基于計轉數(shù)分辨率的計轉數(shù)引信精確定距方法

柏 舸,智小軍,劉 杰,沈 波

(西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

計轉數(shù)技術是小口徑榴彈引信實現(xiàn)定距空炸的一項關鍵技術。國內(nèi)外計轉數(shù)技術研究主要以實現(xiàn)“精確定距起爆”為目標。其基本原理是對于飛行過程中旋轉穩(wěn)定且彈道平直的彈丸,由于發(fā)射時膛線導程的持續(xù)作用,彈丸在彈道上每轉過一圈,就會沿速度方向前進一段距離,此距離值為一確定值;飛行經(jīng)過一定距離時,對應彈丸旋轉一定的轉數(shù),而與炮口速度無關,所以可以通過計彈丸的轉數(shù)來控制彈丸定距起爆,從而避免一般定時起爆由于炮口初速變化、計時誤差等產(chǎn)生的不利影響。小口徑彈引信中計轉數(shù)的常用方法有三種:離心法、繞心運動法和地磁法[1]。用離心計轉數(shù)法和繞心運動計轉數(shù)法進行測量需要分別采用壓阻式應變傳感器和加速度傳感器[2],由于它們復雜度、功耗和成本較高,不適合在小口徑榴彈引信上使用。地磁法具有無源測量、信號較強、易于處理的優(yōu)點,特別適合在小口徑上應用[3]。因此,采用地磁法實現(xiàn)計轉數(shù)定距較為普遍,它利用彈丸在空中旋轉飛行,彈上的地磁傳感器切割磁力線產(chǎn)生周期變化的感應電動勢來工作[4]。此時,引信的計轉數(shù)精度最小劃分為地磁傳感器產(chǎn)生的一個周期(即1轉),受彈丸開始旋轉與磁傳感器工作起點不同步的影響,計轉數(shù)精度至少存在1轉的誤差。實際使用中引信的計轉數(shù)定距精度為±1轉,可能會造成彈丸的炸點散布較大,從而不能滿足定距精度的要求。

因此,針對引信計轉數(shù)精度不易提升而影響彈丸炸點控制的問題,本文提出一種基于計轉數(shù)分辨率的計轉數(shù)引信精確定距方法,該方法可以改善引信計轉數(shù)定距精度。

1 計轉數(shù)引信定距原理

1.1 地磁法計轉數(shù)引信計數(shù)原理

依據(jù)地磁法設計的地磁計轉數(shù)引信是利用彈丸在空中旋轉飛行,彈上的地磁傳感器切割磁力線產(chǎn)生周期變化的感應電動勢,即變化的電壓信號[4]進行定距。由于彈丸在空中的飛行姿態(tài)較為穩(wěn)定,地磁傳感器輸出的電壓信號近似為正弦波,通過對輸出信號的放大、整形處理,將其轉化為一組脈沖信號作為引信的計數(shù)基準,通過對脈沖信號的計數(shù),就可以實現(xiàn)轉數(shù)的計數(shù)。

1.2 計轉數(shù)引信炸點散布分析

影響計轉數(shù)定距彈藥炸點精度的因素可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差主要包括射角、環(huán)境溫度、風力風向、火控系統(tǒng)測量和計算誤差、裝定裝置轉換信號產(chǎn)生的誤差、引信電路起始工作點等。產(chǎn)生的隨機誤差因素有彈丸質(zhì)心、章動角變化、初速跳動、計轉數(shù)器的計數(shù)精度等。在計轉數(shù)定距彈研制中,應把重點放在減少隨機誤差、控制產(chǎn)生影響炸點散布的隨機誤差源上[5]。針對隨機誤差源對計轉數(shù)定距精度影響已經(jīng)有多篇文章從計算、數(shù)值仿真到實驗驗證得出了射角、初速和質(zhì)量對計轉數(shù)定距彈藥的炸點精度影響較小[6]。因此,在彈丸質(zhì)心不變的前提下,改善引信自身的誤差就可以提高引信對彈丸炸點的控制。這里引信自身誤差包括計數(shù)起點誤差、計數(shù)精度誤差、爆炸序列誤差以及裝定誤差[7]。

