基于计转数分辨率的计转数引信精确定距方法

柏 舸,智小军,刘 杰,沈 波

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

计转数技术是小口径榴弹引信实现定距空炸的一项关键技术。国内外计转数技术研究主要以实现“精确定距起爆”为目标。其基本原理是对于飞行过程中旋转稳定且弹道平直的弹丸,由于发射时膛线导程的持续作用,弹丸在弹道上每转过一圈,就会沿速度方向前进一段距离,此距离值为一确定值;飞行经过一定距离时,对应弹丸旋转一定的转数,而与炮口速度无关,所以可以通过计弹丸的转数来控制弹丸定距起爆,从而避免一般定时起爆由于炮口初速变化、计时误差等产生的不利影响。小口径弹引信中计转数的常用方法有三种:离心法、绕心运动法和地磁法[1]。用离心计转数法和绕心运动计转数法进行测量需要分别采用压阻式应变传感器和加速度传感器[2],由于它们复杂度、功耗和成本较高,不适合在小口径榴弹引信上使用。地磁法具有无源测量、信号较强、易于处理的优点,特别适合在小口径上应用[3]。因此,采用地磁法实现计转数定距较为普遍,它利用弹丸在空中旋转飞行,弹上的地磁传感器切割磁力线产生周期变化的感应电动势来工作[4]。此时,引信的计转数精度最小划分为地磁传感器产生的一个周期(即1转),受弹丸开始旋转与磁传感器工作起点不同步的影响,计转数精度至少存在1转的误差。实际使用中引信的计转数定距精度为±1转,可能会造成弹丸的炸点散布较大,从而不能满足定距精度的要求。

因此,针对引信计转数精度不易提升而影响弹丸炸点控制的问题,本文提出一种基于计转数分辨率的计转数引信精确定距方法,该方法可以改善引信计转数定距精度。

1 计转数引信定距原理

1.1 地磁法计转数引信计数原理

依据地磁法设计的地磁计转数引信是利用弹丸在空中旋转飞行,弹上的地磁传感器切割磁力线产生周期变化的感应电动势,即变化的电压信号[4]进行定距。由于弹丸在空中的飞行姿态较为稳定,地磁传感器输出的电压信号近似为正弦波,通过对输出信号的放大、整形处理,将其转化为一组脉冲信号作为引信的计数基准,通过对脉冲信号的计数,就可以实现转数的计数。

1.2 计转数引信炸点散布分析

影响计转数定距弹药炸点精度的因素可分为系统误差和随机误差。系统误差主要包括射角、环境温度、风力风向、火控系统测量和计算误差、装定装置转换信号产生的误差、引信电路起始工作点等。产生的随机误差因素有弹丸质心、章动角变化、初速跳动、计转数器的计数精度等。在计转数定距弹研制中,应把重点放在减少随机误差、控制产生影响炸点散布的随机误差源上[5]。针对随机误差源对计转数定距精度影响已经有多篇文章从计算、数值仿真到实验验证得出了射角、初速和质量对计转数定距弹药的炸点精度影响较小[6]。因此,在弹丸质心不变的前提下,改善引信自身的误差就可以提高引信对弹丸炸点的控制。这里引信自身误差包括计数起点误差、计数精度误差、爆炸序列误差以及装定误差[7]。

1) 计数起点误差

在发射起始阶段,主要引入的是计数起点误差。对装有快激活电源的引信来说,弹丸发射时,电源激活膛内开始给引信电路供电,引信接收到装定信息后,以此为计数起点启动计数,这个过程带来的误差就由电源激活和接收装定信息两个动作引入。电源激活时间在1 ms内完成,整个装定过程的耗时为1 ms,因此引信的计数电路延时10 ms后才开始计转数工作,将这10 ms的误差作为系统误差放到火控中修正,尽可能地消除计数起点误差的影响。

2) 爆炸序列误差

此误差主要是指爆炸序列点火传爆过程需要的延迟时间,一般爆炸序列传爆延迟都非常小,对炸点误差的影响极小,可忽略不计。

3) 计数精度误差

此误差表现为计数误差,贯穿于全过程。地磁传感器决定着计数器的稳定性和精度,它必须能够承受高过载、高冲击的弹丸发射环境,而且能够保证转数准确而稳定地输出,不能出现漏转的现象。但受地磁传感器自身工作原理、尺寸和功耗的影响,目前计转数的最小划分计数为1转,那么引信空炸精度至少都要1转,这样误差可能会影响到弹丸炸点精度。因此,在不增加电路功耗和硬件成本的前提下,实现更小划分地计数就成为提高引信计转数精度的核心问题。

2 基于计转数分辨率的定距方法

引信通常是通过地磁传感器、磁阻芯片等识别弹丸旋转的转数,这类传感器都是将地磁场信号转变成一个电信号作为引信计数器的计数时钟,信号的分辨率直接影响计数精度。为提高计转数引信的定距精度,提出了一种基于计转数分辨率的引信定距方法,该方法在不需要增加硬件复杂度的前提下,通过改变引信计转数分辨率,进而提高计转数定距的精度。

