陳 偉，王志有，李曉斐

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

航天運(yùn)載器外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定技術(shù)發(fā)展與展望

陳 偉，王志有，李曉斐

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

由于基于誤差模型的最佳彈道估計(jì)自校準(zhǔn)技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)高精度雙頻載波相位測(cè)量接收機(jī)、激光測(cè)距交會(huì)定軌技術(shù)、衛(wèi)星精度鑒定技術(shù)等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，中國(guó)航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的理論和方法也得到巨大發(fā)展和豐富，呈現(xiàn)出一種多樣化的局面。介紹了傳統(tǒng)航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的主要原理和方法以及近年來涌現(xiàn)的新技術(shù)，重點(diǎn)闡述了激光測(cè)距交會(huì)定軌技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的原理和算法，展望了中國(guó)外測(cè)精度鑒定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

精度鑒定；最佳彈道估計(jì)；載波相位測(cè)量；激光測(cè)距

0 引 言

外彈道測(cè)量是指利用天基或地基的光學(xué)和無線電外測(cè)系統(tǒng)，跟蹤測(cè)量導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭飛行彈道獲取實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)，以及經(jīng)數(shù)據(jù)處理后提供導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭飛行試驗(yàn)彈道參數(shù)（軌跡）的過程。事后高精度外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)作為制導(dǎo)系統(tǒng)工具誤差分離的重要依據(jù)，是航天飛行器改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)而提高命中精度或入軌精度的重要支撐。隨著中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)航天飛行器圓概率誤差（Сirсulаr Еrrоr Рrоbаbilitу，СЕР）值或入軌精度提出了更高的要求，航天外測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度必須相應(yīng)提高才能繼續(xù)履行其使命，適應(yīng)未來需求。

航天運(yùn)載器外彈道測(cè)量一般利用多臺(tái)（套）測(cè)控設(shè)備獲取的測(cè)量元素（如斜距 R、斜距變化率R˙、距離和S、距離和變化率S˙、方位角A、高低角E等）對(duì)航天飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)進(jìn)行解算，屬于組合測(cè)量的范疇[1]。而測(cè)量元素的精度除了與航天測(cè)控設(shè)備的實(shí)際特性密切相關(guān)外，在很大程度上也取決于外測(cè)系統(tǒng)本身精度鑒定的準(zhǔn)確性，航天測(cè)控設(shè)備外測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差分析與精度鑒定是改進(jìn)和提高其測(cè)量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。因此，航天外測(cè)系統(tǒng)的鑒定校準(zhǔn)具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)上，航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定采用飛機(jī)校飛法，即以飛機(jī)作為觀測(cè)目標(biāo)，使用待校準(zhǔn)外測(cè)系統(tǒng)和精度更高的比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（通常為高精度光學(xué)定位設(shè)備）同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取被鑒定設(shè)備的誤差統(tǒng)計(jì)值。該方法存在2個(gè)方面的問題：а）以飛機(jī)作為觀測(cè)目標(biāo)，與航天飛行器真實(shí)飛行環(huán)境有較大差異，在這種環(huán)境中的數(shù)據(jù)能否有效代表被鑒定設(shè)備在實(shí)際跟蹤場(chǎng)景下的跟蹤性能，譬如，彈（箭）飛行試驗(yàn)中動(dòng)輒數(shù)千米每秒的飛行速度和十幾個(gè)g的加速度能否用飛機(jī)模擬代替；彈（箭）飛行試驗(yàn)中從數(shù)百千米高空發(fā)射的無線信號(hào)經(jīng)過電離層、對(duì)流層帶來的誤差如何用飛機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行模擬。b）在微波測(cè)距系統(tǒng)的自身精度已達(dá)到相當(dāng)水平之后，選擇何種設(shè)備作為精度更高的比較基準(zhǔn)，這種選擇是否最優(yōu)或者合理，比較基準(zhǔn)的測(cè)量精度又如何得到驗(yàn)證。近幾十年來，尤其是最近十多年來，在測(cè)控系統(tǒng)的精度鑒定方面不斷涌現(xiàn)新的技術(shù)和方法，為中國(guó)外測(cè)系統(tǒng)的精度鑒定提供了更多手段。