1) 計數(shù)起點誤差

在發(fā)射起始階段,主要引入的是計數(shù)起點誤差。對裝有快激活電源的引信來說,彈丸發(fā)射時,電源激活膛內(nèi)開始給引信電路供電,引信接收到裝定信息后,以此為計數(shù)起點啟動計數(shù),這個過程帶來的誤差就由電源激活和接收裝定信息兩個動作引入。電源激活時間在1 ms內(nèi)完成,整個裝定過程的耗時為1 ms,因此引信的計數(shù)電路延時10 ms后才開始計轉數(shù)工作,將這10 ms的誤差作為系統(tǒng)誤差放到火控中修正,盡可能地消除計數(shù)起點誤差的影響。

2) 爆炸序列誤差

此誤差主要是指爆炸序列點火傳爆過程需要的延遲時間,一般爆炸序列傳爆延遲都非常小,對炸點誤差的影響極小,可忽略不計。

3) 計數(shù)精度誤差

此誤差表現(xiàn)為計數(shù)誤差,貫穿于全過程。地磁傳感器決定著計數(shù)器的穩(wěn)定性和精度,它必須能夠承受高過載、高沖擊的彈丸發(fā)射環(huán)境,而且能夠保證轉數(shù)準確而穩(wěn)定地輸出,不能出現(xiàn)漏轉的現(xiàn)象。但受地磁傳感器自身工作原理、尺寸和功耗的影響,目前計轉數(shù)的最小劃分計數(shù)為1轉,那么引信空炸精度至少都要1轉,這樣誤差可能會影響到彈丸炸點精度。因此,在不增加電路功耗和硬件成本的前提下,實現(xiàn)更小劃分地計數(shù)就成為提高引信計轉數(shù)精度的核心問題。

2 基于計轉數(shù)分辨率的定距方法

引信通常是通過地磁傳感器、磁阻芯片等識別彈丸旋轉的轉數(shù),這類傳感器都是將地磁場信號轉變成一個電信號作為引信計數(shù)器的計數(shù)時鐘,信號的分辨率直接影響計數(shù)精度。為提高計轉數(shù)引信的定距精度,提出了一種基于計轉數(shù)分辨率的引信定距方法,該方法在不需要增加硬件復雜度的前提下,通過改變引信計轉數(shù)分辨率,進而提高計轉數(shù)定距的精度。

2.1 計轉數(shù)分辨率

計轉數(shù)分辨率可以解釋為在時域圖橫坐標上的最小計數(shù)間隔,其大小代表著對模擬信號采樣后得到的離散信號中點的密集程度,數(shù)學公式為Ts=1/Fs,點越密集,信號的分辨率越高。如果把彈丸在空中旋轉一圈地磁傳感器輸出的一個正弦信號看作一個點,那么這時的計轉數(shù)分辨率就為1轉,引信計數(shù)電路的最小計數(shù)單位為1轉。如果可以將1轉分割成若干份,那么時域內(nèi)的計轉數(shù)分辨率也就得到了提高。

2.2 方法的基本原理

基于計轉數(shù)分辨率的計轉數(shù)引信精確定距方法需要預先設定引信的計轉數(shù)計數(shù)劃分為1/N,火控根據(jù)目標距離、導程和計數(shù)劃分等要求對數(shù)據(jù)進行處理,將信息轉化為裝定數(shù)據(jù)A發(fā)送給裝定器(A為N的整數(shù)倍);裝定器對引信裝定數(shù)值為A-N,彈丸發(fā)射后,引信彈旋信號處理電路對轉數(shù)信號進行識別,并記錄第1轉所用的時間tn;以第2轉為起始時刻,彈丸旋轉第n圈時彈旋信號處理電路以彈丸旋轉第n-1圈所記錄的時間tn-1替代tn為基準(n>1),根據(jù)計轉數(shù)分辨率劃分為1/N轉的要求,設置定時器時間為tn-1/N,每tn-1/N時間輸出1個方波信號給計轉數(shù)電路,計轉數(shù)電路接收到A-N個方波信號時,執(zhí)行級電路輸出起爆信號,實現(xiàn)了計轉數(shù)分辨率為1/N。方法的工作流程見圖1。

