一种导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置及方法与流程

1.本发明属于空间和空间技术领域，具体涉及一种导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置及方法。


背景技术：

2.空间和空间技术是国际强国竞争的焦点之一，发展中远程战略导弹技术亦是主动防御之必需。导弹是空间远程战略中必不可少的主动防御手段，可以保护国家安全。被动式导弹以防御为目的，通过预测对方的打击导弹轨迹，启动防御导弹击落打击导弹，起到防御目的。因此，导弹发射以及飞行的准确性对于被动防御至关重要，而导弹起飞阶段(发射阶段)是后续导弹的飞行的重要影响因素。
3.在导弹起飞阶段，由于各种干扰会引起导弹的质心相对基准弹道的偏移，表现为横向漂移且蕴藏的风险十分巨大的，可能会带来灾难性的后果。精确测量导弹发射时起飞横向漂移量,不仅为导弹运载工具发动机的性能改进提供重要的试验数据，同时还提供了导弹起飞段的飞行姿态、飞行弹道和记录突发事件等有关动态性能的参数信息。
4.现有技术中，测量大型运载工具起飞漂移量的方法是三台高速电视交会的方法。该方法只能在导弹起飞事后获取漂移量，需要综合考虑跟踪测量视场覆盖并同时兼顾初始段弹道测量的影响因素。在静态无干扰情况下，该方法的测量精度为分米量级，不能满足目前新型高精度导弹的漂移量测量需求，且容易受到环境因素的影响。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量装置包括：
7.隔震平台1、俯仰台2、旋转台3、多线激光雷达4、光纤收发器5以及服务显示器6，隔震平台1置于水平地面固定，俯仰台2固定于隔震平台1之上，旋转台3固定于俯仰台2之上，多线激光雷达4搭建在旋转台3上，
8.俯仰台2，用于在多种测量模式下，调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖导弹在发射阶段的垂直范围；
9.旋转台3，用于调整多线激光雷达4的水平观测视角，以使导弹在水平观测视角的中心区域；
10.多线激光雷达4，用于在多种测量模式下，采集导弹发射阶段的三维点云数据，并将三维点云数据发送至光纤收发器5；
11.光纤收发器5，用于将三维点云数据发送至服务显示器6；
12.服务显示器6，用于根据三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心，并根据椭圆中心拟合导弹在发射阶段的中轴线；将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定导弹的起飞漂移量参数。
13.可选的，俯仰台2，进一步用于：
14.当多线激光雷达4为1台，且多线激光雷达4的垂直观测视角完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，在导弹发射前调整自身的俯仰角，使得导弹在静止状态时位于多线激光雷达4的垂直观测视角的最低位置；
15.当多线激光雷达4为1台，且多线激光雷达4的垂直观测视角不能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，在导弹发射阶段跟随导弹调整自身的俯仰角带动多线激光雷达的垂直观测视角调整，使得导弹在发射阶段位于多线激光雷达4的垂直观测视角的中心区域；
16.当多线激光雷达4为多台，且多台多线激光雷达4的垂直观测视角互相叠加能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，多台多线激光雷达4从下至上依次安装，在导弹发射前调整自身的俯仰角，使得导弹在静止状态时位于最低安装的多线激光雷达4的垂直观测视角内，在导弹发射阶段末尾位于最高安装的多线激光雷达4的垂直观测视角内；
17.当多线激光雷达4为多台，且多台多线激光雷达4的垂直观测视角互相叠加不能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，多台多线激光雷达4从下至上依次安装，在导弹发射阶段跟随导弹调整自身的俯仰角带动多台多线激光雷达4的垂直观测视角同步调整，使得导弹在发射阶段位于多线激光雷达4的垂直观测视角的中心区域。
18.可选的，多线激光雷达4，用于在多种测量模式下，在导弹发射阶段按层扫描导弹，采集获得每个扫描层的三维点云数据，并发送至光纤收发器5。
