阅读说明：本技术 一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法 (High-speed television angle information determination method based on three-dimensional position of tower logo ) 是由 乜铁宁 刘军 余慧 贾树沣 王敏 李果 傅娜 赵树强 王佳 常佳钰 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法,在高速电视相机视场内选定多个标志点作为塔架标,通过大地测量得到标志点相对高速电视相机所在测站系下的角度信息；对目标起飞时高速电视相机拍摄的实测图像数据进行判读,得到塔架标和箭上测量标志在实测图像中的坐标；建立角度信息和实测图像坐标间的关系模型,求得箭上测量标志的角度信息。本发明适用于航天发射火箭垂直起飞段的位置姿态的测量计算,不需要在高速电视加装码盘装置,降低了数据测量处理的复杂度；数据处理模型计算量较小,数据的处理效率高,实现了运载火箭飞行航迹的准确确定,为分析和评定火箭飞行性能提供了可靠的数据支撑。(The invention discloses a high-speed television angle information determination method based on three-dimensional positions of tower marks, which comprises the steps of selecting a plurality of mark points in a field of view of a high-speed television camera as tower marks, and obtaining angle information of the mark points relative to a survey station system where the high-speed television camera is located through geodetic measurement; judging and reading actual measurement image data shot by a high-speed television camera when a target takes off to obtain coordinates of a tower mark and a measurement mark on an arrow in the actual measurement image; and establishing a relation model between the angle information and the actual measurement image coordinates to obtain the angle information of the measurement mark on the arrow. The invention is suitable for the measurement and calculation of the position and the attitude of the vertical takeoff section of the space launch rocket, and a code disc device is not required to be additionally arranged on a high-speed television, so that the complexity of data measurement and processing is reduced; the data processing model has small calculated amount and high data processing efficiency, realizes the accurate determination of the flight path of the carrier rocket, and provides reliable data support for analyzing and evaluating the flight performance of the carrier rocket.)

一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制技术领域，具体涉及一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法。

背景技术

在航天发射任务中的火箭垂直起飞段，一般利用多台高速电视记录火箭上测量点的角度信息。测量设备在进行角度多台交会计算后，可确定目标的弹道姿态参数。但若高速电视测量设备出现角度信息记录错误，或未安装轴角码盘不能记录目标角度信息时，则无法确定目标的弹道参数。针对这种情况，本发明构建了一种基于视场内已知点位置先验信息的高速电视角度信息确定技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法，解决了现有测量设备在确定目标的弹道姿态参数时可靠性低的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法，包括以下步骤：

步骤1、在高速电视相机视场内选定多个标志点作为塔架标，通过大地测量得到标志点相对高速电视相机所在测站系下的方位角和俯仰角的角度信息A_TJBi,E_TJBi，i＝1,2,…,n；

步骤2、对目标起飞时高速电视相机拍摄的实测图像数据进行判读，判读目标包括塔架标和箭上测量标志，得到塔架标在实测图像中的坐标X_TJBi,Y_TJBi，i＝1,2,…,n和箭上测量标志在实测图像中的坐标X_CLi,Y_CLi，i＝1,2,…,n；

步骤3、建立角度信息和实测图像坐标间的关系模型，求得箭上测量标志的角度信息。

本发明的特点还在于，

步骤1中的塔架标标志点选定为高速电视相机视场内固定且分布均匀的点。

步骤3中建立的关系模型如下方位角关系矩阵Ω_XYA、俯仰角关系矩阵Ω_XYE：

式(1)中a_avg为方位角关系矩阵Ω_XYA的元素均值，e_avg为俯仰角关系矩阵Ω_XYE的元素均值，a_avg、e_avg通过以下公式(2)计算：

对方位角关系矩阵Ω_XYA、俯仰角关系矩阵Ω_XYE按以下公式(3)、(4)进行奇异值分解，计算关系模型参数：

式(3)、(4)中，U_XYA、S_XYA、V_XYA依次表示方位角关系矩阵Ω_XYA进行奇异值分解后的左奇异矩阵、特征值向量、右奇异矩阵；U_XYE、S_XYE、V_XYE、依次表示俯仰角关系矩阵Ω_XYE进行奇异值分解后的左奇异矩阵、特征值向量、右奇异矩阵；λ_aij，i＝1,2,3，j＝1,2,3为方位角关系矩阵Ω_XYA进行奇异值分解后的右奇异矩阵组成元素，表征实测图像坐标与方位角的角度信息对应关系；λ_eij，i＝1,2,3，j＝1,2,3为俯仰角关系矩阵Ω_XYE进行奇异值分解后的右奇异矩阵组成元素，表征实测图像坐标与俯仰角的角度信息对应关系。

