光学跟踪工作过程

在光学跟踪测量中须由多种设备组成一个完整的跟踪测量系统。例如，由几台电影经纬仪组成的光学测量系统，不仅各台电影经纬仪之间要有密切的配合，还要与引导设备、时间统一设备、数据传输设备、计算中心和通信指挥设备连接并协同工作。在试验时，由引导设备把目标引入电影经纬仪视场，电影经纬仪自动或人工驱动伺服系统跟踪目标。在跟踪过程中，时间统一设备控制各站对目标进行同步摄影，摄影频率一般为10～40帧/秒,每张照片都记录目标的方位角、俯仰角和目标形象，经事后判读和修正处理即可求出目标的弹道参数。在跟踪拍照的同时，电影经纬仪输出实测参数至计算中心，用于安全控制显示和引导其他测量设备。

光学跟踪测量系统是武器靶场试验和航天发射中使用的一种跟踪测量系统。它利用光学测量和成象原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的 事件，以及目标的红外辐射和视觉（可见光）特征。光学跟踪测量设备通常由摄影机、跟踪或监视设备和数据处 理设备组成。多台设备通过适当组合，构成光学跟踪测量系统。光学跟踪测量系统主要分为三类。

光学跟踪弹道测量设备

用来获取被测目标在空间随时间变化的位置、速度和加速度等数据，是对航天器、武器系统进行鉴定的改进设计，以及编制武器射表的重要依据，所用设备主要有电影经纬仪、弹照相机和固定摄影机。

光学跟踪姿态和事件测量设备

主要有跟踪望远镜和高速摄影机，用来获取目标的飞行姿态和事件数据，如目标的滚动，俯仰和偏航， 以及发射时间、遭遇时间和脱靶量。

光学跟踪目标特征测量设备

用于对目标红外信号特征和可见光信号特征进行测 量。60年代以来激光、红外、电视等光电新技术和电子计算机的发展，为靶场跟踪测量提供了新手段，出现激光 雷达、电视跟踪测量设备和激光-电影经纬仪复合设备等新一代光学跟踪测量设备。这些设备保持了传统光学 跟踪测量设备测量精度高、目标影象直观和设备机动性好等优点，克服了传统光测设备需多台同时工作、数据 处理周期长的缺点，实现了单站实时测量。例如激光雷达根据激光束的方位角、俯仰角和激光测距，可确定目 标的空间位置，由距离随时间变化求得速度，由速度变化求得加速度，测量精度高。电视自动跟踪系统利用目标 与背景或周围物体的比较跟踪数据。光学跟踪测量系统的发展趋势是进一步提高激光雷达的作用距离，应用图 象识别和处理技术提高光学跟踪测量设备的捕获跟踪能力、测量精度，利用计算机技术提高光学跟踪测量系统 自动化程度，更好发挥系统的综合效能。

在笛卡儿直角坐标系中，运动目标的瞬时质心位置可用3个线量(X、Y、Z)来确定，连续取得3个线量就可以求出它的运行轨道。光学跟踪通常用交会测量法和综合定向测距法测量。

光学跟踪交会测量法

光学跟踪系统在靶场测量中采用前方交会测量法。在一条精密测量基线的两端各布置一个光学测量站，同时测量飞行器的方位角α和俯仰角γ，得到两条方向线，再根据已知两测量站间的距离L，即可由球面三角函数关系求出飞行器质心位置的坐标。电影经纬仪和弹道照相机就是用这种方法进行测量的。

光学跟踪综合定向测量法

加装激光测距器的电影经纬仪和激光雷达使用这种测量方法。为了提高可靠性和测量参数的精确度，往往采用多站测量。

光学跟踪是利用光学测量和成象原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，以及目标的红外辐射和视觉（可见光）特征。

光学跟踪测量设备通常由摄影机、跟踪或监视设备和数据处理设备组成。多台设备通过适当组合，构成光学跟踪测量系统。

①测量火箭、导弹主动段和再入段的弹道参数，为安全控制提供位置信息；

②拍摄和记录火箭、导弹运动实况，为导弹起飞离架、级间分离、故障分析和再入物理特性研究提供资料；

③对其他光学和无线电测量设备进行鉴定和校准。光学测量系统测量精度高，直观性强，测角精度可达2～5角秒，定位精度可达1～2米，作用距离一般为100～400公里。缺点是作用距离短,受天气影响，阴雨天难以获取数据，有云时容易丢失目标。

