[發明專利]適用于旋轉彈初始姿態和速度聯合測量方法

有效

• 申請號: 201811493894.7
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109373833B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 龍達峰;曹建忠;孫俊麗;黃近秋;謝珩;魏曉慧;羅中良;徐瑜;陳培濤
• 申請（專利權）人: 惠州學院
• 主分類號: F42B35/02
• 分類號: F42B35/02
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種適用于旋轉彈初始姿態和速度聯合測量方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)、彈載傳感器測量方案和坐標系變換

彈載測量傳感器由三軸地磁傳感器和兩個單軸MEMS陀螺儀組成，其中，三軸磁傳感器與彈體捷聯安裝，三軸磁傳感器各敏感軸方向與彈體坐標系完全一致，其中彈體坐標系OX^bY^bZ^b符合右手關系，X軸為彈軸，則三軸磁傳感器的X軸、Y軸和Z軸敏感方向分別對應彈體坐標系的X^b、Y^b和Z^b軸，三軸磁傳感器用于測量彈體內地磁場矢量信息，其測量輸出分別用H_x、Hy和H_z表示；

兩個單軸陀螺儀捷聯安裝于X₁軸和Y₁軸上，X₁軸和Y₁軸相互正交，X₁和Y₁陀螺安裝軸與彈體坐標系的X^b和Y^b不重合，它們之間存在夾角，兩個陀螺儀的測量輸出分別用ω_X1和ω_Y1表示，即陀螺安裝軸X₁軸和Y₁軸處在平面OX^bY^b內，OZ^b軸垂直于平面OX^bY^b，X₁軸和Y₁軸分別與X^b和Y^b之間的夾角均為β角；因此，兩坐標系間的變換關系矩陣，用變換矩陣或表示：

(2)、旋轉彈滾轉速度解算方法

根據彈體坐標系與陀螺儀安裝坐標系變換矩陣陀螺儀安裝坐標系內測量所得角速率投影到彈體坐標系角速率的變換關系表示為：

上式(3)中，ω_x,ω_y,ω_z為彈體坐標系內各軸投影角速率分量；ω_X1，ω_Y1和ω_Z1為陀螺儀安裝坐標系內測量輸出的角速率分量；

因此，根據公式(3)矩陣變換關系，得到彈體坐標系內彈體滾轉軸X軸的滾轉速率的計算公式為：

(3)、彈體滾轉角速率濾波器

由于陀螺儀測量誤差的存在，按(4)式計算得到的彈體滾轉角速率存在測量誤差，其簡化的誤差模型為：

上式(5)中，為實際測量滾轉角速率，ω_x為理想的滾轉角速率，n_x為測量噪聲；

濾波器選取滾轉角速率ω_x作為系統的狀態變量X＝ω_x，因此，其狀態方程表示為：

X_(k)＝X_(k-1)+w_(k-1) (6)

上式(6)中，w_(k-1)為假設為零均值高斯白噪聲；

選取式(4)計算所得滾轉角速率作為濾波系統的觀測量則濾波器的觀測方程表示為：

z(t)＝X(t)+v(t) (7)

上式(7)中，v(t)為系統的量測噪聲；

因此，濾波器由狀態方程式(6)和觀測方程式(7)共同構建系統的濾波模型，采用kalman濾波算法對滾轉速率進行最優估計，濾波包括如下兩個過程：

3.1時間更新：

3.2量測更新：

上式中，K_(k)表示濾波增益；H_k為量測值；R_k為量測噪聲；Q_k-1為系統噪聲；P_(k/k-1)為前一時刻系統估計方差；P_(k)為當前時刻系統方差；I為單位陣；P_(k-1)為系統估計方差；為量測陣；

因此，通過離散kalman濾波算法最終完成彈體滾轉角速率的最優估計

(4)、旋轉彈炮口初始速度解算方法

彈丸出膛總速度的估算表示為：

上式(10)中，D為旋轉彈體口徑，Ω_g為膛線纏角，纏角由火炮系統型號所決定，是一固定值；

由上式(10)可知，若已知所測彈體型號，炮口的出膛初始速度與彈軸角速度存在相互對應關系，所以，利用測量彈軸X軸的角速度ω_x，通過反推計算出旋轉彈在出炮口時總速度v₀；因此，利用所述測量方案中的兩個正交安裝陀螺測量解算所得彈體滾轉角速度通過查表得出彈丸出炮口總速度v₀的大小；

(5)、旋轉彈炮口初始姿態解算方法

選取彈丸出炮口瞬間進行磁測姿態解算，因此選取發射坐標系為旋轉彈導航參考坐標系OXⁿYⁿZⁿ，其中為彈體偏航角，θ為彈體俯仰角，γ為彈體橫滾角；

由于三軸地磁傳感器直接捷聯安裝于彈體坐標系，則三軸磁傳感器的測量輸出為地磁矢量信息，其投影關系表示為：

上式(11)中，為三軸地磁傳感器測量輸出；為地磁場矢量在導航坐標系的投影；

為旋轉彈姿態變換的方向余弦矩陣，方向余弦矩陣為：

假設彈丸在膛內偏航角和俯仰角不變，以常值對待處理，則火炮發射前，通常火炮的射角或偏角由發射指令得知，因此，在進行炮口彈體姿態解算時，假定其偏航角已知，再利用磁測投影公式(11)得到旋轉彈其余姿態角計算公式，彈體俯仰角和滾轉角計算公式分別為：

因此，利用上式姿態計算公式(13)和(14)，最終實現旋轉彈體炮口三個初始姿態角的測量解算；

(6)最后，利用速度矢量投影關系，即按如下速度投影式(15)計算旋轉彈出炮口時各初始速度v_x,v_y和v_z

因此，按上述步驟(1)～(6)最終完成旋轉彈炮口初始姿態和速度聯合測量解算。