純純的學術：光學測量資料處理

作者：由我們的太空發表于攝影時間：2019-12-02

在所有的發射任務中，火箭的上升段，隨著0號指揮的“起飛”口令，第一個聽到的是：“起飛時**時**分**秒***毫秒”，緊接著就是：“***USB跟蹤正常，光學正常！！”，之後的每個測站都有“光學正常”的口令……這裡的光學是指什麼？原理？本文，小曲老師和大家交流一下：

SZ-11上升段影片

https：//www。zhihu。com/video/1184612265746280448

一、光學資料處理流程

資料處理通常分為

實時資料處理與事後資料處理

兩種。

實時資料處理主要用於試驗任務實時監視與指揮控制，對測量資料處理的速度要求較高，因此通常環節不宜過多，方法和計算公式較簡單，只要滿足安控和引導精度即可，因此誤差相對較大。通常實時資料處理僅含資訊復原、合理性檢驗和所需引數解算等流程，必要時加上簡化的大氣折射修正處理環節。

實時資料處理工作流程如下：

事後資料處理的主要任務是在飛行試驗結束後，立即處理部分重要資料，提供快速處理結果，供型號和指揮部門瞭解導彈或運載火箭飛行試驗的基本情況；經各種誤差修正，完整解算出精確的彈道引數和其它引數，供使用者評定導彈或運載火箭效能和精度，以及對型號設計的改進和定型。對處理時間沒有嚴格限制（通常前者為一週以內，後者約一個月左右），但由於觀測資料含有各種誤差（隨機誤差和系統誤差），必須應用完善的數學方法和精確的計算公式，對它們進行修正和壓縮，並綜合利用眾多的測量資訊，解算出導彈或運載火箭在發射座標系下的位置、速度分量等彈道引數。因此事後資料處理流程多，方法精細、複雜，並充分利用數理統計理論來提高資料處理結果的精度和質量，以滿足使用者為評定製導精度所提出的測量精度要求。

站址座標計算：

計算測站在發射座標系中的站址座標。

方位過零跳點處理：

光電經緯儀在跟蹤目標時，當飛行目標從第I象限進入到第Ⅳ象限或者向相反方向運動時（以該測站水平面內的天文北作為零度，順時針方向旋轉為正），在零點附近，受經緯儀測量誤差的影響，方位角

的讀數會在接近2π的大值和接近於0的小值之間跳變。為消除此跳點需作過零處理，按下述步驟消除。

系統誤差修正：

對於測角系統，主要包括碼盤（水平碼盤、垂直碼盤）定向誤差和垂直軸傾斜誤差、水平軸傾斜誤差、方位照準誤差等軸系誤差。對於測距系統，主要考慮脈衝計數頻率誤差修正、鐳射測距零值修正、時間誤差修正（測距測角取樣時間對齊）和測距部位修正。

隨機誤差特性統計：

通常認為光電經緯儀測角資料的隨機誤差為白噪聲序列（等方差不相關），目前大多采用變數差分法統計隨機誤差的方差，再分析觀測資料的隨機誤差是否與裝置指標相符合。

合理性檢驗：

對觀測資料的異常值（野值）進行判別，剔除並替代它們。一般分兩步進行，先利用差分擬合法或者外推擬合法判斷是否是野值，然後利用最小二乘多項式擬合方法來替代野值。（雷達測量資料處理流程與方法中詳細介紹）。

角座標計算：

將各觀測量計算成測站座標系下的方向餘弦。

大氣折射誤差修正：

可見光、鐳射、無線電訊號等電磁波在目標與測站間傳播時，大氣折射效應會使電磁波的傳播路徑發生彎曲和非勻速傳播，引起測角和測距誤差，需予以修正。

角座標轉換：

各光電經緯儀的測角資料都是在測站垂線座標系中的資料，當多臺光測裝置交匯或與連續波雷達測量資料綜合處理時，要求給出發射座標系中的目標彈道引數，故需將各種誤差修正後的測角資料轉換成發射座標系中的觀測量。