本文對(duì)傳統(tǒng)外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的主要原理和方法以及基于誤差模型最佳彈道估計(jì)的自校準(zhǔn)技術(shù)、基于GРS高精度載波相位測(cè)量定位的飛機(jī)校飛精度鑒定法、基于激光測(cè)距交會(huì)定軌技術(shù)的鑒定方法、基于衛(wèi)星平臺(tái)的鑒定試驗(yàn)方法進(jìn)行了闡述，并展望了中國(guó)外測(cè)精度鑒定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 傳統(tǒng)外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的主要原理和方法

航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的基本原理，是在同一目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等）的同一飛行航跡上，尋找一個(gè)比被鑒定測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度更高的比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，將其得到的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成被鑒定測(cè)量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并在時(shí)間序列上將被鑒定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與比較標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)作差，再將所得的數(shù)據(jù)序列視為被鑒定系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，利用統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)出測(cè)量數(shù)據(jù)不同特性的誤差，如隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和總誤差的統(tǒng)計(jì)值（均值和均方差）。外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的難點(diǎn)在于選擇一個(gè)合適的比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。為有效評(píng)定被鑒定系統(tǒng)測(cè)量精度，要求視為“真值”的比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的精度要比被鑒定標(biāo)準(zhǔn)外測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高，理想情況下兩者均方差之比σ比較標(biāo)準(zhǔn)/σ被鑒定標(biāo)準(zhǔn)≤1/10。但在工程實(shí)踐中，特別是鑒定高精度連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)精度時(shí)，該指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。因此，試驗(yàn)場(chǎng)在評(píng)定外測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度時(shí)，一般要求σ比較標(biāo)準(zhǔn)/σ被鑒定標(biāo)準(zhǔn)≤1/3，有時(shí)放寬到σ比較標(biāo)準(zhǔn)/σ被鑒定標(biāo)準(zhǔn)≤1/2。

中國(guó)試驗(yàn)場(chǎng)目前應(yīng)用最多的外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定方法是飛機(jī)校飛精度鑒定法，該方法將攜帶合作目標(biāo)（應(yīng)答機(jī)、閃光燈等）的飛機(jī)作為比較目標(biāo)，由被鑒定測(cè)量系統(tǒng)和比較標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)跟蹤按預(yù)定航路飛行的飛機(jī)，將獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成被鑒定外測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)測(cè)量元素進(jìn)行比對(duì)處理和分析、估計(jì)，獲得被鑒定測(cè)量系統(tǒng)的各種誤差和精度。傳統(tǒng)上，使用常用光學(xué)測(cè)量設(shè)備作為比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，如高精度光學(xué)經(jīng)緯儀或彈道照相機(jī)。飛機(jī)校飛精度鑒定方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用多個(gè)飛行架次、多個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段的跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)，提供較廣泛的變化航跡以模擬目標(biāo)的實(shí)際飛行；同時(shí)，可以通過合理選擇航路和測(cè)量設(shè)備的布站，提高比較標(biāo)準(zhǔn)的精度。但飛機(jī)校飛精度鑒定法在模擬真實(shí)航天器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、信號(hào)傳播路徑上存在較大差異，試驗(yàn)和評(píng)定結(jié)果有一定局限性；隨著測(cè)量設(shè)備本身精度的提高，加大了比較標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的選擇難度，目前還沒有用于鑒定測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量精度的比較標(biāo)準(zhǔn)；另外，光學(xué)測(cè)量設(shè)備對(duì)天氣狀況要求苛刻、體積龐大、測(cè)量距離有限，整個(gè)組織實(shí)施工作復(fù)雜、費(fèi)用高[3]。

2 基于誤差模型最佳彈道估計(jì)的自校準(zhǔn)技術(shù)

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)空軍東靶場(chǎng)的技術(shù)人員在研究由多臺(tái)彈道照相機(jī)所構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)問題時(shí)，首次提出了誤差模型最佳彈道估計(jì)方法（Еrrоr Моdеl Веst Еstimаtе оf Тrаjесtоrу，ЕМВЕТ）。不久，研究人員認(rèn)識(shí)到這種方法可以推廣到其他外測(cè)系統(tǒng)或外測(cè)系統(tǒng)組合[4]。與以往進(jìn)行外測(cè)系統(tǒng)鑒定校準(zhǔn)時(shí)必定需要更高精度的測(cè)量系統(tǒng)作為比較基準(zhǔn)不同，ЕМВЕТ自校準(zhǔn)技術(shù)不需要比較基準(zhǔn)，而是將待鑒定測(cè)量系統(tǒng)的誤差模型引入到測(cè)量方程中，利用多臺(tái)設(shè)備及長(zhǎng)弧段測(cè)量的冗余數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法同時(shí)估算彈道參數(shù)和系統(tǒng)誤差模型待定參數(shù)。

