旋转制导弹药姿态测试技术研究现状分析

高丽珍,张晓明,李 杰

(1.中北大学 电气与控制工程学院， 太原 030051; 2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 太原 030051)

现代战争要求进攻武器向信息化、智能化转变，必须具备精确远程打击能力和快速机动反应能力。而目前我军广泛装备的各类炮弹、榴弹、迫击弹等常规弹药难以满足上述作战要求。因此，弹药的制导化、信息化改造是常规弹药发展的必然趋势，也是当今世界精确制导武器发展的重要方向。

常规弹药制导化改造主要是通过弹体姿态控制来间接实现其质心外弹道轨迹的控制。单通道控制方案具有弹上控制设备少、控制系统简单的突出优点，使其成为常规弹药的制导化改造中首选控制方案[1-2]。单通道控制是在弹体轴向自旋稳定飞行过程中，仅采用一个控制通道控制执行舵面在两个极限位置间交替偏转，实现对弹体偏航、俯仰控制，使弹体沿着期望制导弹道飞行。但弹体自旋带来的马格努斯效应使得弹体俯仰通道和偏航通道间的运动状态相互耦合，必须实时准确测量弹体姿态(尤其是滚转角)，才能实现俯仰和偏航两通道的解耦控制。因此，旋转弹药制导化改造过程中，弹体飞行姿态尤其是滚转角参数的实时准确获取是弹药实现精确制导控制的前提条件。

1 旋转制导弹药姿态测试技术瓶颈

1.1 旋转弹药测试环境分析

旋转弹药飞行过程中所经历的恶劣弹载环境对弹载姿态测试系统带来严重的考验[3-4]。发射高过载下姿态测试系统性能难以保证。常规弹药发射瞬间火药在炮膛内高速燃烧产生高压气体，推动弹体在数十毫秒瞬间内达到每秒数百米的高发射初速。这一阶段弹载设备承受高达上千g甚至上万g的高发射过载，要求弹载姿态测试系统在高过载环境下不损坏且性能稳定可靠。弹载姿态测试系统，尤其是测量传感器经历高发射过载后会出现不同程度的性能退化，甚至损坏。高动态测试环境对姿态测试系统的实时性带来巨大挑战。制导弹药弹体飞行速度高达2～3Ma，滚转角速度变化在数千(°)/s到上万(°)/s范围变化，偏航及俯仰角速率变化可达数十(°)/s。弹体的姿态、位置及速度等运动参数快速变化，要求弹载姿态测试系统在外弹道飞行中以高数据更新率实时、准确、可靠输出姿态信息，为弹体控制系统提供实时准确的测量数据。弹体轴向高旋、径向微旋的特殊姿态运动造成三维角速度矢量的跨量程测量难题。旋转弹药采用轴向高旋的陀螺力矩来保证弹体飞行稳定，轴向角速度变化范围可达每秒上万度，但全弹道飞行中俯仰角变化范围仅为数十度，偏航角变化范围更小。因此，三轴角速度的变化范围相差悬殊，单一姿态传感器难以满足制导控制中三维姿态测量的精度一致条件。

1.2 弹载姿态测试方案分析

受旋转弹药的发射高过载、外弹道高动态和轴向高旋等恶劣应用环境的限制，可选用于弹载姿态测量系统较少，主要有微惯性导航系统、地磁测姿系统、太阳敏感测姿系统和卫星导航系统等。然而上述姿态测试系统在实际工程应用中存在应用环境受限、测量精度低、三维姿态信息不全等不足。微惯性测量系统尽管可以提供全部姿态参数，但其在弹载导航应用时存在初始姿态参数获取困难、MEMS惯性器件发射高过载后产生性能退化、导航误差随时间累积等技术瓶颈；地磁测姿系统是建立在外弹道飞行弹体偏航角为零的假设基础上，通过实时测量弹体坐标系中地磁场矢量来实现旋转弹药姿态解算，具有抗高过载性能好、误差不随时间积累、成本低等优点，但测量中容易受到弹体磁场干扰、偏航角机动等影响，姿态测量精度较低。太阳敏感测姿系统每个旋转周期仅能提供一组姿态数据，无法满足姿态实时性测量要求，且不能全天时、全天候工作。卫星导航系统提供导航信息不存在误差累积等缺陷，但在弹体出炮膛后高动态运动环境中需要经历较长时间的卫星信号捕获、跟踪，才能输出导航数据，且存在数据更新率低、天线安装困难、无姿态信息等问题。因此单一姿态测量手段无法满足旋转弹药实时可靠准确的姿态测量需求。MEMS陀螺测姿具有短时精度高但姿态误差积累的特点，而地磁测姿误差不随时间积累但定姿精度低。采用地磁/陀螺测量信息融合测姿将二者信息优势互补，可以有效提高弹体测姿精度和系统可靠性。基于MEMS陀螺/地磁信息的组合姿态测量方案具有抗高过载、姿态更新率高、自主、体积小、成本低、安装方便等优势，成为旋转弹药制导化中姿态测试的主要方案之一。