2.1 计转数分辨率

计转数分辨率可以解释为在时域图横坐标上的最小计数间隔,其大小代表着对模拟信号采样后得到的离散信号中点的密集程度,数学公式为Ts=1/Fs,点越密集,信号的分辨率越高。如果把弹丸在空中旋转一圈地磁传感器输出的一个正弦信号看作一个点,那么这时的计转数分辨率就为1转,引信计数电路的最小计数单位为1转。如果可以将1转分割成若干份,那么时域内的计转数分辨率也就得到了提高。

2.2 方法的基本原理

基于计转数分辨率的计转数引信精确定距方法需要预先设定引信的计转数计数划分为1/N,火控根据目标距离、导程和计数划分等要求对数据进行处理,将信息转化为装定数据A发送给装定器(A为N的整数倍);装定器对引信装定数值为A-N,弹丸发射后,引信弹旋信号处理电路对转数信号进行识别,并记录第1转所用的时间tn;以第2转为起始时刻,弹丸旋转第n圈时弹旋信号处理电路以弹丸旋转第n-1圈所记录的时间tn-1替代tn为基准(n>1),根据计转数分辨率划分为1/N转的要求,设置定时器时间为tn-1/N,每tn-1/N时间输出1个方波信号给计转数电路,计转数电路接收到A-N个方波信号时,执行级电路输出起爆信号,实现了计转数分辨率为1/N。方法的工作流程见图1。

图1 基于计转数分辨率的计转数引信精确定距方法流程图

用具体实例对本文方法的实现过程做进一步说明,如图2所示。设弹丸飞行到目标距离需要100转,引信电路的计转数分辨率为1/8,火控转化出的装定数据为800,装定器对引信装定数值就为800-8=792,弹丸发射后,弹旋信号识别电路对弹丸旋转信号进行实时监测,记录弹丸旋转一圈所用的时间tn;以弹丸旋转第2转的起始时刻开始,弹丸旋转第n圈时弹旋信号处理电路以弹丸旋转第n-1圈所记录的时间tn-1替代tn为基准,由于计转数划分为1/8,处理电路的定时器时间设定为tn-1/8,每tn-1/8时间输出1个方波信号给计转数电路;计转数电路接收到792个方波信号时,此时弹丸刚好旋转了100转,电路输出起爆信号,实现了计转数精度划分为1/8转的要求。

图2 1/8计转数分辨率实例示意图

3 验证

3.1 实验室验证

在实验室对本文方法进行两方面的有效性验证,首先在一发引信电路上采用同一计转数分辨率,验证不同转数值下的计数正确性;其次对一发引信电路装定相同转数值,改变其计转数分辨率,验证分辨率变化对引信计转数精度的影响。

实验平台按照文献[8]中的方法进行搭建。在转速为12 000 r/min情况下,引信电路计转数分辨率设置为1/10,将不同的转数值转换为相应的装定数值,对引信电路进行装定计数正确性测试,结果见表1。

表1 计数正确性实验结果

由表1测试结果看,输出的装定数值与实际装定数值之间存在1个数值误差,这个误差是由于测试系统内信号起点不同步造成的,对电路的计转数正确性不会产生影响。

再将转数固定为400 r,改变引信电路内部的计转数分辨率,其他实验条件不变,观察电路计转数精度的变化,测试结果见表2。

表2 不同分辨率下实测装定数值实验结果

表2中记录了当引信电路计转数分辨率为1、1/2、1/5、1/10时读出的装定数值,对每种分辨率下的电路进行10次测试。这里利用式(1)和式(2),求取读出的装定数值精度,分析每组数据的精度变化。

(1)

(2)

将所得装定数值平均误差乘以计转数分辨率得到计转数均值误差,计算结果如表3所示。

表3 不同分辨率下计转数误差统计表

由表3数据结果看,随着计转数分辨率的提高,计转数均值误差越来越小,引信电路的计转数精度越高。

3.2 动态试验验证

将本文方法应用到榴弹引信上进行靶场动态试验验证。试验采用对比法,分两种状态进行-本文方法的有效性验证。第一组状态是保持原计转数分辨率1 转不变,第二组状态是将计转数分辨率设置为1/10,每组各采集有效数据10发。装定目标距离为800 m,在预定距离前后间隔1 m树立若干标杆,架设高速录像,当弹丸飞到预定距离时空炸,记录空炸距离。

发射器射角确定为86密位,正式试验开始前,对两组试验弹的装定数据进行标定,确定第一组装定数据为830,第二组装定数据为8 290,试验结果见表4。

表4 空炸距离精度试验结果

4 结论

本文从计转数引信自身出发,分析得出引信计转数精度不高可影响炸点精度,进而提出一种基于计转数分辨率的计转数引信精确定距方法,该方法在不增加地磁传感器复杂度的前提下,通过改变计转数分辨率,结合递推法拟合出引信的计数脉冲。采用计转数引信测试系统进行验证,分析得出提高计转数分辨率可以提升引信的计转数精度,同时计数准确度不受影响。动态试验验证结果表明,该方法提高了引信的计转数精度,进而提高了弹丸精确打击能力。