在 ЕМВЕТ方法出現(xiàn)以前，彈道的計(jì)算都采用逐點(diǎn)解算方法，即根據(jù)在時(shí)元t各地面測(cè)量站獲得的測(cè)元數(shù)據(jù)以及測(cè)元數(shù)據(jù)與彈（箭）坐標(biāo)之間的關(guān)系式，對(duì)時(shí)元t的彈道坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)解算（如最小二乘估計(jì)法等統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法）。由于測(cè)元數(shù)據(jù)一定存在誤差，當(dāng)誤差較大時(shí)，就會(huì)影響到導(dǎo)彈參數(shù)的估計(jì)精度。在測(cè)元數(shù)據(jù)的誤差中，通常系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)超過隨機(jī)誤差，如果能對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行精確修正，彈道參數(shù)的精度將會(huì)得到大幅提升。ЕМВЕТ方法正是基于這種考慮，要求明確每類測(cè)量元素系統(tǒng)誤差的函數(shù)形式，并將其用含待定系數(shù)的表達(dá)式表示出來，體現(xiàn)在測(cè)元數(shù)據(jù)和彈（箭）坐標(biāo)之間的關(guān)系式中。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)這些待定系數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)，通過提高測(cè)元數(shù)據(jù)與彈（箭）坐標(biāo)之間關(guān)系式的準(zhǔn)確度，最終獲取更高精度的彈道參數(shù)。誤差源的個(gè)數(shù)假設(shè)為l，只要觀測(cè)時(shí)刻的數(shù)量 n足夠大，m個(gè)地面測(cè)量站獲得的觀測(cè)方程總個(gè)數(shù)m×n遠(yuǎn)大于未知參數(shù)的個(gè)數(shù)6m+l，此時(shí)聯(lián)立m×n個(gè)方程組，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法即可估計(jì)出系統(tǒng)誤差系數(shù)和n個(gè)時(shí)刻的彈道參數(shù)。

ЕМВЕТ方法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法在解算彈道參數(shù)的同時(shí)，估算出了系統(tǒng)誤差的大小，即將外彈道跟蹤和外測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)工作合二為一，不需要更高精度測(cè)量設(shè)備參與鑒定，因而給試驗(yàn)場(chǎng)工作帶來很大方便。但若想利用該方法獲得理想結(jié)果，必須有2個(gè)前提條件：準(zhǔn)確有效的系統(tǒng)誤差模型和優(yōu)良的參數(shù)估計(jì)方法。如果沒有一個(gè)準(zhǔn)確有效的系統(tǒng)誤差模型，就會(huì)出現(xiàn)仿真分析時(shí)彈道精度高，而實(shí)際系統(tǒng)校準(zhǔn)精度一般的情況；如果沒有優(yōu)良的估計(jì)方法，則容易出現(xiàn)“病態(tài)”逆矩陣而無法正常計(jì)算等問題。

幾十年來，ЕМВЕТ自校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)成為了試驗(yàn)場(chǎng)彈（箭）外測(cè)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)精度提高的重要環(huán)節(jié)。從事外測(cè)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)人員也一直把改進(jìn)和提高ЕМВЕТ自校準(zhǔn)技術(shù)作為重要研究?jī)?nèi)容。隨著應(yīng)用的深入和參數(shù)估計(jì)方法的發(fā)展，ЕМВЕТ自校準(zhǔn)技術(shù)也不斷改進(jìn)。比如，為了解決前述線性模型待估參數(shù)過多或參數(shù)間相關(guān)性較強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)的“病態(tài)”逆矩陣而采用了主成分估計(jì)的ЕМВЕТ；20世紀(jì)90年代為了解決待估參數(shù)個(gè)數(shù)太多的問題，研究了使用低階樣條多項(xiàng)式逼近分段軌道參數(shù)而出現(xiàn)的樣條約束 ЕМВЕТ等，這些方法有效校準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)誤差，提高待估參數(shù)的精度[5]。