跟蹤點修正：

應用光電經緯儀的測角資料

、

計算目標位置引數時，電影經緯儀的跟蹤點是彈體尾部火焰亮點；鐳射測距資料

的跟蹤點是彈上的後向反射器。雷達測量裝置跟蹤點則是彈上的應答機訊號。

光電經緯儀跟蹤部位的修正處理可以按兩種方式進行：一是光電經緯儀多臺交匯解算出彈體尾部的彈道引數，然後，再修正成所需目標部位的彈道引數。此方法僅為了修正連續波雷達的固定誤差，提供較高精度的彈道引數，用於運載火箭的精度分析。另一種方式是大氣折射修正後，將觀測元素（

、

和

）按要求統一修正為指定目標部位（通常是彈體質心）所對應的數值，該方式主要是為了與無線電測量系統綜合聯用，應用EMBET方法自校正系統誤差，以得到高精度彈道引數，用於導彈試驗的精度評定。

二、光學測量裝置工作原理與測量元素

（1）光學測量系統的特點與作用

光學測量系統主要指以光學成像原理採集飛行目標資訊，經處理得到所需彈道（軌道）引數與目標特性引數，並獲取飛行實況影象資料的專用測量系統，是導彈航天測控系統的重要組成部分。

光學測量系統具有如下優點：測量精度高（測角精度：2~5ʺ，測角精度：1~2m，作用距離：100~400km），且不受高空、低空、超低空條件限制；不受“黑障”和地面雜波干擾影響等。但與無線電測量系統比較，光學測量的作用距離較近，無法直接測得目標的速度，易受氣象條件的影響。

光學測量系統的作用：

①彈道測量

光學測量系統採用多站交會或單站定位等體制獲得導彈（運載火箭）的高精度彈道引數，是評定飛行器效能指標、分離制導誤差與分析飛行器故障的重要依據，也是安全控制的實時資訊源。此外，還可鑑定與校準無線電測量裝置的精度。

②飛行實況記錄

光學測量系統以攝錄影象的方式記錄導彈（火箭）點火、起飛、離架、程式轉彎、級間分離、再入及遭遇時的實況，稱為“飛行實況記錄”。記錄的導彈（火箭）運動狀況及異常現象，可供實時監視與事後復現，為飛行器效能評定和故障分析提供逼真的實況資料。

藉助某些光學測量裝置和彈體上的標記還可測量導彈（運載火箭）起飛時的離架漂移量和姿態滾動量，因此，光學測量系統對於導彈（運載火箭）的一級飛行段，特別是在0~15s的初始段的彈道引數測量具有不可替代的作用。

③物理特性引數測量

光學系統可測得飛行目標的紅外輻射特性、火焰光譜和發光亮度等光學物理特性引數，用於真假彈頭識別和戰略導彈突防效能鑑定。

（2）光電經緯儀的工作原理與測量元素

電影經緯儀是在測地經緯儀基礎上發展起來的，是經緯儀與電影攝影機相結合的產物，光電經緯儀則由電影經緯儀加上鐳射測距機發展而來。

經緯儀機架為三軸（垂直軸、水平軸、照準軸）地平裝置，如圖所示。

光電經緯儀三軸間的關係示意圖

機架三軸相互垂直。主光學系統裝於水平軸上，其主光軸為照準軸，並與水平軸垂直，可繞水平軸在垂直平面內旋轉，水平軸和照準軸可以繞垂直軸在水平面內旋轉。在垂直軸和水平軸上分別裝有軸角編碼器（或光學碼盤）。照準軸繞垂直軸旋轉的角度由裝在垂直軸上的軸角編碼器給出（相對某一基準方位，通常以大地北為基準），稱為方位角；照準軸繞水平軸旋轉的角度由裝在水平軸上的軸角編碼器給出（水平面為零基準），稱為高低角。這樣，只要照準軸瞄準目標就能得到光軸指向目標的方位角和高低角。

主光學系統在傳動系統的控制下跟蹤目標，其主光軸位置由安裝在垂直軸和水平軸上的軸角編碼器測得，各取樣時刻拍攝目標影像的同時，也記錄下對應時刻主光學系統光軸的方位角、高低角。