19.可选的，服务显示器6进一步用于，
20.使用最小二乘椭圆拟合算法对每一扫描层的三维点云数据进行椭圆拟合，计算出拟合椭圆中心；
21.使用最小二乘直线拟合算法对每一扫描层拟合的椭圆中心进行直线拟合，得到拟合后的中轴线；
22.将拟合后的导弹中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定差值；
23.根据差值，确定导弹的起飞漂移量。
24.可选的，服务显示器6，在显示界面上设置有功能配置区、三维视窗区以及参数显示区，
25.功能配置区，用于提供控制服务显示器与多线激光雷达4的连接或断开、设定静止状态的中轴线、控制显示三维点云数据的显示范围、存储三维点云数据、离线读取三维点云数据以及预定扫描层的扫描时间的操作按钮；
26.三维视窗区，用于通过放大、缩小、旋转显示窗口显示绘制的三维点云；
27.参数显示区，用于实时显示发射阶段导弹拟合的中轴线与导弹在静止状态下的参考中轴线三维坐标方向的角度差和在预定扫描面上的横向起飞漂移量。
28.第二方面，本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量方法，，使用第一方面的测量装置，测量方法包括：
29.获取在多种测量模式下，导弹发射阶段的三维点云数据；
30.根据三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心；
31.根据椭圆中心拟合导弹在发射阶段的中轴线；
32.将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定导弹的起飞
漂移量。
33.本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量装置及方法，通过俯仰台在多种测量模式下，调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖导弹在发射阶段的垂直范围；旋转台用于调整多线激光雷达的水平观测视角，以使导弹处于水平观测视角的中心区域；多线激光雷达用于在多种测量模式下，采集导弹发射阶段的三维点云数据，并将三维点云数据通过光纤收发器发送至服务显示器，进一步根据三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心，并进一步根据每一层拟合得到的椭圆中心拟合出导弹在发射阶段的中轴线，提高拟合中轴线的准确性；将拟合得到的导弹中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，计算出导弹的起飞漂移量参数。
34.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
35.图1为本发明提供的多线激光雷达扫描导弹示意图；
36.图2为本发明提供的多线激光雷达扫描导弹柱体的椭圆切面示意图；
37.图3为本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置结构图；
38.图4为本发明提供的多台多线激光雷达的导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置的观测视角展示图；
39.图5为本发明提供的导弹中轴线提取及起飞漂移量测量装置集成显示界面示意图；
40.图6本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量测量方法流程示意图。
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
42.实施例一
43.如图1所示，由于导弹表面存在推进器、尾翼等结构，导致导弹形状并不为规则的圆柱形，因此对导弹全貌进行激光扫描并进行中轴线分析是比较困难的。但是大多数导弹中部为近似的圆柱体，因此可以仅针对导弹的这一段结构进行激光扫描，将导弹结构近似为圆柱体并进行导弹中轴线的拟合与测量。
44.如图3所示，本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量装置包括：隔震平台1、俯仰台2、旋转台3、多线激光雷达4、光纤收发器5以及服务显示器6，隔震平台1置于水平地面固定，俯仰台2固定于隔震平台1之上，旋转台3固定于俯仰台2之上，多线激光雷达4搭建在旋转台3上，