第1章概论

1.1光学跟踪测量在航天测控网中的作用

1.2国内外光学测量发展现状

1.2.1国外发展现状

1.2.2国内发展情况

1.3航天器光学跟踪测量数据处理若干关键技术

参考文献

第2章光学跟踪测量设备

2.1高速电视测量系统

2.1.1系统工作原理

2.1.2系统组成及功能

2.2经纬仪测量系统

2.2.1系统工作原理

2.2.2系统组成及功能

2.3实况记录仪测量系统

2.3.1系统工作原理

2.3.2系统组成及功能

2.4光电望远镜系统

2.4.1系统工作原理

2.4.2系统组成及功能

参考文献

参考文献

第3章事后光测数据获取

3.1判读仪

3.1.1视频图像判读仪工作原理与技术实现

3.1.2胶片判读仪工作原理与技术实现

3.2光学畸变与校准

3.2.1视频图像判读的光学畸变校准处理

3.2.2胶片判读的区域化畸变校准处理

3.2.3视频图像判读细分技术

3.3光学测量数据获取与格式

3.3.1视频图像和胶片测量数据记录格式

3.3.2光测数据的量纲复原

3.4判读系统主要技术指标标定方法

3.4.1视频图像判读系统标定方法

3.4.2胶片判读系统标定方法

参考文献

第4章光测数据误差分析与修正处理

4.1跟踪误差与修正

4.1.1跟踪误差

4.1.2误差修正

4.2系统误差标定与数学模型

4.2.1设备系统误差简介

4.2.2轴系误差对测角的影响

4.2.3常规系统误差数学模型

4.2.4特殊系统误差数学模型

4.3时间误差修正

4.3.1激光测距延时修正

4.3.2采样点时间不一致修正

4.4跟踪部位误差的数学模型与修正

4.4.1箭体漂移跟踪部位误差及修正

4.4.2激光测距跟踪部位误差及修正

4.4.3光波折射误差及修正

参考文献

第5章光测数据质量检查与评估

5.1光学成像质量检查

5.2判读误差不确定度分析

5.2.1视频图像判读不确定度分析

5.2.2胶片判读不确定度分析

5.3光学数据质量检查

5.3.1基于比对的残差检查

5.3.2不同设备的时间一致性分析

5.4异常变化数据的识别与诊断技术

5.4.1数据波动的量化评定与时域滤波技术

5.4.2数据散乱的识别与诊断技术

5.4.3数据摆动的识别与诊断技术

5.5数据过失误差的检查与处理

5.5.1丢点/重点诊断与修复

5.5.2异常点识别与修复

5.5.3斑点识别与修复

5.6残差平稳性检验

5.6.1逆序数检验法

5.6.2归一化游程检验法

5.7非平稳残差序列趋势项分离

5.7.1趋势项的拟合分离

5.7.2比对差值序列与比较标准的相依关系分析

5.8随机误差模型分析与统计

5.8.1典型的随机误差统计方法

5.8.2稳健统计法

5.8.3容错平滑残差统计法

5.8.4加权最小一乘统计方法

5.9布站结构的影响分析与评估

5.9.1影响分析方法

5.9.2实例分析与评估

5.9.3布站优化

参考文献

第6章箭体姿态与漂移光测数据处理

6.1箭体姿态与漂移基础知识

6.1.1箭体舵面定义

6.1.2箭体坐标系

6.1.3箭体姿态描述

6.1.4垂直起飞与箭体漂移

6.2光测跟踪测量及计算

6.2.1测站的布站

6.2.2箭体测量标志

6.3箭体漂移计算

6.3.1箭体测量点坐标位置计算

6.3.2箭体测量点漂移及漂移方位角计算

6.4箭体姿态确定

6.4.1箭体俯仰角及偏航角确定

6.4.2箭体滚动角确定

6.5测元数据对漂移量数据影响分析

6.5.1分析模型

6.5.2误差计算

6.6发射点偏差对漂移量影响分析

6.6.1发射坐标及旋转矩阵

6.6.2扰动矩阵

6.6.3误差计算

6.7判读误差对漂移量影响分析

6.7.1误差模型

6.7.2误差分析

6.8摄影焦距对漂移量影响分析

6.8.1影响分析

6.8.2实例分析

6.8.3焦距测量与修正

6.9箭体漂移规律建模、分析与预测

6.9.1箭体漂移规律分析

6.9.2箭体漂移预报

参考文献

第7章运载火箭飞行弹道的光测数据处理

7.1单台光测设备弹道确定

7.1.1定位算法

7.1.2误差传播与精度计算

7.1.3速度分量算法

7.2多台交会弹道确定

7.2.1测元层数据融合估计

7.2.2弹道层数据组合估计

7.3弹道数值微分法

7.3.1容错拟合微分算法

7.3.2容错样条微分算法

7.3.3容错插值微分算法

7.3.4滑动递推微分预报和容错微分预报算法

7.3.5几种典型微分效果比较分析

7.4其他参数的确定

7.5光学数据与其他数据融合处理技术

7.5.1与高精度测速系统信息融合处理

7.5.2与GPS测量信息融合处理

参考文献

本书以航天工程为背景，系统阐述了光学跟踪测量原理、数据获取、误差分析与处理、数据质量检查与评估、箭体漂移与姿态确定、目标弹道确定与精度估计等相关技术。全书共分7章，第1章介绍了光学跟踪测量有关内容；

第2章介绍了光学跟踪测量设备；第3章介绍了事后光测数据获取技术；第4章介绍了光测数据误差分析与误差修正处理知识；第5章介绍了光测数据质量检查与评估；第6章介绍了箭体姿态与漂移光测数据处理技术；第7章介绍了运载火箭飞行弹道的光测数据处理技术。本书合理吸收了作者及其所在单位20多年相关工作的系列性研究成果，并结合航天工程实践给出了大量的应用效果和仿真实例，对光测数据处理理论和应用都具有重要参考价值。本书可供光学跟踪测量、光学数据处理及航天测控系统工程等专业的本科生、研究生学习。书中内容和方法也可供航空测量与航天测控等工程领域的技术人员参考使用