[發明專利]一種制導炮彈用高動態姿態測量方法

在審

• 申請號: 201711042119.5
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107883940A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 鄧志紅;尚劍宇;付夢印;劉彤;劉寧
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;北京信息科技大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16;F42B35/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 代麗,仇蕾安

技術領域

本發明涉及高動態姿態測量技術領域，具體涉及一種制導炮彈用高動態姿態測量方法。

背景技術

常規炮彈制導化能顯著提高炮彈的打擊精度和總體作戰效能，使其更加適應未來信息化戰爭。炮彈姿態的精確測量是實現精確制導控制的基礎，也是當前的一個難點問題。

目前常用的姿態測量方法，如全加速度計測量法、基于GPS的姿態測量法、全磁阻傳感器組合測量法以及慣性測量組合法等皆存在局限性，主要體現在對高過載(≥12000g)和高旋轉(≥10r/s)炮射環境的適應性上。利用全加速度計測量炮彈姿態角需要較大的安裝空間，而制導炮彈余留給導航測量組件的空間相對狹小，因此基于全加速度計的姿態角測量系統不適用；基于GPS的姿態測量法需要配置多個衛星接收機，這就要求較大的安裝空間，此外，由于制導炮彈轉速較高，GPS是否能在高旋轉情況下完成姿態測量還有待研究；利用全磁阻傳感器組合測量彈丸姿態時，捷聯于彈丸上的三軸磁阻傳感器不能提供三個相互獨立的方程，也就是說，通過測量彈丸三軸地磁分量無法獲得全部姿態信息。

新型哥氏振動陀螺相比傳統的機械陀螺儀，由于沒有活動部件、體較小和價格低而得到廣泛應用。微機電系統(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)速率陀螺儀能夠適應高g值發射環境，適合于偏航和俯仰角速率測量，但由于其量程較小，不適用于高速旋轉彈丸的滾轉角速率測量；基于哥氏振動原理的高過載角速率陀螺(High-g Angular Rate Gyro，簡稱HGG)，其諧振腔由三種不同類型的曲面融合而成，采用彈性合金材料，抗過載能力很強，能夠適應20000g的過載，量程為±3600°/s(即10r/s)，是作為高動態炮彈姿態角測量的極佳選擇。然而，由于制導炮彈出炮口滾轉角速率(轉速)大于10r/s，超出高過載角速率陀螺的測量量程，采用高過載角速率陀螺仍不能夠完成高動態制導炮彈的姿態測量。

針對高過載(≥12000g)、高旋轉(≥10r/s)的制導炮彈，迫切需要能夠滿足制導炮彈工作環境和性能要求的姿態測量方法。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種制導炮彈用高動態姿態測量方法，能夠有效、準確地測量高過載、高旋轉制導炮彈的姿態信息。

本發明的制導炮彈用高動態姿態測量方法，在炮彈上安裝由三個高過載角速率陀螺構成的IMU和一個三軸磁阻傳感器；炮彈出炮口后，以三軸磁阻傳感器輸出信號頻率的平均值作為磁阻傳感器測量得到的炮彈滾轉角速率，并作為當前的炮彈滾轉角速率輸出；當磁阻傳感器測量得到的炮彈滾轉角速率小于或等于10轉/秒時，以IMU測量得到的炮彈滾轉角速率為基礎，采用磁阻傳感器得到的滾轉角速率對IMU獲得的滾轉角速率進行校正，并以校正后的滾轉角速率作為當前的炮彈滾轉角速率輸出；

利用當前的炮彈滾轉角速率、IMU測量得到的炮彈俯仰角速率和炮彈偏航角速率，結合捷聯慣導姿態算法，解算出當前的炮彈姿態角信息，從而得到當前的炮彈姿態。

進一步的，采用如下方法獲得磁阻傳感器測量得到的炮彈滾轉角速率：

定義一個長度為(2l+1)的時間測量窗口(t_m-l…t_m…t_m+l)，其中間時刻為t_m，m和l都是正整數且m≥l≥1；將該時間測量窗口內三軸磁阻傳感器x軸方向的敏感軸x_Mb的輸出信號的采樣點乘以長度為(2l+1)的漢寧窗函數，得到利用線性調頻Z變換提取的頻率，該頻率即為t_m時刻三軸磁阻傳感器x軸方向的頻率f_x；同樣的，得到t_m時刻磁阻傳感器y、z軸方向的頻率f_y、f_z；則磁阻傳感器測量得到的炮彈滾轉角速率f_Magm＝(f_x+f_y+f_z)/3。

進一步的，線性調頻Z變換時，頻率上限值f_max和下限值f_min分別為：f_max＝r_max+0.5Hz，f_min＝r_min-0.5Hz；r_max和r_min分別為根據實際的制導炮彈結構、射擊諸元和裝藥情況等預先計算出的制導炮彈在飛行過程中可能達到的最大滾轉角速率和最小滾轉角速率。

有益效果：