圖1 基于計轉數(shù)分辨率的計轉數(shù)引信精確定距方法流程圖

用具體實例對本文方法的實現(xiàn)過程做進一步說明,如圖2所示。設彈丸飛行到目標距離需要100轉,引信電路的計轉數(shù)分辨率為1/8,火控轉化出的裝定數(shù)據(jù)為800,裝定器對引信裝定數(shù)值就為800-8=792,彈丸發(fā)射后,彈旋信號識別電路對彈丸旋轉信號進行實時監(jiān)測,記錄彈丸旋轉一圈所用的時間tn;以彈丸旋轉第2轉的起始時刻開始,彈丸旋轉第n圈時彈旋信號處理電路以彈丸旋轉第n-1圈所記錄的時間tn-1替代tn為基準,由于計轉數(shù)劃分為1/8,處理電路的定時器時間設定為tn-1/8,每tn-1/8時間輸出1個方波信號給計轉數(shù)電路;計轉數(shù)電路接收到792個方波信號時,此時彈丸剛好旋轉了100轉,電路輸出起爆信號,實現(xiàn)了計轉數(shù)精度劃分為1/8轉的要求。

圖2 1/8計轉數(shù)分辨率實例示意圖

3 驗證

3.1 實驗室驗證

在實驗室對本文方法進行兩方面的有效性驗證,首先在一發(fā)引信電路上采用同一計轉數(shù)分辨率,驗證不同轉數(shù)值下的計數(shù)正確性;其次對一發(fā)引信電路裝定相同轉數(shù)值,改變其計轉數(shù)分辨率,驗證分辨率變化對引信計轉數(shù)精度的影響。

實驗平臺按照文獻[8]中的方法進行搭建。在轉速為12 000 r/min情況下,引信電路計轉數(shù)分辨率設置為1/10,將不同的轉數(shù)值轉換為相應的裝定數(shù)值,對引信電路進行裝定計數(shù)正確性測試,結果見表1。

表1 計數(shù)正確性實驗結果

由表1測試結果看,輸出的裝定數(shù)值與實際裝定數(shù)值之間存在1個數(shù)值誤差,這個誤差是由于測試系統(tǒng)內(nèi)信號起點不同步造成的,對電路的計轉數(shù)正確性不會產(chǎn)生影響。

再將轉數(shù)固定為400 r,改變引信電路內(nèi)部的計轉數(shù)分辨率,其他實驗條件不變,觀察電路計轉數(shù)精度的變化,測試結果見表2。

表2 不同分辨率下實測裝定數(shù)值實驗結果

表2中記錄了當引信電路計轉數(shù)分辨率為1、1/2、1/5、1/10時讀出的裝定數(shù)值,對每種分辨率下的電路進行10次測試。這里利用式(1)和式(2),求取讀出的裝定數(shù)值精度,分析每組數(shù)據(jù)的精度變化。

(1)

(2)

將所得裝定數(shù)值平均誤差乘以計轉數(shù)分辨率得到計轉數(shù)均值誤差,計算結果如表3所示。

表3 不同分辨率下計轉數(shù)誤差統(tǒng)計表

由表3數(shù)據(jù)結果看,隨著計轉數(shù)分辨率的提高,計轉數(shù)均值誤差越來越小,引信電路的計轉數(shù)精度越高。

3.2 動態(tài)試驗驗證

將本文方法應用到榴彈引信上進行靶場動態(tài)試驗驗證。試驗采用對比法,分兩種狀態(tài)進行-本文方法的有效性驗證。第一組狀態(tài)是保持原計轉數(shù)分辨率1 轉不變,第二組狀態(tài)是將計轉數(shù)分辨率設置為1/10,每組各采集有效數(shù)據(jù)10發(fā)。裝定目標距離為800 m,在預定距離前后間隔1 m樹立若干標桿,架設高速錄像,當彈丸飛到預定距離時空炸,記錄空炸距離。

發(fā)射器射角確定為86密位,正式試驗開始前,對兩組試驗彈的裝定數(shù)據(jù)進行標定,確定第一組裝定數(shù)據(jù)為830,第二組裝定數(shù)據(jù)為8 290,試驗結果見表4。

表4 空炸距離精度試驗結果

4 結論

本文從計轉數(shù)引信自身出發(fā),分析得出引信計轉數(shù)精度不高可影響炸點精度,進而提出一種基于計轉數(shù)分辨率的計轉數(shù)引信精確定距方法,該方法在不增加地磁傳感器復雜度的前提下,通過改變計轉數(shù)分辨率,結合遞推法擬合出引信的計數(shù)脈沖。采用計轉數(shù)引信測試系統(tǒng)進行驗證,分析得出提高計轉數(shù)分辨率可以提升引信的計轉數(shù)精度,同時計數(shù)準確度不受影響。動態(tài)試驗驗證結果表明,該方法提高了引信的計轉數(shù)精度,進而提高了彈丸精確打擊能力。