基于炮口人工磁场的弹体滚转姿态测量技术*

2013-12-10郭庆伟

弹箭与制导学报 2013年2期

郭庆伟，高敏

(解放军军械工程学院，石家庄 050003)

0 引言

常规弹药的信息化过程中，弹道修正弹是其中的一个重要发展方向。弹道修正离不开弹体姿态的测量，只有获得了弹体姿态，才能判断实际飞行状态，确定修正量进行姿态控制，从而精确打击预定目标。文中从应用于试验测试的角度出发，提出利用炮口人工磁场进行弹体滚转姿态测量。

1 滚转姿态测量基本理论

应用地磁场测量弹体的滚转姿态是现在的研究热点，方法也很多，特别是利用地球磁场和弹上测量磁场分量建立转换关系，但是由于姿态方程中有3个未知量(滚转角、俯仰角、偏航角)，而关系方程只能提供两个不相关方程，因此必须和其它传感器结合，通常使用的是陀螺仪或加速度计辅助提供重力场感应分量，可测量解算出俯仰角或偏航角，进而可通过方程求解滚转角。但是，陀螺仪具有精度漂移、误差累计、抗冲击能力差等缺点导致精度下降，加速度计也存在算法复杂，安装误差大等缺点。应用自然矢量——地磁场的姿态测量得到广泛关注，下面重点研究如何利用磁阻传感器获得精确的滚转角而不使用其它传感器。

测量滚转角的一个关键点是确定起始基准点，也就是确定判定基准角，由于弹体的滚转是变周期的，但是在一个周期内(即旋转一周)转过的角度始终是360°，滚转角度的变化即角速度与弹体的旋转是一致的。弹体旋转一周，不论角速度大小，滚转角变化一个全周期，因此，如果在起始阶段确定了滚转角的基准角度，那么在飞行中对弹体进行修正阶段就能获得准确的滚转角度。

在前面分析的基础上，如图1所示，通过在炮口处加装人工磁场，通过弹体内的磁阻传感器来感应人工磁场，加载的人工磁场强度远远大于地磁场，在此处可以忽略地磁场，仅考虑人工磁场的作用;在该点利用关系表达式，求得在出炮口处时弹体的起始滚转角度，也就是滚转基准角。出炮口后，弹体上作用磁场只剩下地磁场，在起始滚转角基础上做滚转运动，当弹体处于稳定飞行阶段时，弹体转速基本保持不变，可看作是周期性运动，可以利用简单的函数关系确定每一时刻的角度。

图1 炮口人工磁场加装示意图

2 测量滚转角的工作原理

测量滚转角关键在于炮口滚转基准角度的获得，下面以某型火箭弹为例，详细阐述滚转角的测量工作原理过程。

2.1 基本假设

1)弹体为低速旋转;

2)弹丸始终在射击平面内飞行，偏离量极小;

3)地磁场在弹丸射程内不变，为均匀磁场;

4)人工磁场强度大小不随时间变化，至少短时间内不会发生大的变化;

5)弹体过炮口人工磁场时视为一点。

图2 弹体弹速和转速变化示意图

前五个假设可以基本确立，下面对第三个假设进行简单阐述。如图2所示，火箭弹出炮口的弹体速度不高，处于加速阶段，且转速也是处于增长阶段，两者的变化趋势几乎相同。设炮口处，弹速为50m/s，转速为5r/s，炮口软磁片可以做到非常的窄，宽度可达到20mm。因此，弹体磁阻传感器在通过人工磁场时，旋转的角度误差为:

ΔΦ =5r/s×360°/r×20mm ÷1000÷50 m/s=0.72°在不考虑周围磁场影响的前提下，ΔΦ变化非常的小，而且可以在弹速提高或软磁片宽度减小时会变得更小。因此，弹体通过炮口人工磁场可将其视为一点。

2.2 求解滚转基准角

定义滚转角Φ为磁阻传感器A轴线方向与人工磁场方向的夹角，即为与射击平面的夹角。由基本假设可知，将炮口人工磁场视为一点，则根据此点处磁阻传感器的测量数据与角度Φ0和场强 B0的关系可解得滚转基准角Φ0。

图3 炮口横截面方向磁场作用示意图

如图3所示，炮口横截面方向人工磁场强度为B0(取为地磁场100倍左右)，在射击平面内，与水平面垂直，此时弹体内磁阻传感器的测量值为Bn0。根据磁阻传感器测量原理，其值为人工磁场在其方向上的分量值，即:

根据其几何关系可知，

出炮口之后，由图2可知，弹速先增加然后减小并趋于稳定值，变化曲线如图4所示。

图4 磁阻传感器A的测量曲线变化

根据图4可知，在t1时刻，弹体出炮口，在此点可知为滚转基准角 Φ0。由于弹体的转速是变化的，则滚转角的变化也是变周期的，但相对于整个飞行时间，变化时间非常短，滚转角的调整周期也很快趋于稳定，趋于 Tn。

在实际测量过程中，用相邻的两个零点之间半个周期来计算整个周期，提高数据的更新速度，由于A和B是正交的，也就是滚转角始终相差90°，因而利用磁阻传感器A和B测量周期的均值提高实时性，从而有:

则有稳定阶段的任意时刻的滚转角计算值:

3 系统设计实现的总体方案

由基本工作原理，测量系统主要包括炮口人工磁场组件、弹体内部磁阻测量组件、数据处理组件和电源，以内部晶振为时钟基准。系统框图如图5所示。下面简单介绍炮口人工磁场部件、磁阻传感器、放大滤波电路、微处理器各个模块的要求。

图5 滚转角测量系统工作原理框图

炮口人工磁场组件可以选择市场上普遍采用的软磁片，由于软磁片的使用较为灵活，需要在考虑其磁场的强度大小、稳定性、经济性，以及在炮口上的使用性。地磁场强度一般为0.5～0.6Gs，因此强度可以选择50Gs左右，安装方向为沿炮口与射击面的交线对称。磁阻传感器的选择必须满足量程和灵敏度的要求。放大及滤波电路是必须的，因为地磁场产生的信号为微弱的电压信号，需要共模抑制比高、噪声低、失调电压低、稳定性好的弱信号放大器;根据设计需求，低速旋转下，可以进行简单的低通滤波，既可减轻处理器负担，又提高了测量精度。处理器的选择可以根据数据量的大小来确定，针对的是低速旋转的弹体，测量实时数据量不大，数据计算也非常简单，则可以选择DSP为核心，如TI公司的C6000系列。