基于炮口人工磁場(chǎng)的彈體滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)*

郭慶偉，高 敏

(解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

0 引言

常規(guī)彈藥的信息化過(guò)程中，彈道修正彈是其中的一個(gè)重要發(fā)展方向。彈道修正離不開(kāi)彈體姿態(tài)的測(cè)量，只有獲得了彈體姿態(tài)，才能判斷實(shí)際飛行狀態(tài)，確定修正量進(jìn)行姿態(tài)控制，從而精確打擊預(yù)定目標(biāo)。文中從應(yīng)用于試驗(yàn)測(cè)試的角度出發(fā)，提出利用炮口人工磁場(chǎng)進(jìn)行彈體滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量。

1 滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量基本理論

應(yīng)用地磁場(chǎng)測(cè)量彈體的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，方法也很多，特別是利用地球磁場(chǎng)和彈上測(cè)量磁場(chǎng)分量建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，但是由于姿態(tài)方程中有3個(gè)未知量(滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角)，而關(guān)系方程只能提供兩個(gè)不相關(guān)方程，因此必須和其它傳感器結(jié)合，通常使用的是陀螺儀或加速度計(jì)輔助提供重力場(chǎng)感應(yīng)分量，可測(cè)量解算出俯仰角或偏航角，進(jìn)而可通過(guò)方程求解滾轉(zhuǎn)角。但是，陀螺儀具有精度漂移、誤差累計(jì)、抗沖擊能力差等缺點(diǎn)導(dǎo)致精度下降，加速度計(jì)也存在算法復(fù)雜，安裝誤差大等缺點(diǎn)。應(yīng)用自然矢量——地磁場(chǎng)的姿態(tài)測(cè)量得到廣泛關(guān)注，下面重點(diǎn)研究如何利用磁阻傳感器獲得精確的滾轉(zhuǎn)角而不使用其它傳感器。

測(cè)量滾轉(zhuǎn)角的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是確定起始基準(zhǔn)點(diǎn)，也就是確定判定基準(zhǔn)角，由于彈體的滾轉(zhuǎn)是變周期的，但是在一個(gè)周期內(nèi)(即旋轉(zhuǎn)一周)轉(zhuǎn)過(guò)的角度始終是360°，滾轉(zhuǎn)角度的變化即角速度與彈體的旋轉(zhuǎn)是一致的。彈體旋轉(zhuǎn)一周，不論角速度大小，滾轉(zhuǎn)角變化一個(gè)全周期，因此，如果在起始階段確定了滾轉(zhuǎn)角的基準(zhǔn)角度，那么在飛行中對(duì)彈體進(jìn)行修正階段就能獲得準(zhǔn)確的滾轉(zhuǎn)角度。

在前面分析的基礎(chǔ)上，如圖1所示，通過(guò)在炮口處加裝人工磁場(chǎng)，通過(guò)彈體內(nèi)的磁阻傳感器來(lái)感應(yīng)人工磁場(chǎng)，加載的人工磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地磁場(chǎng)，在此處可以忽略地磁場(chǎng)，僅考慮人工磁場(chǎng)的作用;在該點(diǎn)利用關(guān)系表達(dá)式，求得在出炮口處時(shí)彈體的起始滾轉(zhuǎn)角度，也就是滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角。出炮口后，彈體上作用磁場(chǎng)只剩下地磁場(chǎng)，在起始滾轉(zhuǎn)角基礎(chǔ)上做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈體處于穩(wěn)定飛行階段時(shí)，彈體轉(zhuǎn)速基本保持不變，可看作是周期性運(yùn)動(dòng)，可以利用簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系確定每一時(shí)刻的角度。

圖1 炮口人工磁場(chǎng)加裝示意圖

2 測(cè)量滾轉(zhuǎn)角的工作原理

測(cè)量滾轉(zhuǎn)角關(guān)鍵在于炮口滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角度的獲得，下面以某型火箭彈為例，詳細(xì)闡述滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量工作原理過(guò)程。

2.1 基本假設(shè)

1)彈體為低速旋轉(zhuǎn);

2)彈丸始終在射擊平面內(nèi)飛行，偏離量極小;

3)地磁場(chǎng)在彈丸射程內(nèi)不變，為均勻磁場(chǎng);

4)人工磁場(chǎng)強(qiáng)度大小不隨時(shí)間變化，至少短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化;

5)彈體過(guò)炮口人工磁場(chǎng)時(shí)視為一點(diǎn)。

圖2 彈體彈速和轉(zhuǎn)速變化示意圖

前五個(gè)假設(shè)可以基本確立，下面對(duì)第三個(gè)假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。如圖2所示，火箭彈出炮口的彈體速度不高，處于加速階段，且轉(zhuǎn)速也是處于增長(zhǎng)階段，兩者的變化趨勢(shì)幾乎相同。設(shè)炮口處，彈速為50m/s，轉(zhuǎn)速為5r/s，炮口軟磁片可以做到非常的窄，寬度可達(dá)到20mm。因此，彈體磁阻傳感器在通過(guò)人工磁場(chǎng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的角度誤差為:

ΔΦ =5r/s×360°/r×20mm ÷1000÷50 m/s=0.72°在不考慮周圍磁場(chǎng)影響的前提下，ΔΦ變化非常的小，而且可以在彈速提高或軟磁片寬度減小時(shí)會(huì)變得更小。因此，彈體通過(guò)炮口人工磁場(chǎng)可將其視為一點(diǎn)。

2.2 求解滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角

定義滾轉(zhuǎn)角Φ為磁阻傳感器A軸線方向與人工磁場(chǎng)方向的夾角，即為與射擊平面的夾角。由基本假設(shè)可知，將炮口人工磁場(chǎng)視為一點(diǎn)，則根據(jù)此點(diǎn)處磁阻傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)與角度Φ0和場(chǎng)強(qiáng) B0的關(guān)系可解得滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角Φ0。

圖3 炮口橫截面方向磁場(chǎng)作用示意圖

如圖3所示，炮口橫截面方向人工磁場(chǎng)強(qiáng)度為B0(取為地磁場(chǎng)100倍左右)，在射擊平面內(nèi)，與水平面垂直，此時(shí)彈體內(nèi)磁阻傳感器的測(cè)量值為Bn0。根據(jù)磁阻傳感器測(cè)量原理，其值為人工磁場(chǎng)在其方向上的分量值，即:

根據(jù)其幾何關(guān)系可知，

出炮口之后，由圖2可知，彈速先增加然后減小并趨于穩(wěn)定值，變化曲線如圖4所示。

圖4 磁阻傳感器A的測(cè)量曲線變化

根據(jù)圖4可知，在t1時(shí)刻，彈體出炮口，在此點(diǎn)可知為滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角 Φ0。由于彈體的轉(zhuǎn)速是變化的，則滾轉(zhuǎn)角的變化也是變周期的，但相對(duì)于整個(gè)飛行時(shí)間，變化時(shí)間非常短，滾轉(zhuǎn)角的調(diào)整周期也很快趨于穩(wěn)定，趨于 Tn。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，用相鄰的兩個(gè)零點(diǎn)之間半個(gè)周期來(lái)計(jì)算整個(gè)周期，提高數(shù)據(jù)的更新速度，由于A和B是正交的，也就是滾轉(zhuǎn)角始終相差90°，因而利用磁阻傳感器A和B測(cè)量周期的均值提高實(shí)時(shí)性，從而有:

則有穩(wěn)定階段的任意時(shí)刻的滾轉(zhuǎn)角計(jì)算值:

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的總體方案

由基本工作原理，測(cè)量系統(tǒng)主要包括炮口人工磁場(chǎng)組件、彈體內(nèi)部磁阻測(cè)量組件、數(shù)據(jù)處理組件和電源，以內(nèi)部晶振為時(shí)鐘基準(zhǔn)。系統(tǒng)框圖如圖5所示。下面簡(jiǎn)單介紹炮口人工磁場(chǎng)部件、磁阻傳感器、放大濾波電路、微處理器各個(gè)模塊的要求。

圖5 滾轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)工作原理框圖

炮口人工磁場(chǎng)組件可以選擇市場(chǎng)上普遍采用的軟磁片，由于軟磁片的使用較為靈活，需要在考慮其磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，以及在炮口上的使用性。地磁場(chǎng)強(qiáng)度一般為0.5～0.6Gs，因此強(qiáng)度可以選擇50Gs左右，安裝方向?yàn)檠嘏诳谂c射擊面的交線對(duì)稱。磁阻傳感器的選擇必須滿足量程和靈敏度的要求。放大及濾波電路是必須的，因?yàn)榈卮艌?chǎng)產(chǎn)生的信號(hào)為微弱的電壓信號(hào)，需要共模抑制比高、噪聲低、失調(diào)電壓低、穩(wěn)定性好的弱信號(hào)放大器;根據(jù)設(shè)計(jì)需求，低速旋轉(zhuǎn)下，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的低通濾波，既可減輕處理器負(fù)擔(dān)，又提高了測(cè)量精度。處理器的選擇可以根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小來(lái)確定，針對(duì)的是低速旋轉(zhuǎn)的彈體，測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)計(jì)算也非常簡(jiǎn)單，則可以選擇DSP為核心，如TI公司的C6000系列。

4 結(jié)論

采用加裝炮口人工磁場(chǎng)的方式，為彈體滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量提供基準(zhǔn)角，方法簡(jiǎn)單易行，且數(shù)據(jù)處理計(jì)算量小，適用于試驗(yàn)測(cè)試中的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量。但是此方法適用于低速旋轉(zhuǎn)的彈體，高轉(zhuǎn)速下假設(shè)條件會(huì)打破，誤差會(huì)加大。此外，在進(jìn)行原理的討論時(shí)，沒(méi)有進(jìn)行誤差的分析和補(bǔ)償以及具體的試驗(yàn)研究，這將是下一步重點(diǎn)研究和需要解決的問(wèn)題。

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