45.俯仰台2，用于多种测量模式下，调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖导弹在发射阶段的垂直范围；
46.值得说明的是，多线激光雷达其型号不同，垂直观测视角不同。当多线激光雷达的垂直观测视角较大时，俯仰台2只需在导弹静止阶段微调，当垂直观测视角较小时，需要调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖导弹在发射阶段的垂直范围。本发明对于多线激光雷达的可选范围更多，适应性更强。
47.旋转台3，用于调整多线激光雷达4的水平观测视角，以使导弹在水平观测视角的中心区域；
48.多线激光雷达4，用于在多种测量模式下，采集导弹发射阶段的三维点云数据，并将三维点云数据发送至光纤收发器5；
49.如图2所示，多线激光雷达可实时获取测绘场景的三维点云数据，通过点云滤波技术排除噪声点的干扰，获取高精度的目标形态数据。在多线激光雷达扫描导弹时，由于多线激光波束扫描面与导弹柱体不垂直，所以每一线扫描得到的点云坐标在理想状况下位于一个椭圆上。
50.光纤收发器5，用于将三维点云数据发送至服务显示器6；
51.服务显示器6，用于根据三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心，并根据椭圆中心拟合导弹在发射阶段的中轴线；将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定导弹的起飞漂移量。
52.参考图3，多线激光雷达扫描获取导弹的三维点云数据，通过以太网接口发送至光纤收发器，转换成光信号后通过光纤高速传输至远端的接收控制室，再次经光纤收发器转换为电信号后，由服务显示器接收多线激光雷达数据，并由软件集成系统解析出多线激光雷达采集的导弹三维点云坐标，并且在软件界面完成点云坐标的重绘；软件系统对点云数据每一扫描层的点，通过椭圆拟合算法拟合出该扫描层层点云的近似椭圆并计算出椭圆的中心，再对各层拟合椭圆的一系列中心运用直线拟合算法拟合一条直线，可近似为导弹箭体的中轴线。
53.在导弹的起飞阶段发射阶段，运用同样的方法对导弹中轴线进行实时提取，同时将提取的中轴线与静止导弹中轴线进行比对。起飞阶段导弹中轴线与静止导弹中轴线在x，y，z方向的角度差，即为此时导弹相对静止导弹在x，y，z方向的倾角；起飞阶段导弹中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线在预定扫描层上对应点的距离即为此时导弹相对静止导弹在各扫描层上的横向起飞漂移量。
54.本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量装置。俯仰台用于多种测量模式下，调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖导弹在发射阶段的垂直范围；旋转台用于调整多线激光雷达的水平观测视角，以使导弹在水平观测视角的中心区域；多线激光雷达用于在多种测量模式下，采集导弹发射阶段的三维点云数据，并将三维点云数据通过光纤收发器至服务显示器，进一步根据三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心，并根据椭圆中心拟合导弹在发射阶段的中轴线，可提高拟合中轴线的准确性；进一步将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，测量出导弹的起飞漂移量参数。
55.俯仰台2，进一步用于：
56.当多线激光雷达4为1台，且多线激光雷达4的垂直观测视角完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，在导弹发射前调整自身的俯仰角，使得导弹在静止状态时位于多线激光雷达4的垂直观测视角的最低位置；
57.值得说明的是：单线激光雷达由于其测量时的数据为二维平面数据，不具备垂直视角，需要调整精密度较高的俯仰台实时追踪目标踪迹，且追踪过程容易出现每一帧二维数据的偏差。而本发明的多线激光雷达垂直观测角足够大的情况下，无需在发射阶段调整
俯仰台实时追踪导弹踪迹，只需在静止状态时，进行微调俯仰角使得导弹在静止状态时位于多线激光雷达4的垂直观测视角的最低位置。