如果儀器穩定跟蹤目標，確保目標影像始終保持在十字絲的中心部位（即照準軸投影點），則主光軸的方位角、高低角就是光電經緯儀到目標的方位角、高低角。但在光電經緯儀跟蹤飛行目標的實際情況下，由於隨動系統動態滯後及操作等原因，目標影像經常會偏離十字絲中心。目標相對十字絲中心的偏離量，稱為脫靶量。

為確定空間運動目標的瞬間位置，至少要用兩臺電影經緯儀佈設在一定長度基線兩端，同時對飛行目標進行交會跟蹤測量。

在電影經緯儀上加裝鐳射測距系統及電視、紅外或鐳射自跟蹤系統，變成具有測距和實時測量脫靶量功能的光電經緯儀，可實現單臺目標定位，並可對高速運動目標進行自動跟蹤。

電視系統用來進行自動跟蹤和實時測量脫靶量，其光能由主光學系統分光而獲得，從而提高了測量精度。

鐳射測距系統的發射和接收部分都安裝在水平軸的軸頭上，其計數器的頻率為150MHz。

對於數字電影經緯儀而言，所採集資料都是在時統脈衝的控制下完成方位角

、高低角

、斜距

和脫靶量的同步實時測量，給出的數字化測量資訊，與目標的數字影象同步記錄，連同當前時刻一起，以PDXP格式實時傳輸至站級計算機和指控（測控）中心，傳輸頻率為20Hz。

（3）彈道相機的工作原理與測量元素

彈道相機是一種固定式（即非跟蹤式）、寬視場單畫幅連續曝光拍照的光學彈道測量，其機架為三軸（垂直軸、水平軸、視準軸）地平裝置。視準軸可繞水平軸旋轉，而視準軸和水平軸一同繞垂直軸旋轉。

所有測量裝置全部安裝在專用車輛上，機動性較好，能單站獨立工作，在通訊、排程和地面燈光導航等系統配合下完成對目標的照相任務。

高精度彈道相機視準軸的定向以恆星為基準來確定，透過10~50顆恆星的方位角和高低角，確定出彈道相機的6個定向元素（

、

、α、γ、

）。

、

為由於幹板中心與光軸中心不重合而引起的幹板座標中心在照相機座標系中的座標；

為彈道相機的主距（在寬視場攝影機中物鏡畸變差會引起像點位移，故主距與攝影機物鏡焦距有微小差異）；α、γ、

分別為彈道相機光軸的方位角、高低角及彈道相機的滾動角，這三個角值的初始值可從機架上度盤讀取。

工作時儀器對準預定的方向不動，在同一底板上對恆星和運動目標進行連續和多次曝光攝影。

共同對準同一空域的兩臺或兩臺以上的彈道相機，對飛過該空域的目標在統一的指令下進行拍照或攝像，可實時或事後根據目標像點在底板上的座標和相機的定向引數，求出目標對相機視軸的方位角和高低角，結合已知的相機站點的大地座標，透過交會計算得到目標的大地座標系空間位置。

優點：用恆星來確定相機的視準軸方向可避免軸系誤差和碼盤誤差的影響。此外，彈道相機在拍照時機架保持固定不動，因而沒有動態引起的誤差，因此，彈道相機能達到很高的測角精度1~2″，常用做其它光測、無線電外測裝置的比較標準，完成精度鑑定任務。

由於幹板需多次曝光，要求天空背景很暗、目標發光，所以幹板式彈道相機通常在夜間工作。

三、彈道引數計算

（1）位置、速度分量、加速度分量的計算

對於非關機點附近的主動段彈道、自由段彈道和再入段彈道，常使用速度二階中心平滑和加速度三階中心平滑公式處理光電經緯儀資料。處理主動段彈道資料時，平滑區間常取為1s或2s，處理自由段彈道資料時，平滑區間一般不超過20s，再入段彈道的平滑區間為1～2s。對於關機點附近的主動段彈道，由於彈道變化劇烈，由位置引數平滑求速度時，採用四階中心平滑公式，平滑區間同二階中心平滑。

切向速度Ｖ、彈道傾角θ、彈道偏角σ的計算

#FormatImgID_24##FormatImgID_25#