2 国内外研究现状分析

2.1 弹体姿态测量技术发展现状

世界科技与军事强国近20年来一直都致力于推进炮弹、枪弹和火箭弹等常规弹药的制导化改造，并不断研制高性能的智能化弹药。弹体飞行姿态参数的准确测量是保证智能弹药研制的关键技术。由于恶劣测试应用环境，该技术也是制约各类常规弹药的制导化改造进程的瓶颈。随着弹药制导化的打击精确要求的升级，单一姿态测试系统已无法继续满足高精度姿态测量要求，需要采用多传感器组合测量技术来实现弹体姿态全程全参数高精度测量。

惯性测量技术是自主式测量技术，能够实时输出弹体三维姿态信息，是目前制导武器使用最为普遍的姿态测试方法。利用陀螺测量所得弹体角速率信息进行三维姿态解算，陀螺测量精度很大程度决定了姿态解算精度。随着MEMS技术的发展，微机械惯性传感器具有抗过载性能好、小体积和成本低等优点，成为常规弹药制导化改造中的姿态测试传感器的首选[5-6]。以美国为首的西方国家在MEMS陀螺及导航测试系统技术方面处于世界领先的位置，所研制的部分MEMS惯性器件能够承受火炮发射时所产生的极高过载。美国 Draper 实验室、JPL、Honeywell、ATK公司以及一些著名研究中心等在低成本微型惯性与组合测量技术等方面取得成效卓著成果，测试系统向中高精度、组合导航测试方向发展。美国IEC公司研制的MEMS微惯性测量系统2001年在155 mm火炮发射中得到成功应用，图1所示为美国IEC公司研制的MIMU；美国ATK公司研制的精确制导测量组件是这种基于MEMS传感器的弹体姿态测量技术的杰出代表，图2所示为美国“ATK”的精确制导测量组件，2009年首批列装2万套、单价为3 000美元。

地磁姿态测量方法是通过实时测量弹体坐标系中的地磁场信息来确定弹体姿态信息，具有自主式测量、隐蔽性好且误差不随时间积累等优点。近几年在常规弹药姿态测量中重新受到各国重视。磁阻传感器具有全固态结构、体积小、功耗低、抗冲击能力强的特点适用于常规弹药姿态测量[7-8]。美国Honeywell公司的磁阻传感器(AMR)是代表目前业界的最高水平。国外已经将磁阻传感器应用于制导弹药的姿态测量系统中。法国正在发展一种采用地磁场姿态测量系统的新型灵巧弹药，并进行了磁测姿态滤波器原理样机的炮弹发射试验，验证了捷联地磁传感器用于弹药测姿的可行性，且测量也相当精确[9]，法国智能弹药磁测姿态试验如图3所示。

瑞士与德国联合研制的用于火箭弹弹道修正的“CORECT”组合测量模块，该测量模块由地磁传感器和GPS组成，利用弹载磁场传感器测量所得的地磁场信息计算弹丸滚转姿态，由内部集成的GPS完成弹体速度和位置测量，该测量模块已在多管火箭系统得到成功应用，并于2009年开始批量生产[10]。

近20年来，国内在常规弹药制导化改造取得不少成就。在2004年珠海航展上首次亮相的“WS-2” 制导火箭弹，是目前口径最大，射程最远的火箭炮，最大射程可达480 km，采用了基于惯性和卫星组合姿态测量技术，射击准确度小于3‰。