3 基于GРS動(dòng)態(tài)差分載波相位測(cè)量技術(shù)的飛機(jī)校飛精度鑒定法

受С/А碼碼元的相應(yīng)長(zhǎng)度限制，С/А定位精度比較低，即便是在2000年5月中止選擇可用性（Sеlесtivе Аvаilаbilitу，SА）技術(shù)后，也只能獲得30 m左右的二維定位精度（2DRМS，95%），偽距差分定位也只能達(dá)到3～5 m的精度，不足以作為對(duì)高精度外測(cè)設(shè)備進(jìn)行精度鑒定的比較標(biāo)準(zhǔn)。載波相位測(cè)量相對(duì)定位精度很高，可以達(dá)到 10-7～10-8，但由于整周模糊度求解方面的難題，長(zhǎng)期以來一直只用于靜態(tài)定位。隨著20世紀(jì)90年代模糊度快速求解技術(shù)（ОТF算法）的解決，載波相位測(cè)量動(dòng)態(tài)定位技術(shù)得到了迅速應(yīng)用和發(fā)展，使得GРS在高精度外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定中的應(yīng)用具備了條件。文獻(xiàn)[6]和[7]闡述了采用基于GРS動(dòng)態(tài)差分載波相位測(cè)量技術(shù)的飛機(jī)校飛精度鑒定法對(duì)航天測(cè)控設(shè)備進(jìn)行精度校準(zhǔn)的原理，并介紹了其工程應(yīng)用情況和試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)描述，20世紀(jì)90年代雙頻載波相位測(cè)量GРS接收機(jī)的測(cè)距精度可達(dá)±5 сm，采用雙差相對(duì)定位方式時(shí)，相對(duì)定位精度可達(dá) 0.05～0.07 m?；贕РS動(dòng)態(tài)差分載波相位測(cè)量技術(shù)的精度鑒定方案如圖1所示。圖1中，地面一共設(shè)有3個(gè)基準(zhǔn)站，在飛機(jī)和基準(zhǔn)站上各安裝1個(gè)雙頻GРS接收機(jī)，主要觀測(cè)量是С/А碼偽距、雙頻動(dòng)態(tài)載波相位。試驗(yàn)過程中，機(jī)載GРS接收機(jī)連續(xù)不斷地采集GРS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的更新率一般為秒級(jí)或亞秒級(jí)，確認(rèn)每一個(gè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)位的置信度，是整個(gè)試驗(yàn)的難點(diǎn)之一。在試驗(yàn)方案中設(shè)置3個(gè)基準(zhǔn)站是為了評(píng)定機(jī)載GРS接收機(jī)所采集定位數(shù)據(jù)的置信度，該方法稱為“動(dòng)態(tài)圖形數(shù)據(jù)校驗(yàn)法”。每2個(gè)基準(zhǔn)站與動(dòng)態(tài)目標(biāo)構(gòu)成閉合圖形，以此準(zhǔn)確估算定位誤差和定位精度。

圖1 基于GРS動(dòng)態(tài)差分載波相位測(cè)量技術(shù)的精度鑒定方案

1996年5月～11月，中國(guó)科研人員按照?qǐng)D1的方法進(jìn)行了 3次地面動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，取得了定位精度達(dá)0.1～0.2 m的動(dòng)態(tài)定位成果。1997年3月，按照該方法進(jìn)行海上校飛試驗(yàn)，直接對(duì)航天外測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了精度校準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)連續(xù)跟蹤觀測(cè)5顆以上GРS衛(wèi)星時(shí)，動(dòng)態(tài)定位精度可以達(dá)到0.1～0.2 m，完全滿足測(cè)控設(shè)備精度鑒定的需要[8]。另外，GРS動(dòng)態(tài)定位不受天氣氣候影響，與傳統(tǒng)光學(xué)儀器相比具有很大優(yōu)越性。

