非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)

測量并記錄飛行器軌道參數(shù)的光學(xué)設(shè)備組合，有時(shí)簡稱光測系統(tǒng)。導(dǎo)彈試驗(yàn)靶場和航天器發(fā)射場都設(shè)有光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國為了試驗(yàn)V-2導(dǎo)彈,在佩內(nèi)明德導(dǎo)彈基地首先使用了以電影經(jīng)緯儀為主要設(shè)備的光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)。光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)在導(dǎo)彈和航天器的試驗(yàn)中已成為有多種功能和高精度的跟蹤測量手段。

光學(xué)測量系統(tǒng)的功用是：①測量火箭、導(dǎo)彈主動(dòng)段和再入段的彈道參數(shù)，為安全控制提供位置信息；②拍攝和記錄火箭、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)實(shí)況，為導(dǎo)彈起飛離架、級間分離、故障分析和再入物理特性研究提供資料；③對其他光學(xué)和無線電測量設(shè)備進(jìn)行鑒定和校準(zhǔn)。光學(xué)測量系統(tǒng)測量精度高，直觀性強(qiáng)，測角精度可達(dá)2～5角秒，定位精度可達(dá)1～2米，作用距離一般為100～400公里。缺點(diǎn)是作用距離短,受天氣影響，陰雨天難以獲取數(shù)據(jù),有云時(shí)容易丟失目標(biāo)。

測量設(shè)備光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)依功能分為彈道測量設(shè)備、姿態(tài)和事件記錄設(shè)備、光譜和輻射測量設(shè)備 3種類型。彈道測量設(shè)備主要有電影經(jīng)緯儀、彈道照相機(jī)、激光測距設(shè)備和激光雷達(dá)、條帶式畫幅攝影機(jī)。其中電影經(jīng)緯儀使用最為普遍，多用于測量軌道參數(shù)。彈道照相機(jī)用于靶場測量設(shè)備的鑒定。姿態(tài)和事件記錄設(shè)備包括跟蹤望遠(yuǎn)鏡和各類高速攝影機(jī)，用于觀測火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴焰等。光譜和輻射測量設(shè)備有望遠(yuǎn)鏡攝譜儀、光譜輻射計(jì)和紅外測量設(shè)備等。

測量原理在笛卡兒直角坐標(biāo)系中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的瞬時(shí)質(zhì)心位置可用3個(gè)線量(X、Y、Z)來確定,連續(xù)取得3個(gè)線量就可以求出它的運(yùn)行軌道。光學(xué)測量系統(tǒng)通常用交會(huì)測量法和綜合定向測距法測量。

① 交會(huì)測量法：光學(xué)測量系統(tǒng)在靶場測量中采用前方交會(huì)測量法。在一條精密測量基線的兩端各布置一個(gè)光學(xué)測量站，同時(shí)測量飛行器的方位角α和俯仰角γ，得到兩條方向線，再根據(jù)已知兩測量站間的距離L,即可由球面三角函數(shù)關(guān)系求出飛行器質(zhì)心位置的坐標(biāo)。電影經(jīng)緯儀和彈道照相機(jī)就是用這種方法進(jìn)行測量的。圖中O1、O2為兩個(gè)測量站，M、M′分別為飛行器的空間瞬時(shí)位置及其投影，α1、α2、γ1、γ2分別為兩測量站測得的方位角、俯仰角,O1O2為基線長度L。夾角O1MO2稱為交會(huì)角。交會(huì)角為90°時(shí)，測量誤差最小。一般要求交會(huì)角大于30°,小于150°。為了提高測量系統(tǒng)的可靠性和測量參數(shù)的精確度常采用多站交會(huì)測量法。 ② 綜合定向測量法：加裝激光測距器的電影經(jīng)緯儀和激光雷達(dá)使用這種測量方法。為了提高可靠性和測量參數(shù)的精確度，往往采用多站測量。

工作過程在光學(xué)跟蹤測量中須由多種設(shè)備組成一個(gè)完整的跟蹤測量系統(tǒng)。例如，由幾臺(tái)電影經(jīng)緯儀組成的光學(xué)測量系統(tǒng)，不僅各臺(tái)電影經(jīng)緯儀之間要有密切的配合，還要與引導(dǎo)設(shè)備、時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、計(jì)算中心和通信指揮設(shè)備連接并協(xié)同工作。在試驗(yàn)時(shí)，由引導(dǎo)設(shè)備把目標(biāo)引入電影經(jīng)緯儀視場，電影經(jīng)緯儀自動(dòng)或人工驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)。在跟蹤過程中，時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備控制各站對目標(biāo)進(jìn)行同步攝影，攝影頻率一般為10～40幀/秒,每張照片都記錄目標(biāo)的方位角、俯仰角和目標(biāo)形象，經(jīng)事后判讀和修正處理即可求出目標(biāo)的彈道參數(shù)。在跟蹤拍照的同時(shí)，電影經(jīng)緯儀輸出實(shí)測參數(shù)至計(jì)算中心，用于安全控制顯示和引導(dǎo)其他測量設(shè)備。