58.当多线激光雷达4为1台，且多线激光雷达4的垂直观测视角不能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，在导弹发射阶段跟随导弹调整自身的俯仰角带动多线激光雷达的垂直观测视角调整，使得导弹在发射阶段位于多线激光雷达4的垂直观测视角的中心区域；
59.参考图3，当多线激光雷达为1台时，不同的多线激光雷达其观测视角不同，当导弹开始发射，在发射阶段随着导弹的上升，导弹可能在多线激光雷达的垂直观测视角内也可能在垂直观测视角外。当多线激光雷达的垂直观测视角可以覆盖导弹在发射阶段的飞行范围时，俯仰台2只需在导弹未发射过程中调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖飞行范围。否则需要实时调整自身的俯仰角带动其上的多线激光雷达，跟随导弹的飞行轨迹，使得导弹始终位于多线激光雷达的垂直观测视角的中心区域。但是自身的俯仰角调整要求相对于单线激光雷达的俯仰角调整，其调整次数以及调整范围要求更低，准确度更高。
60.当然，若1台多线激光雷达的垂直视场角较小，即从导弹开始起飞到离开塔架的阶段可能超出1台多线激光雷达的扫描范围，则可在此多线激光雷达上面再搭建1台或多台同样的多线激光雷达，完成扫描视场的扩展，实现导弹整个起飞阶段的实时漂移量监控测量，如图4所示。
61.当多线激光雷达4为多台，且多台多线激光雷达4的垂直观测视角互相叠加能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，多台多线激光雷达4从下至上依次安装，在导弹发射前调整自身的俯仰角，使得导弹在静止状态时位于最低安装的多线激光雷达4的垂直观测视角内，在导弹发射阶段末尾位于最高安装的多线激光雷达4的垂直观测视角内；
62.当多线激光雷达4为多台，且多台多线激光雷达4的垂直观测视角互相叠加不能完全覆盖导弹在发射阶段的飞行范围的测量模式下，多台多线激光雷达4从下至上依次安装，在导弹发射阶段跟随导弹调整自身的俯仰角带动多台多线激光雷达4的垂直观测视角同步调整，使得导弹在发射阶段位于多线激光雷达4的垂直观测视角的中心区域。
63.参考图4，当多线激光雷达为多台时，不同的激光雷达其观测视角不同，多台激光雷达的垂直观测视角相互叠加，导弹在发射阶段可能在多线激光雷达的叠加后的垂直观测视角内也可能在叠加后垂直观测视角外。当多线激光雷达的叠加垂直观测视角可以覆盖导弹在发射阶段的飞行范围时，俯仰台2只需在导弹未发射时调整自身的俯仰角使得多线激光雷达的垂直观测视角覆盖飞行范围。否则需要实时调整自身的俯仰角带动其上的多台多线激光雷达，跟随导弹的飞行轨迹，使得导弹始终位于多线激光雷达叠加的垂直观测视角的中心区域。
64.在一种具体的实施方式中，多线激光雷达4，用于在多种测量模式下，在导弹发射阶段按层扫描导弹，采集获得每个扫描层的三维点云数据，并发送至光纤收发器5。
65.在一种具体的实施方式中，服务显示器6进一步用于，
66.使用最小二乘椭圆拟合算法对每一扫描层的三维点云数据进行椭圆拟合，计算出拟合椭圆中心；
67.使用最小二乘直线拟合算法对每一扫描层拟合的椭圆中心进行直线拟合，得到拟
合后的中轴线；
68.将拟合后的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定差值；
69.根据差值，计算出导弹的起飞漂移量参数。
70.可以理解，由于激光波束扫描面与导弹柱体不垂直，所以每一线扫描得到的点云坐标在理想状况下位于一个椭圆上故引入了最小二乘椭圆拟合算法以获得最好的椭圆拟合效果，减弱单个点测量所引入的误差。
71.具体最小二乘法椭圆拟合是较常用的椭圆拟合方法，其主要思想就是求解未知参数，使得理论值与观测值之差(即误差，或者说残差)的平方和达到最小：
[0072][0073]
观测值yi就是多组样本，理论值y就是欲拟合函数得值。目标是建立目标函数e，求取e最小时的待拟合函数或函数参数。
[0074]
所谓最小二乘，也可以叫做最小平方和，其目的就是通过最小化误差的平方和，使得拟合对象无限接近目标对象。也就是说，最小二乘法可以用于对函数的拟合。
[0075]
在二维平面坐标系中任意位置的一个椭圆，其中心坐标为(x0，y0)，半长轴a，半短轴b，长轴偏角为θ，方程通式为
[0076]
x2+axy+by2+cx+dy+e＝0