2.2 弹载地磁/陀螺测量标定技术现状

弹载地磁场信息及弹体角速度信息的准确获取是实现旋转弹药姿态高精度测量的前提，但由于制造、安装、信号处理以及弹载恶劣的应用环境等因素的影响，地磁/MEMS陀螺传感器测量会引起多种形式的误差。为提高传感器的测量精度，通常在发射前利用高精度的标定设备对传感器进行校准，以获取传感器的零偏、标度因数误差和交叉耦合误差等相关误差补偿参数。

MEMS陀螺、加速度计惯性传感器大多借助于高精度转台对其进行参数标定校准工作。高精度转台标定方法不适用于对安装于载体上的惯导器件进行现场快速标定。国内外近年来开展了基于外界辅助信息的惯性导航系统参数的在线标定方法。高伟提出一种基于卡尔曼滤波技术的现场标定方法，在载体处于S型机动状态以速度为外部观测量可以有效提高现场标定的精度[11]。刘诗斌等提出了一种基于磁传感器输出的 MEMS 陀螺标定方法，并根据 MEMS 陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法，分别对 MEMS 陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。该方法实现简单，适用于现场标定[12]。

地磁传感器在工程使用中首先需要选择受载体干扰磁场小的“磁洁净区”进行安装，以尽量减小载体自身磁干扰。磁传感器的标定相对复杂，除了完成传感器的零偏、标度因数误差和交叉耦合误差标定外，还需要完成对载体干扰磁场的标定工作。Lasse Klingbeil等在将三轴磁传感器测量模型和干扰磁场模型相统一，提出了基于椭球拟合和SVD的磁传感器标定方法，实现干扰磁场和磁传感器参数的统一标定与补偿[13-14]。Takaya Inamori1针对遥感纳卫星PRISM中定姿，提出了基于IGRF模型的三轴磁传感器及其干扰磁场在线标定方法，再利用磁测数据对陀螺进行在线标定[15]。

目前，地磁/陀螺传感器的在线标定研究主要是根据无人机、微纳卫星、车辆等载体的运动模式展开的，而专门针对旋转弹药轴向高旋的运动特点的在线标定方法尚未开展研究。

2.3 基于多源信息的弹载姿态融合技术

制导弹药飞行的高速、高机动特点，要求姿态测试系统必须以数kHz的数据更新率提供实时姿态信息，为弹载控制系统提供测量信息。常规组合导航算法计算量大，数据更新率低，不能满足制导弹药的实时性和可靠性要求。

1) 弹载地磁定姿算法。在地磁测姿解算方法上，国内外研究者主要采用了弹体外弹道飞行中偏航角为零的假设，实时获取弹体俯仰角和滚转角，并不满足制导弹药航向机动飞行中的全姿态测量需求。美国空军研究实验室提出MAGSONDE[16]磁导引头，采用两轴斜置磁传感器测量弹体姿态，弹体每个旋转周期可输出一组姿态角信息。陈勇巍[17]、高峰[18]和李玎[19]等在MAGSONDE基础上提出了比值法测姿，弹体每个旋转周期可输出两组姿态角信息。该类方法利用弹载磁测信号的过零点及极值点的特征辅以查表法来求解弹体姿态，具有无需装订地磁分量、计算简单等特点，但姿态数据更新率低，且不适合弹体航向机动时进行测姿。曹红松等[20]提出了基于地磁/陀螺组合弹药姿态测量方法，由单轴陀螺和三轴地磁传感器组成姿态测量方案，利用陀螺测量所得滚转角速率积分得到滚转角，然后根据磁测解算原理解出其余两个姿态角。该解算方法简单，但测量精度有限，姿态误差受陀螺积分作用，存在随时间累积问题。国内外磁测弹体姿态的研究主要集中于单纯的磁测解算方法与系统集成的研究，姿态测量精度还有待进一步提高，若采用其他辅助信息进行组合导航测量可以实现信息融合、优势互补、协同超越，可以有效的提高弹体姿态测试性能。