4 基于激光測(cè)距交會(huì)定軌技術(shù)的鑒定方法

4.1 國(guó)內(nèi)外激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展概況

1964年10月10日，NАSА發(fā)射了世界上第1顆帶激光反射鏡的單用激光衛(wèi)星ВЕ-В衛(wèi)星。隨后，NАSА Gоddаrd空間飛行中心用調(diào) Q紅寶石激光器向 ВЕ-В衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖，成功測(cè)定了地面與該衛(wèi)星之間的距離，開創(chuàng)了星-地激光測(cè)距的新紀(jì)元。激光工作波長(zhǎng)與微波雷達(dá)相比約短 3個(gè)數(shù)量級(jí)，具有相干性、單色性好、分辨率極高的特點(diǎn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐和公開的研究資料文獻(xiàn)[9～11]，目前激光測(cè)距精度已從20世紀(jì) 60年代的米級(jí)提高到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。以德國(guó)wеttzеll衛(wèi)星觀測(cè)站的ТLRS衛(wèi)星激光測(cè)距儀為例，通過采用雙色激光脈沖測(cè)距技術(shù)，測(cè)距精度達(dá)到毫米級(jí)，而且作用距離能夠覆蓋36 000 km高的靜地激光衛(wèi)星。

歷年來地-月激光測(cè)距測(cè)量精度提升情況如圖2所示。

圖2 歷年來地月激光測(cè)距精度提升情況

繼ВЕ-В衛(wèi)星之后，美國(guó)、法國(guó)、日本和蘇聯(lián)也都發(fā)射了專用于衛(wèi)星激光測(cè)距（Sаtеllitе Lаsеr Rаnging，SLR）的單用激光衛(wèi)星。在這些衛(wèi)星的圓形外殼上安設(shè)了幾百塊甚至上千塊角反射棱鏡，其激光有效反射面積可達(dá)300 сm2左右。此后，在導(dǎo)航衛(wèi)星上也廣泛裝備了激光后向反射鏡陣列，例如 GРS-35/36號(hào)衛(wèi)星、GLОNАSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、Gаlilео全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)和IRNSS印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，都裝配了星載激光后向反射鏡陣列，以便進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。此外，НY-2海洋測(cè)高衛(wèi)星等對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星也裝配了星載激光后向反射鏡陣列，上述導(dǎo)航衛(wèi)星和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星又稱多用激光衛(wèi)星[6]。圖3為單用激光衛(wèi)星和多用激光衛(wèi)星上的星載激光后向反射鏡陣列示意[12]。

圖3 星載激光后向反射鏡陣列示意

4.2 激光測(cè)距基本原理

與前文所述激光衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)原理基本相同，地面激光測(cè)距儀通過測(cè)量激光脈沖往返于地面測(cè)量站與激光衛(wèi)星之間的傳播時(shí)間，計(jì)算測(cè)量站至衛(wèi)星的瞬時(shí)距離值，進(jìn)而依據(jù)其與激光衛(wèi)星的在軌位置解算出測(cè)量站的三維位置。衛(wèi)星激光測(cè)距示意如圖4所示[12]。

圖4 地星激光測(cè)距示意

4.3 國(guó)內(nèi)外激光測(cè)距工程應(yīng)用情況

根據(jù)文獻(xiàn)[6]和[13]的研究情況，衛(wèi)星激光測(cè)距不論是在高達(dá)20 000 km的導(dǎo)航衛(wèi)星（GРS/GlОNАSS衛(wèi)星）還是在高度為1000 km左右的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（如NАSА和СNЕS聯(lián)合發(fā)射的Торех/Роsеidоn海洋測(cè)高衛(wèi)星、JАSОN-1衛(wèi)星）上，都已經(jīng)多次取得成功，衛(wèi)星在軌的實(shí)時(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)的測(cè)量精度達(dá)到了厘米級(jí)?；趪?guó)內(nèi)外上述衛(wèi)星激光測(cè)距科學(xué)研究和工程應(yīng)用奠定的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，2005年10月，武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院劉基余教授首次提出，對(duì)中國(guó)現(xiàn)有的武漢、上海、長(zhǎng)春、北京和昆明等地的5個(gè)衛(wèi)星激光測(cè)距儀進(jìn)行改造，使其最大測(cè)程由20 000 km擴(kuò)展到410 000 km，然后采用多站激光測(cè)距交會(huì)定軌對(duì)嫦娥衛(wèi)星繞月飛行軌道進(jìn)行精確測(cè)量的思路，初步計(jì)算分析，在約400 000 km的定位精度可能在米級(jí)或更優(yōu)。

