机器人位姿跟踪测量系统

测量并记录飞行器轨道参数的光学设备组合，有时简称光测系统。导弹试验靶场和航天器发射场都设有光学跟踪测量系统。第二次世界大战期间，德国为了试验V-2导弹,在佩内明德导弹基地首先使用了以电影经纬仪为主要设备的光学跟踪测量系统。光学跟踪测量系统在导弹和航天器的试验中已成为有多种功能和高精度的跟踪测量手段。

光学测量系统的功用是：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。

测量设备光学跟踪测量系统依功能分为弹道测量设备、姿态和事件记录设备、光谱和辐射测量设备 3种类型。弹道测量设备主要有电影经纬仪、弹道照相机、激光测距设备和激光雷达、条带式画幅摄影机。其中电影经纬仪使用最为普遍，多用于测量轨道参数。弹道照相机用于靶场测量设备的鉴定。姿态和事件记录设备包括跟踪望远镜和各类高速摄影机，用于观测火箭发动机的喷焰等。光谱和辐射测量设备有望远镜摄谱仪、光谱辐射计和红外测量设备等。

测量原理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。光学测量系统通常用交会测量法和综合定向测距法测量。

① 交会测量法：光学测量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。图中O1、O2为两个测量站，M、M′分别为飞行器的空间瞬时位置及其投影，α1、α2、γ1、γ2分别为两测量站测得的方位角、俯仰角,O1O2为基线长度L。夹角O1MO2称为交会角。交会角为90°时，测量误差最小。一般要求交会角大于30°,小于150°。为了提高测量系统的可靠性和测量参数的精确度常采用多站交会测量法。 ② 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。

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。