基于地磁/加速度计的低成本弹道探测技术

胡联贵, 冉秀忠, 李 娜

(中国兵器工业第59研究所, 重庆 400039)

0 引言

众所周知,弹道探测技术在修正与制导类弹药的设计中具有非常重要的作用。主要的探测技术如下:

1)卫星定位技术可全天候实时输出位置、速度信息,但依赖于外部信息,易受干扰。

2)惯性导航技术不依赖外部信息,自主性高,抗干扰能力强,但误差随时间积累,且在身管武器的应用中初始对准技术比较困难[1-2]。

文中提出了一种新的基于地磁/加速度计的弹道探测技术。该技术采用地磁传感器在弹丸旋转过程中切割磁力线所产生的感应电动势,计算出弹丸在炮口处的角速度,通过角速度与速度的对应关系得到初速,将初速作为加速度计解算的初始值,实时解算出速度、位置等信息。该技术不仅成本低、自主性高,抗干扰能力强,而且在空中自动完成初始对准,为加速度计等惯性器件在身管武器的应用提供新思路。

1 基于地磁/加速度计的探测原理

1.1 地磁测初速

通过地磁传感器在弹丸旋转过程中切割磁力线所产生的感应电动势,计算出弹丸在炮口处的角速度,通过角速度与速度的对应关系得到初速。

弹丸旋转时,地磁传感器切割磁力线,产生周期性感应电动势E,如式(1):

E=-NSμHsin(ωt)·ω

(1)

式中:N为线圈匝数;S为线圈面积;μ为线圈芯子磁导率;H为磁场强度;ω为线圈转动时的角速度;t为时间。通过式(1),根据感应电动势反算出弹丸角速度。

根据弹丸角速度,可以反算出弹丸在炮口处的速度值ν0,如式(2):

(2)

式中:ω0为弹丸在炮口的转动角速度;γg为膛线的缠角;D为弹丸口径。通过式(2)可知,在弹丸口径和火炮型号已知的情况下,炮口处的转动角速度与速度存在一一对应关系,即通过角速度值查表可得到初速[2-3]。

1.2 初速提供加速度解算初值

在解算速度、位置等信息时,加速度计需知道当前的初始值方可完成递推运算。当地磁传感器与加速度计安装方向一致时,地磁探测的初速即可作为加速度计解算的初始值。基于地磁/加速度计的弹道探测示意图如图1。

地磁传感器与加速度计的安装示意图如图2所示。在地磁传感器和加速度计安装方向一致的情况下,地磁探测的初速即可作为加速度计解算的初始值。即使存在安装偏差,亦可通过误差系数进行修正,以满足精度要求。

1.3 加速度计测速度

根据牛顿第二定律,由地磁传感器测得的初速作为加速度解算的初始值,可计算当前的速度信息,如式(3):

(3)

根据式(4),由加速度计测得的加速度值解算下一时刻的速度信息。

(4)

同理,可得到当前时刻及下一时刻的位置信息。

2 基于地磁/加速度计的探测系统设计

2.1 系统框图

基于地磁/加速度计的探测系统框图如图3所示。在地磁传感器和加速度计的信号经过放大、滤波、A/D转换送至DSP处理器。DSP处理器通过对地磁信号的处理得到初速,然后将初速作为加速度的初始值解算出当前的速度、位置信息[4-5]。

2.2 软件流程

基于地磁/加速度计的探测系统软件流程如图4所示。系统上电,通过地磁传感器产生的感应电动势计算得到角速度,由角速度与速度的对应关系得到初速,将初速作为加速度计解算的初始值,计算出当前时刻的速度、位置信息[6]。

3 实际应用与仿真

以某次地磁搭载为例,通过对回收记录仪读取地磁原始数据,将上述数据代入基于地磁/加速度计的数学模型进行计算,得到对应的转速。由式(2)计算可得到初速,将初速代入式(3)可得下一刻速度值,与靶场数据及记录仪数据进行比对,得到相应差值,仿真结果见表1。

表1 仿真数据与试验数据比对

通过表1可知,将搭载数据代入数学模型进行仿真,转速的实测值与计算值的差值为-0.35 r/s,初速的实测值与计算值的差值为0.37 m/s,速度的实测值与计算值的差值为0.33 m/s。通过仿真结果与试验数据进行对比可知,计算值与实际值偏差较小,基于地磁/加速度计的数学模型较为准确。

4 结论

文中提出了一种新的基于地磁/加速度计的弹道探测方法,并运用试验数据进行了仿真分析,证明了该技术的可行性。基于地磁/加速度计的弹道探测技术采用地磁传感器计算弹丸角速度,通过角速度与速度的对应关系得到初速,将初速作为加速度计解算速度的初始值得到当前时刻的速度、位置等信息。该技术不仅成本低、自主性高,抗干扰能力强,而且在空中自动完成初始对准,易于工程实践。

参考文献:

[1] 文云, 辛长范, 陈铭, 等. 基于地磁与角速度传感器的弹体姿态测量方法研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(5): 22-24.

[2] 张慧, 曹咏弘, 马铁华, 等. 基于线圈式地磁传感器的高速旋转弹转速测试 [J]. 战术导弹技术, 2009(4): 64-67.

[3] 杨青, 李利锋, 范锦彪, 等. 地磁传感器在弹载测试系统中的应用 [J]. 传感器与微系统, 2009, 28(10): 108-109.

[4] 周莹莹, 张延顺, 郭雷. 地磁/惯性组合导航系统半物理仿真研究 [J]. 控制工程, 2011, 18(增刊): 15-17.

[5] 常树茂, 王利, 弓楠. 基于地磁传感器的弹丸转数测试 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 3(5): 200-201.

[6] 吕清利, 高旭东, 王晓鸣, 等. 基于地磁测量的弹丸滚转角实时解算研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(3): 29-30.