2) 弹体姿态测量的滤波技术。弹体飞行过程中的弹道动力学模型是强非线性和时变的，因此基于Kalman的线性系统滤波方法并不能直接应用于弹体定姿滤波估计。国内外对非线性系统的滤波技术的研究可分为基于信号的非线性滤波方法和基于模型状态的非线性滤波方法两种。基于信号的非线性滤波方法主要有小波分析、神经网络、模糊控制等非线性信号滤波方法；基于模型状态的非线性滤波方法主要包括基于Kalman思想的EKF(Extended Kalman filter)、UKF(Unscented Kalman filter)和CKF(Cubature Kalman Filter)滤波方法以及基于贝叶斯采样估计的粒子滤波PF(Particle Filter)等。EKF是基于当前状态估值的Taylor级数展开线性化近似方法，是当前应用最为广泛的非线性滤波算法。但非线性系统模型经过线性化后，会造成系统模型与实际系统之间的不匹配，模型误差容易引起状态估计的不准甚至发散。受弹载计算硬件能力限制，PF滤波或Monte Carlo滤波等其他滤波算法的实时性能很难满足弹载组合导航应用要求，而基于Kalman滤波算法(KF、EKF、UKF)仍旧是当前弹载导航、制导领域中应用的重点。

3 关键技术及发展趋势

基于MEMS陀螺/地磁信息的组合姿态测量在实际弹载应用中仍存在以下瓶颈技术，制约了弹体姿态的工程化应用。

1) 弹体干扰磁场的实时准确补偿问题：利用地磁场信息进行弹体姿态测量的前提是准确获取地磁稳定场矢量数据，而弹载磁传感器测量值中除含有地磁稳定场矢量的有用信息外，还含有弹体干扰磁场。弹体干扰磁场受外界磁场、飞行姿态、弹载电气设备、弹体铁磁材料长期存储磁化等因素的影响而发生变化。事先标定的弹体干扰磁场参数并不能准确反映外弹道飞行中的弹体干扰磁场变化。因此如何在外弹道飞行过程中对弹体干扰磁场进行在线标定与补偿，从而精确测量地磁场矢量，成为地磁测姿的前提条件。

2) MEMS陀螺参数的在线标定问题：MEMS陀螺受微电子工艺的限制，其静态参数、动态参数均具有短期稳定性高、长期缓慢漂移的不足。这对于长期储存的弹药日常维护中传感器标定带来很大的不便，同时制约了弹药“随停随打”快速精确打击能力。前期实弹测试发现MEMS陀螺在经历发射过载后的外弹道飞行中出现测试性能退化，造成器件参数发生漂移。因此如何在弹体飞行中对陀螺性能参数进行在线标定并实时补偿，是实现精确弹药的即时发射的必要保障。

3) 地磁/陀螺信息的实时高效融合：制导弹药飞行的高速、高机动特点，要求姿态测试系统必须以数KHz的数据更新率提供实时姿态信息，为弹载控制系统提供测量信息。常规组合导航算法计算量大，数据更新率低，不能满足制导弹药的实时性和可靠性要求。因此，如何实现地磁/陀螺信息的实时高效融合，是实现精确弹药姿态测量的关键核心技术。

综合国内外上述研究现状来看，受旋转弹发射高过载、高自旋、高动态和空间狭小等因素制约，适用于旋转弹姿态测量的主要有微惯性测量系统、磁测姿态系统和卫星导航系统以及它们的组合形式。单一姿态测试系统应用于旋转弹药时，主要存在初始参数获取困难、无法实现全程全姿态测量、且测量精度低等问题；而现有组合测姿方法主要针对低速旋转弹药的姿态测量，无法直接应用于高速旋转弹姿态测试。因此，旋转弹姿态测量技术将需要进行3个关键技术转变：由单一测试系统向多传感器组合姿态测量系统转变，以满足复杂环境精确制导的测试需求；由测量传感器事先标定向空中在线标定转变，以满足快速发射、发射后不管的战术需求；由无控飞行姿态测量向机动飞行的全姿态高精度测量转变，以满足对机动目标的精确打击需求。

4 结论

实时姿态信息的准确获取是旋转弹药制导化改造核心关键技术之一。本文在分析了旋转弹药弹载环境中姿态信息获取瓶颈的基础上，提出了基于MEMS陀螺/地磁信息的姿态组合测试方案，该方案可利用MEMS陀螺测姿短时精度高、地磁测姿误差不随时间积累特点，将地磁/陀螺测量信息融合测姿实现优势互补，可以有效提高弹体测姿精度和系统可靠性。预计该方案具有抗高过载、姿态更新率高、自主、体积小、成本低、安装方便等优势，并指出了亟待解决的关键技术及发展趋势。