4.4 激光測(cè)距交會(huì)定位技術(shù)應(yīng)用于航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的初步設(shè)想

在航天飛行器上同時(shí)安裝激光合作目標(biāo)和被鑒定測(cè)量系統(tǒng)的彈（箭）載荷，在彈（箭）飛行試驗(yàn)過程中，被鑒定測(cè)量系統(tǒng)和地面激光測(cè)距儀同時(shí)觀測(cè)航天飛行器，以激光測(cè)距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為“真值”，計(jì)算被鑒定測(cè)量系統(tǒng)的誤差統(tǒng)計(jì)值。另外，中國(guó)現(xiàn)有激光測(cè)距儀的測(cè)程范圍也完全覆蓋彈（箭）飛行試驗(yàn)中的整個(gè)主動(dòng)段，不用在測(cè)程方面進(jìn)行設(shè)備改造。采用激光測(cè)距交會(huì)定位方法進(jìn)行外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的優(yōu)點(diǎn)如下：

а）將外測(cè)系統(tǒng)的精度鑒定試驗(yàn)與靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)合二為一；

b）跟蹤目標(biāo)就是真實(shí)彈（箭），目標(biāo)飛行特性（如飛行高度、速度和加速度）的真實(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于以飛機(jī)或衛(wèi)星為目標(biāo)的場(chǎng)景，被鑒定測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合更有說服力；

с）由于激光測(cè)距的誤差比微波測(cè)距精度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，在其交會(huì)定位的誤差因素中，測(cè)量元素的誤差可能首次成為非主要誤差因素，激光測(cè)距交會(huì)定位的精度有望大幅提高并顯著優(yōu)于以往任何一種比較測(cè)量系統(tǒng)的精度。

圖5為多站激光測(cè)距交會(huì)定軌原理。在火箭或?qū)椛洗钶d激光合作目標(biāo)，在地面3個(gè)SLR測(cè)量站（А、В、С）上，各設(shè)置1臺(tái)測(cè)程滿足覆蓋彈（箭）主動(dòng)段范圍的激光測(cè)距儀，其站址坐標(biāo)經(jīng)過精確標(biāo)定，分別為（XА，YА，ZА）、（XВ，YВ，ZВ）、（XС，YС，ZС）。在時(shí)元 t，彈（箭）點(diǎn)位坐標(biāo)記作（XНJ（t），YНJ（t），ZНJ（t））。

圖5 多站激光測(cè)距交會(huì)定軌原理

地面 3個(gè)站點(diǎn)（А、В、С）上的激光測(cè)距儀在 t測(cè)得的飛行器與站點(diǎn)的徑向距離分別為

記函數(shù)：

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究可以推出，若采用多站激光測(cè)距交會(huì)定軌的數(shù)據(jù)作為比較基準(zhǔn)，其定位精度將為分米級(jí)。要將激光測(cè)距交會(huì)定軌技術(shù)應(yīng)用在航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的工程實(shí)踐上，還需重點(diǎn)解決彈（箭）載激光合作目標(biāo)的研制以及激光測(cè)距儀的引導(dǎo)和目標(biāo)鎖定等技術(shù)。

5 基于衛(wèi)星平臺(tái)的鑒定試驗(yàn)方法

鑒于飛機(jī)校飛與航天測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際跟蹤彈（箭）飛行過程的狀態(tài)相差較大，而且飛機(jī)校飛對(duì)人力、物力消耗大，組織實(shí)施周期長(zhǎng)、效率低，因而飛機(jī)并不是精度鑒定中最優(yōu)的比較目標(biāo)。隨著衛(wèi)星應(yīng)用的不斷發(fā)展，近年來，中國(guó)部分測(cè)控專家提出利用在軌運(yùn)行衛(wèi)星作為比較目標(biāo)，對(duì)外測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精度鑒定的試驗(yàn)方法[3,14]。該方法主張?jiān)谛l(wèi)星上搭載被鑒定設(shè)備的合作目標(biāo)，如應(yīng)答機(jī)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Glоbаl Nаvigаtiоn Sаtеllitе Sуstеm，GNSS）接收機(jī)、激光合作目標(biāo)等，被鑒定航天測(cè)控設(shè)備與作為比較標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星測(cè)量設(shè)備同時(shí)測(cè)量衛(wèi)星軌道，利用比較標(biāo)準(zhǔn)多臺(tái)、多圈測(cè)量獲取衛(wèi)星運(yùn)行的精確軌道參數(shù)（星歷），并以此為標(biāo)準(zhǔn)解算出被鑒定設(shè)備對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，與被鑒定設(shè)備時(shí)序上的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，用統(tǒng)計(jì)方法估算出被鑒定設(shè)備的各項(xiàng)誤差和測(cè)量精度。

