数的修正值[Δa Δb Δc]^T，按照(5)式计算[a b c]^T的校准值

步骤四：利用模型参数的校准值对模型参数进行迭代估算；

将步骤三得到模型参数校准值作为新的模型参数初值，重复步骤二和步骤三，直到模型参数的修正值小于给定阈值或达到最大迭代次数，结束迭代，最终得到模型参数的迭代估值，记为

步骤五：根据模型参数的迭代估值对运载火箭光学测量点的位置进行估算。

根据步骤四得到的模型参数迭代估值按照(6)式估算运载火箭光学测量点的位置：

本发明充分利用近场时光学测量系统能够得到运载火箭完整景象时的测量结果，通过估算运载火箭发动机喷焰中心到箭体头部的距离与箭体自身长度之比的变化情况，来估算飞行过程中不断变化的发动机喷焰中心位置。通过运载火箭图像处理方法，可以将光学测量位置的位置坐标估算成箭体坐标系上的位置坐标，即任意光学测量数据都有与之相对应的箭体坐标系测量位置坐标。本发明所给出的关系式，可以较好地解决运载火箭光学测量点的位置估算问题，从而为航天发射所有测量数据的位置基准统一和高精度融合提供技术基础。

Claims (4)

1.一种运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标与运载火箭飞行高度之间的数学模型；

记O为运载火箭箭体坐标系原点，OX轴为箭体对称轴，指向运载火箭的头部，OY轴在运载火箭的主对称面内，垂直与OX轴；记运载火箭的长度为L，运载火箭尾端点为q，其位置坐标为[x^q 0 0]^T，其中x^q表示运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标；记光学测量点为p，p取发动机喷焰的中心位置，且可以粗略地认为p点在箭体坐标系的OX轴上，其位置坐标为[x 0 0]^T，即，光学测量点p在箭体坐标系中只有OX轴方向上的位置坐标x；

按照(1)式构建光学测量点在箭体坐标系中的位置坐标x与运载火箭飞行高度之间的数学模型：

式中，H表示运载火箭的飞行高度，[a b c]^T为模型参数；

步骤二，利用光学测量系统近场时得到的运载火箭完整图像的实际测量结果，计算模型参数的修正值；

步骤三，利用模型参数的修正值计算模型参数的校准值；

步骤四，利用模型参数的校准值对模型参数进行迭代估算；

将步骤三得到模型参数校准值作为新的模型参数初值，重复步骤二和步骤三，直到模型参数的修正值小于给定阈值或达到最大迭代次数，结束迭代，最终得到模型参数的迭代估值；

步骤五，根据模型参数的迭代估值对运载火箭光学测量点的位置进行估算。

2.如权利要求1所述的运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，其特征在于，所述的步骤二进一步包括：

2.1记λ为从运载火箭头部到发动机喷焰中心点p的距离与从运载火箭头部到运载火箭尾端点q的距离之比，根据点p在运载火箭光学测量景象中的几何关系，按照(2)式计算点p在箭体坐标系中的位置坐标x：

x＝x^q+(1-λ)·L (2)

式中，L为运载火箭的长度；

2.2在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记为运载火箭尾端点q在OX轴方向上的位置坐标序列，将/>代入(2)式，得到根据实际光学测量结果计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列，记为

2.3在近场时光学测量系统得到运载火箭完整景象的时间段内，记H_i,i＝1,2,…,n为运载火箭随时间变化的飞行高度序列，将H_i,i＝1,2,…,n代入(1)式，得到根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列

2.4计算根据实际光学测量结果得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列与根据数学模型计算得到的光学测量点p在箭体坐标系中的位置坐标序列之间的偏差，记为/>

2.5利用Δx_i，按照(3)式计算模型参数[a b c]^T的修正值[Δa Δb Δc]^T：

式中，

3.如权利要求2所述的运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，其特征在于，所述的步骤三进一步包括：

任意给定一组模型参数的初值[a b c]^T，利用步骤二计算得到的模型参数的修正值[Δa Δb Δc]^T，按照(5)式计算[a b c]^T的校准值

4.如权利要求3所述的运载火箭光学测量系统测量点位置的估算方法，其特征在于，所述的步骤五进一步包括：

根据步骤四得到的模型参数迭代估值按照(6)式估算运载火箭光学测量点的位置：