一种基于遥测测角数据来计算运载火箭空间坐标的方法与流程

本发明涉及运载火箭的空间坐标的计算方法，特别涉及一种基于遥测测角数据来计算运载火箭空间坐标的方法。

背景技术：

在航天发射过程中，需要对运载火箭的进行空间定位，掌控其飞行轨迹，目前，主要利用光学测量设备和无线电跟踪测量设备进行外弹道测量来获取火箭的空间位置。

运载火箭属于一项巨大的系统，其造价昂贵，结构复杂，携带的载荷更是付出了大量的时间和成本才设计并生产出来的，因此，必须确保航天发射过程稳妥可靠，把风险降至最低。在航天发射过程中，往往在同一时刻，需要多台设备参与跟踪测量，才能保证火箭在飞行过程中能不间断地对其进行空间定位。

无论是光学测量设备和无线电跟踪测量设备，都具有一定的局限性。如光学测量会受到气象条件的制约，在阴雨、雪天等能见度低的天气条件下，难以完成测量任务，而无线电设备需依靠火箭上的合作设备才能更好地完成跟踪测量。对于地面上的测量设备，由于周围山体、房屋的遮挡，只能在航天发射过程中的某部分时间段参与跟踪，因此需要在飞行航路周围的各处分布多台设备进行接力测量。但每新增加一台测量设备，需要进行设备生产、设备选址、厂区建设、以及日常的维护管理，需要大量的人力物力财力，因此地面航天测控设备非常有限。同时，测量设备也具有一定的故障率，特别是使用年限较大的设备，很可能由于设备发生故障或者需进行设备返厂改造而不能参与跟踪测量。

在航天发射过程中，需要多台遥测设备参与跟踪捕获火箭上的遥测信号，目前，遥测设备主要用来掌握火箭在飞行过程中的内部状态，对于解调出的遥测数据具有较大的利用价值，而跟踪角度并没有充分地利用，若能有效利用多台遥测跟踪角度数据来实现对火箭的空间定位是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于遥测测角数据来计算运载火箭空间坐标的方法，以解决因个别设备发生异常带来数据缺失的问题，从而引导其它测控设备发现目标实现捕获，让航天测控系统更具可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于遥测测角数据来计算运载火箭空间坐标的方法，包括以下步骤：步骤1）先确保在运载火箭的飞行航路两侧已完成遥测设备的布站，并进行了设备位置的大地测量，使得设备的地理位置坐标已知；

步骤2）在航天发射过程中，各遥测设备对运载火箭进行跟踪，使得同一时刻至少有两台异地的遥测设备处于自跟踪状态，在跟踪过程中，各遥测设备不断地往指控中心服务器发送测量角度，并且实时发送的频率不能过低以确保后续步骤运算所需的数据量；

步骤3）指控中心服务器接收测量角度后实时将数据通过交会测量方法进行运算，再结合数据优化手段，从而解算出火箭的空间位置坐标。

优选的，所述交会测量方法为最短距离法。

优选的，所述最短距离法为：通过计算出距离最近的两个点坐标后，根据设备测得的角度数据，结合最小二乘法，制定坐标值加权方案，从而降低测量野值带来的误差。

优选的，所述步骤3）中，还包括将交会测量结果，由地心坐标系转换至其它外弹道测量设备的测量坐标系中，与设备的测量结果进行比较，提供正确性验证。

优选的，在所述步骤3）中，所述数据优化手段具体为：以两台遥测的测角数据进行交会测量，已知的数据有：遥测设备一的大地坐标系的坐标，为设备一的纬度，为设备一的经度，为设备一的高程，遥测设备一在测量坐标系下的测角数据值，包含方位角，俯仰角，遥测设备二的大地坐标系的坐标，为设备二的纬度，为设备二的经度，为设备二的高程，遥测设备二在测量坐标系下的测角数据值，包含方位角，俯仰角，将设备一和设备二的大地坐标系坐标均转换成地心坐标系，得到设备一的坐标和设备二的坐标，结合设备一的坐标及其测量值、，计算目标相对设备一在地心坐标系下的方向向量，则：

采用同样的方法，计算出目标相对设备二在地心坐标系下的方向向量，和构成了一条空间直线；

和构成了另一条空间直线：

由于测量同一个目标，直线和直线会相交于一点，该点为目标位置，但由于测量角度误差的存在，使得和为异面关系，不能相交，因此计算出直线和直线距离最近的点的坐标，得到位于直线上的点，直线上的点，

假设最近的点为，，并且直线和永不平行，则：

则：

对、两点进行融合，得到目标地心坐标系下的坐标值。

优选的，所述融合的方式为加权融合。

优选的，所述加权融合具体为：若设备一的方位角和俯仰角数据达不到60个，则加权值取0.5；若数量足够，则对最近的60个方位角和俯仰角进行3阶最小二乘拟合，计算最后一个测量数据和拟合值的绝对误差，得到方位误差，俯仰误差，同时计算设备一的坐标和的距离；采用同样的方法计算得到设备二最后一个测量点的方位误差和俯仰误差，以及和的距离，则加权值为：

则:

。

优选的，还包括通过仿真角度值与实测角度值分别进行交会测量，对比其结果。

优选的，所述通过仿真角度值进行交会测量的方法是通过将两台遥测设备在测量坐标系下的理论方位角、理论俯仰角均分别增加0.1度的角度随机值，模拟跟踪过程中的角度随机误差，根据该两台遥测设备的大地坐标系的地理坐标，计算得到每一组测角数据交会测量结果，并与目标位置地心坐标系下的理论坐标值相比较，得到仿真交会测量结果的空间误差。

优选的，所述通过实测角度值进行交会测量的方法是利用某次航天发射中两遥测设备的测角数据进行交会测量，并将交会测量结果与箭上北斗定位结果作对比，得到实测值交会测量结果的空间误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过将两台或两台以上的遥测设备跟踪测量的角度数据加以利用，运用交会测量方法中的最短距离法，在不影响原有测量工作、不增加大量的人力、物力及财力的前提下，便可计算出运载火箭的空间定位坐标，为航天测控系统提供新的外弹道测量数据备份手段，进一步验证其它外弹道测量数据的正确性，弥补因个别设备发生异常带来数据缺失，引导其它测控设备发现目标实现捕获，让航天测控系统更具可靠性。

附图说明

图1为仿真值与实测值交会测量结果综合误差对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种基于遥测测角数据来计算运载火箭空间坐标的方法，包括以下步骤：步骤1）先确保在运载火箭的飞行航路两侧已完成遥测设备的布站，并进行了设备位置的大地测量，使得设备的地理位置坐标已知；步骤2）在航天发射过程中，各遥测设备对运载火箭进行跟踪，使得同一时刻至少有两台异地的遥测设备处于自跟踪状态，在跟踪过程中，各遥测设备不断地往指控中心服务器发送测量角度，并且实时发送的频率不能过低以确保后续步骤运算所需的数据量；步骤3）指控中心服务器接收测量角度后实时将数据通过交会测量方法进行运算，再结合数据优化手段，从而解算出火箭的空间位置坐标。

交会测量方法为最短距离法，最短距离法为：通过计算出距离最近的两个点坐标后，根据设备测得的角度数据，结合最小二乘法，制定坐标值加权方案，从而降低测量野值带来的误差。

为了降低设备往指控中心服务器发送错误的风险，将交会测量结果，由地心坐标系转换至其它外弹道测量设备的测量坐标系中，与设备的测量结果进行比较，提供正确性验证，从而达到降低设备往指控中心服务器发送错误的风险的目的。

数据优化手段具体为：以两台遥测的测角数据进行交会测量为例，已知的数据有：遥测设备一的大地坐标系的坐标，为设备一的纬度，为设备一的经度，为设备一的高程，遥测设备一在测量坐标系下的测角数据值，包含方位角，俯仰角，遥测设备二的大地坐标系的坐标，为设备二的纬度，为设备二的经度，为设备二的高程，遥测设备二在测量坐标系下的测角数据值，包含方位角，俯仰角，将设备一和设备二的大地坐标系坐标均转换成地心坐标系，得到设备一的坐标和设备二的坐标，结合设备一的坐标及其测量值、，计算目标相对设备一在地心坐标系下的方向向量，则：

采用同样的方法，计算出目标相对设备二在地心坐标系下的方向向量，和构成了一条空间直线；

和构成了另一条空间直线：

由于测量同一个目标，直线和直线会相交于一点，该点为目标位置，但由于测量角度误差的存在，使得和为异面关系，不能相交，因此计算出直线和直线距离最近的点的坐标，得到位于直线上的点，直线上的点，

假设最近的点为，，并且直线和永不平行，则：

则：

对、两点进行融合，得到目标地心坐标系下的坐标值。融合的方式为加权融合。加权融合具体为：若设备一的方位角和俯仰角数据达不到60个，则加权值取0.5；若数量足够，则对最近的60个方位角和俯仰角进行3阶最小二乘拟合，计算最后一个测量数据和拟合值的绝对误差，得到方位误差，俯仰误差，同时计算设备一的坐标和的距离；采用同样的方法计算得到设备二最后一个测量点的方位误差和俯仰误差，以及和的距离，则加权值为：

则:

。

为了验证本发明的可靠性，还包括通过仿真角度值与实测角度值分别进行交会测量，对比其结果。通过仿真角度值进行交会测量的方案是通过将两台遥测设备在测量坐标系下的理论方位角、理论俯仰角均分别增加0.1度的角度随机值，模拟跟踪过程中的角度随机误差，根据该两台遥测设备的大地坐标系的地理坐标，计算得到每一组测角数据交会测量结果，并与目标位置地心坐标系下的理论坐标值相比较，得到仿真交会测量结果的空间误差。通过实测角度值进行交会测量的方案是利用某次航天发射中两遥测设备的测角数据进行交会测量，并将交会测量结果与箭上北斗定位结果作对比，得到实测值交会测量结果的空间误差。

两种结果的误差对比如图1所示，仿真值与实测值结果相近，同时也验证在适用区内，验证了本发明测量结果的可靠性。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。