按公式(5)计算判读点i对应的箭上测量标志下的方位角和俯仰角的角度信息A_CLi、E_CLi：

本发明的有益效果是：本发明一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法，适用于航天发射火箭垂直起飞段的位置姿态的测量计算，不需要在高速电视加装码盘装置，降低了数据测量处理的复杂度；数据处理模型计算量较小，数据的处理效率高，实现了运载火箭飞行航迹的准确确定，为分析和评定火箭飞行性能提供了可靠的数据支撑。

附图说明

图1是本发明一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法的流程图；

图2是本发明一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法中标志点选择示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于塔架标三维位置的高速电视角度信息确定方法，包括在高速电视相机视场内选定多个固定且分布均匀的标志点作为测量基准(塔架标)，根据标志点在地平坐标系下的大地测量成果计算得出标志点相对高速电视相机所在测站坐标系下的方位角和俯仰角的角度信息；通过对发射任务中目标起飞时高速电视相机拍摄的光学图像的判读，得到塔架标和箭上测量标志在实测图像中的坐标；建立角度信息和坐标信息两者的关系模型，并利用奇异值分解计算出箭上测量标志即目标对应的角度信息。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、在高速电视相机视场内选定多个标志点作为塔架标，通过大地测量得到标志点相对高速电视相机所在测站系下的方位角和俯仰角的角度信息A_TJBi,E_TJBi，i＝1,2,…,n；

步骤2、对目标起飞时高速电视相机拍摄的实测图像数据进行判读，判读目标包括塔架标和箭上测量标志，得到塔架标在实测图像中的坐标X_TJBi,Y_TJBi，i＝1,2,…,n和箭上测量标志在实测图像中的坐标X_CLi,Y_CLi，i＝1,2,…,n；

步骤3、建立角度信息和实测图像坐标间的关系模型，如下方位角关系矩阵Ω_XYA、俯仰角关系矩阵Ω_XYE所示：

式(1)中a_avg与e_avg依次为方位角关系矩阵Ω_XYA和俯仰角关系矩阵Ω_XYE的元素均值，减去该均值后，矩阵内元素和为0，a_avg、e_avg通过以下公式(2)计算：

对矩阵Ω_XYA、Ω_XYE按以下公式(3)、(4)进行奇异值分解，计算关系模型参数：

公式(3)、(4)中，U_XYA、S_XYA、V_XYA依次表示方位角关系矩阵Ω_XYA进行奇异值分解后的左奇异矩阵、特征值向量、右奇异矩阵；U_XYE、S_XYE、V_XYE、依次表示俯仰角关系矩阵Ω_XYE进行奇异值分解后的左奇异矩阵、特征值向量、右奇异矩阵；λ_aij，i＝1,2,3，j＝1,2,3为方位角关系矩阵Ω_XYA进行奇异值分解后的右奇异矩阵组成元素，表征实测图像坐标与方位角的角度信息对应关系；λ_eij，i＝1,2,3，j＝1,2,3为俯仰角关系矩阵Ω_XYE进行奇异值分解后的右奇异矩阵组成元素，表征实测图像坐标与俯仰角的角度信息对应关系；

根据奇异值分解运算性质，角度信息和实测图像坐标满足以下关系：

将上式化简并将A_CLi、E_CLi移项至等号左侧即可得到公式(5)，按公式(5)即可计算判读点i对应的箭上测量标志下的方位角和俯仰角的角度信息A_CLi、E_CLi：

实施例

1)选择塔架标标志

如图2所示，在高速电视相机视场中共选取了8个标志点作为塔架标(编号1～8)，来确定高速电视相机的测量模型，标志点位置、编号见图2。对选取的标志点进行大地测量得到标志点在测站坐标系下的角度A_TJBi,E_TJBi，i＝1,2,…,n：

表1塔架标测站系角度

2)数据准备

判读得到塔架标在图像中的坐标X_TJB1,Y_TJB1、X_TJB2,Y_TJB2…X_TJBi,Y_TJBi、箭上测量标志(编号A、B)在图像中的坐标X_CL1,Y_CL1、X_CL2,Y_CL2：

表2塔架标在图像内坐标

表3箭上测量标志在图像内坐标

3)根据测量成果，判读数据等信息，结合上述计算公式(1)至(5)，得到角度计算结果如下：

表4箭上测量标志在测站系角度

本发明适用于航天发射火箭垂直起飞段的位置姿态的测量计算，已应用于长征系列火箭的多次发射数据处理中，算法的有效性和正确性得到了充分验证。