[0077]
在原始测得的n(n≥5)组数据(xi，yi)，(i＝1,2,3,
…
,n)中，根据椭圆方程通式和最小二乘法原理，求目标函数
[0078][0079]
的最小值来确定参数a、b、c、d和e。令f(a，b，c，d，e)对各个参数的偏导数均为零，得到以下方程组：
[0080][0081]
上式中各项，除a，b，c，d，e外都可从测量数据中计算得到，解以上线性方程组，最终可得椭圆方程参数，进而可得已拟合椭圆。
[0082][0083]
其中心坐标(x0，y0)，半长轴a，半短轴b，长轴偏角为θ。
[0084]
此拟合椭圆是位于一个激光扫描面内，结合对应扫描切面倾角，可解算出椭圆中心所对应得三维空间坐标。
[0085]
同样地，由每一多线激光雷达扫描面上的点拟合出的椭圆中心坐标可进一步通过最小二乘直线拟合算法拟合出导弹的中轴线。
[0086]
空间直线的标准方程为
[0087][0088]
从而化简得到
[0089][0090][0091][0092]
空间直线相当于上面2个方程表示的平面相交的直线，所以对直线进行拟合可以分别对这2个平面方程进行拟合。拟合方程所求得的近似值与实际值两者之差的平方和为:
[0093]
δx＝∑[x
i-(azi+b)]2[0094]
δy＝∑[y
i-(czi+d)]2[0095]
根据最小二乘法的基本原理，利用上面的式子对a，b，c，d求偏导并且令其偏导全部为零。
[0096][0097]
即
[0098][0099]
则可以求出a，b，c，d的值分别为：
[0100][0101][0102][0103][0104]
进而求出直线方程中的k1，k2，k3，即可获得导弹拟合中轴线。
[0105]
在一种具体的实施方式中，所述服务显示器(6)，在显示界面上设置有功能配置区、三维视窗区以及参数显示区，
[0106]
所述功能配置区，用于提供控制服务显示器(6)与所述多线激光雷达(4)的连接或断开、设定静止状态的中轴线、控制显示三维点云数据的显示范围、存储三维点云数据、离线读取三维点云数据以及预定扫描层的扫描时间的操作按钮；
[0107]
所述三维视窗区，用于通过放大、缩小、旋转显示窗口显示绘制的所述三维点云；
[0108]
所述参数显示区，用于实时显示发射阶段导弹拟合的中轴线与导弹在静止状态下的参考中轴线三维坐标方向的角度差和在预定扫描面上的横向起飞漂移量。
[0109]
其中，服务显示器的显示界面如图5所示，可以分为三个区域，分别为功能配置区1、三维视窗区2和参数显示区3。
[0110]
功能配置区1提供对软件的控制功能及装置参数的设置功能。可控制与多线激光雷达的连接与断开、可将某一时刻的中轴线设定为系统的参考中轴线、可控制三维视窗2要显示的点云的范围、可存储多线激光雷达数据与离线再读取，可预定要比对中轴线横向漂移量的扫描层线号等。
[0111]
三维视窗区2重绘线显示对多线激光雷达数据解析出的三维点云。并且可以放大缩小视窗，也可旋转观察视角。
[0112]
参数显示区3可实时显示起飞阶段导弹中轴线相对静止导弹参考中轴线在x，y，z方向的角度差和在预定扫描面上的横向漂移距离。
[0113]
实施例二
[0114]
如图6所示，本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量方法，使用实施例一所述的测量装置，所述测量方法包括：
[0115]
s1，获取在多种测量模式下，导弹发射阶段的三维点云数据；
[0116]
s2，根据所述三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心；
[0117]
s3，根据所述椭圆中心通过直线拟合算法拟合出导弹在发射阶段的中轴线；
[0118]
s4，将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，确定导弹的起飞漂移量。
[0119]
本发明提供的一种导弹中轴线提取及起飞漂移量的测量方法，通过获取在多种测量模式下，导弹发射阶段的三维点云数据；根据所述三维点云数据拟合每一扫描层的椭圆以及椭圆中心；根据所述椭圆中心拟合导弹在发射阶段的中轴线，提高中轴线的准确性，将拟合得到的中轴线与导弹在静止状态的参考中轴线进行对比，计算出导弹的起飞漂移量参数。
[0120]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。