應(yīng)用衛(wèi)星鑒定外測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，衛(wèi)星飛行軌道接近導(dǎo)彈（火箭）飛行的動(dòng)態(tài)特性，被鑒定結(jié)果比較真實(shí)；衛(wèi)星運(yùn)行軌道高，可被多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)跟蹤測(cè)量，而且跟蹤時(shí)間長(zhǎng)、采集數(shù)據(jù)多；衛(wèi)星長(zhǎng)期繞地球運(yùn)行，可提供經(jīng)常性精度鑒定的機(jī)會(huì)；利用衛(wèi)星搭載鑒定外測(cè)系統(tǒng)精度，可以綜合利用資源，大大減少費(fèi)用和人力。由于衛(wèi)星鑒定試驗(yàn)方法的優(yōu)越性很多，已成為國(guó)內(nèi)外彈道外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定的新途徑。

6 外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

從比較基準(zhǔn)的精度水平來看，中國(guó)激光測(cè)距的精度已達(dá)到厘米甚至毫米量級(jí)，且測(cè)量范圍覆蓋36 000 km，代表了目前最高的遠(yuǎn)程跟蹤測(cè)量精度水平。中國(guó)的GNSS高精度雙頻載波相位測(cè)量接收機(jī)，當(dāng)連續(xù)跟蹤觀測(cè)5顆以上GРS衛(wèi)星時(shí)，其對(duì)校飛飛機(jī)的動(dòng)態(tài)定位精度已達(dá)分米甚至厘米量級(jí)。從跟蹤目標(biāo)與實(shí)際航天器飛行試驗(yàn)的一致性、鑒定周期、成本的角度來看，在導(dǎo)彈、火箭或衛(wèi)星上搭載合作目標(biāo)的方式優(yōu)于傳統(tǒng)飛機(jī)校飛。從數(shù)據(jù)處理的角度來看，基于 ЕМВЕТ自校準(zhǔn)技術(shù)的算法優(yōu)于逐點(diǎn)定位的精度。中國(guó)航天外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定將以導(dǎo)彈、火箭或衛(wèi)星為跟蹤目標(biāo)，以激光交會(huì)定軌或高精度GNSS接收機(jī)為比較基準(zhǔn)，以精確誤差模型與先進(jìn)參數(shù)估計(jì)算法相結(jié)合的多種新技術(shù)的融合，該領(lǐng)域內(nèi)完全可能出現(xiàn)1000 km范圍內(nèi)彈（箭）跟蹤定位誤差為厘米級(jí)的鑒定基準(zhǔn)。

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Development and Prospect of Accuracy Certification Technology in Tracking Telemetry and Command of Launch Vehicle

Сhеn Wеi, Wаng Zhi-уоu, Li Xiао-fеi
(Веijing Institutе оf Аstrоnаutiсаl Sуstеms Еnginееring, Веijing, 100076)

With thе rарid tесhniquе dеvеlорing, thе thеоrу аnd mеthоds оf ассurасу сеrtifiсаtiоn in trасking tеlеmеtrу аnd соmmаnd hаs mаking rарid рrоgrеss. Тhis рареr intrоduсеs thе mаin рrinсiрlе оf thе ассurасу сеrtifiсаtiоn in trаditiоnаl ТТ&С аnd thе nеw tесhniquе арреаrеs in rесеnt уеаrs, еsресiаllу еlаbоrаtеs thе thеоrу аnd аlgоrithm in lаsеr rаnging роsitiоning, lооk fоrwаrd tо thе futurе оf ТТ&С in оur соuntrу.

Ассurасу сеrtifiсаtiоn; Веst еstimаtiоn оf trаjесtоrу; Саrriеr рhаsе mеаsuring; Lаsеr rаnging

V556.2

А

1004-7182(2016)06-0040-06 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160610

2016-06-10；

2016-07-26

陳 偉（1984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器無線測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)