短基線干涉儀測(cè)元與距離變化率融合處理方法

李 果，崔書(shū)華，沈 思，王 佳

（1. 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710043；2. 中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心技術(shù)部，西安，710043）

短基線干涉儀測(cè)元與距離變化率融合處理方法

李 果1,2，崔書(shū)華1,2，沈 思1,2，王 佳1,2

（1. 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710043；2. 中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心技術(shù)部，西安，710043）

短基線干涉儀與脈沖雷達(dá)（或微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)）相結(jié)合的外彈道測(cè)量體制是目前航天發(fā)射任務(wù)主動(dòng)段測(cè)控的主要手段。針對(duì)不同傳感器跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題，建立了短基線干涉儀測(cè)量元素與雷達(dá)測(cè)量的距離變化率測(cè)量元素融合的算法，實(shí)現(xiàn)了利用測(cè)速數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的位置和速度參數(shù)的功能。仿真結(jié)果表明，該方法改變了以往短基線干涉儀測(cè)量必須依賴定位數(shù)據(jù)的境況，拓展了外彈道的數(shù)據(jù)處理手段。

0 引 言

目前，中國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)包括多種不同類型的傳感器設(shè)備，其中短基線干涉儀與單脈沖雷達(dá)（或微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)）相結(jié)合的外彈道測(cè)量體制是火箭飛行外彈道測(cè)量的主要手段。

短基線干涉儀通過(guò)2個(gè)副站被動(dòng)接收同一個(gè)無(wú)線電信號(hào)源，參照共同的參考頻率得到所收信號(hào)的相位差和相位差變化率，由此導(dǎo)出信號(hào)源到2個(gè)副站的單向差分距離和差分單向多普勒[1,2]，結(jié)合兩副站到主站之間的2條非平行（一般采用垂直）高精度基線長(zhǎng)度，獲得導(dǎo)航所需的信號(hào)源至基線的2個(gè)方向余弦變化率l˙和m˙，以及徑向速度R˙。這種測(cè)量模式下，需要至少再加入一個(gè)徑向距離信息R才能完成對(duì)目標(biāo)飛行器的定位。所以，目前的航天發(fā)射任務(wù)中，短基線干涉儀測(cè)元的計(jì)算需要加入目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器外彈道參數(shù)的確定[3～5]。

為了擺脫對(duì)目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的依賴和束縛，利用雷達(dá)可用的測(cè)量元素（如因設(shè)備問(wèn)題、火箭各級(jí)分離等影響，出現(xiàn)部分弧段雷達(dá)測(cè)角和測(cè)距數(shù)據(jù)信息不全的情況時(shí)，只留有距離變化率），建立了短基線干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)R˙，l˙，m˙與多臺(tái)雷達(dá)的距離變化率數(shù)據(jù)kR˙的融合方法，解決了利用短基線干涉儀測(cè)量元素和距離變化率數(shù)據(jù)就可以同時(shí)確定飛行目標(biāo)位置和速度的問(wèn)題，不僅為外彈道數(shù)據(jù)處理方法拓展了技術(shù)途徑，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)處理精度。

1 融合處理方法[6～8]

假設(shè)x，y，z為目標(biāo)飛行器在發(fā)射系中的位置分量，x˙，y˙，z˙為目標(biāo)飛行器在發(fā)射系中的速度分量，xi，yi，zi（i = 1, 2, 3, 4）為測(cè)站在發(fā)射系中的站址（測(cè)站1為主站，測(cè)站2～4為副站，其中測(cè)站1和測(cè)站2為同站），D13和D14為2條基線的長(zhǎng)度，由此建立如下測(cè)量方程：

飛行目標(biāo)參數(shù)計(jì)算步驟如下：

a）初始值數(shù)據(jù)X0=(x0,y0,z0,x˙0,y˙0,z˙0)T。

b）用初始值反算測(cè)量元素的近似值。

1）反算短基線干涉儀測(cè)量元素R˙0，l˙0和m˙0：

式中 x′k,y′k,z′k為雷達(dá)測(cè)站的站址，k=1,2,…,n 。c）計(jì)算誤差方程自由項(xiàng)向量。

令：

則，

d）誤差方程系數(shù)矩陣B。

再有：

e）協(xié)方差陣估計(jì)。

目標(biāo)位置和速度參數(shù)解算：

計(jì)算目標(biāo)在發(fā)射坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和速度：

目標(biāo)坐標(biāo)和速度的精度：f）迭代計(jì)算。

2 仿真分析

利用某射向及設(shè)備布站情況，采用短基線干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量元素和3臺(tái)雷達(dá)的距離變化率測(cè)量元素進(jìn)行仿真分析。數(shù)據(jù)融合計(jì)算得到的目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果與對(duì)應(yīng)標(biāo)稱彈道比對(duì)差數(shù)據(jù)曲線如圖1所示，相應(yīng)的速度分量比對(duì)差數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

Method of Fusion Algorithm in Measuring Element of Short Baseline Interferometer and Range Rate

Li Guo1,2, Cui Shu-hua1,2, Shen Si1,2, Wang Jia1,2
(1. State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi’an, 710043; 2. Xi’an Satellite Control Center of China, Xi’an, 710043)

External trajectory measurement system with the combination of the short baseline interferometer and radio detection and ranging (unified microwave system) is the main means of TT&C in boost phase. Aiming at the problem of data fusion, fusion algorithm that short baseline interferometer measurement element is effectively fused with the range rate measurement of the radio detection and ranging measurement is established, the target location and flying speed parameters can be determined by velocity measurement data. The method offers a new technical means to change the situation that the short baseline interferometer measurement must rely on the target location data, and provides technical support to process external trajectory measurement.

Short baseline interferometer; Fusion algorithm; Data processing; Comparison analysis

圖1 坐標(biāo)差數(shù)據(jù)曲線

圖2 速度差數(shù)據(jù)曲線

短基線干涉儀；融合算法；數(shù)據(jù)處理；比對(duì)分析

V44

A

1004-7182(2016)04-0096-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160424

2015-06-01；

2016-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（61473222,61231018,41274018）

李 果（1983-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橥鈴椀罃?shù)據(jù)處理與評(píng)估