[發(fā)明專利]一種基于地磁要素的飛行彈體旋轉姿態(tài)測量方法

有效

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• 申請日: 2019-12-05
• 公開（公告）號: CN110986926B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發(fā)明（設計）人: 易文俊;王添奕;熊天紅;柳文安;馮波;李巖;王唯
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01C21/08
• 分類號: G01C21/08;G01C21/20
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權代理有限公司 11385
• 代理人: 韓晶

本發(fā)明公開了一種基于地磁要素的飛行彈體旋轉姿態(tài)測量方法，包括以下步驟：1)根據(jù)B_z的數(shù)學特性解決B_y的多值問題：2)求出基準角φ₀；3)求出滾動角φ_i；4)根據(jù)B_y的正負取值解決俯仰角θ多值問題：5)迭代修正跟蹤偏航角ψ。本發(fā)明能有效解決3軸磁阻傳感器方案不能實現(xiàn)飛行彈體的滾轉角，偏向角和俯仰角進行獨立求解的缺陷等問題。本發(fā)明的研制成功將為研制高精度磁測制導武器打下堅實的基礎。

技術領域

本發(fā)明屬于制導控制技術領域，涉及一種基于地磁要素的飛行彈體旋轉姿態(tài)測量方法。

背景技術

制導控制技術的姿態(tài)測量主要依賴各種“慣性測量組合法”，適用于戰(zhàn)略型大型武器(如洲際導彈、巡航導彈等)，對于低成本、高強度、小體積、高發(fā)射過載的身管武器，這些方案不太適合。近年來，利用地球物理特征的制導方法得到了國內(nèi)外學者的關注。隨著高精度地磁傳感器的不斷涌現(xiàn)，以及中國在內(nèi)的許多國家都定期建立和繪制本國的地磁場模型和地磁圖，包括高精度局部地磁場模型和地磁圖，這些都使得地磁制導的實現(xiàn)成為可能。地磁制導技術具有無源性、隱蔽性好、即開即用、誤差不隨時間積累，造價低廉，作戰(zhàn)效費比高等特點，與其它有源導航和制導方式相比在軍事領域有著無可比擬的優(yōu)勢，顯示出很好的發(fā)展應用前景。

在常規(guī)武器的改造升級中，增程制導是一個發(fā)展方向。飛行彈體使用舵機、脈沖火箭推力等方法執(zhí)行彈道修正，實現(xiàn)增程制導功能。要實現(xiàn)對舵機、脈沖火箭推力的有效控制，就必須精確測量飛行彈體的實時飛行姿態(tài)參數(shù)(如彈體滾動方向、滾動速度、滾動角、航向角及俯仰角)，因此，彈體飛行姿態(tài)的實時高精度測量是彈丸制導控制的一項關鍵技術。

國內(nèi)外對于飛行彈體姿態(tài)參數(shù)的獲取技術有多種，如太陽方位角測試法(氣象條件的限制，且精度不是很高)、慣性測量組合法(缺點是價格昂貴、有累積誤差、不能承受高過載)、無陀螺慣性測量組合法(無法應用于有大過載、大角加速度的戰(zhàn)術武器，目前國內(nèi)外尚沒有高精度大量程加速度計，算法處理復雜，存在安裝誤差)。這些方法原理上可行，但有如下缺點：價格昂貴、抗過載能力差、體積大、算法復雜、量程小等，不適應高過載、體積有限、滾轉速度高的彈箭。因此，研究無源自主、能有效提高彈體姿態(tài)探測精度、低成本、微功耗、可集成、抗高過載的方法和技術迫在眉睫。

瑞士與德國聯(lián)合研制用于提高火箭彈命中精度的彈道修正模塊(CORECT)，該模塊由地磁傳感器和GPS組成，其內(nèi)部集成了GPS接收單元，用于測量火箭彈的實時位置，并使用彈載地磁傳感器測量地球磁場特性，計算彈體滾轉姿態(tài)角，彈載計算機計算出火箭彈與理想彈道之間的偏移量，使用脈沖火箭推力執(zhí)行彈道修正，使該彈圓概率誤差可降低至50m以內(nèi)，CORECT模塊的成本僅為功能類似模塊的5％。

美國crossbow技術公司推出的AHRs500是一個姿態(tài)和方位參考系統(tǒng)，能在高動態(tài)下提供穩(wěn)定的橫滾角、俯仰角和方位角信息。其中包括三個微機械陀螺儀、三個加速度計和三個磁強計組成。這是一種復合型傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)復雜。

中北大學的曹紅松等學者，提出利用二維地磁傳感器進行彈體滾轉姿態(tài)實時探測解算方法，方法中首先獲取炮位和目標參數(shù)、當?shù)氐卮艆?shù)，解算標準彈道(目的是得到彈體飛行中隨時間變化的俯仰角)、解算地磁在彈軸系上的投影(由地磁傳感器輸出)、再進行彈體滾轉參數(shù)解算。并進行了仿真分析，得到的彈體滾轉姿態(tài)角的誤差小于1.5°。由于彈體飛行中的俯仰角是靠解算標準彈道得到，復雜而缺乏實用性，因此又提出了地磁陀螺組合彈藥姿態(tài)探測技術，該方案的全固態(tài)特性適合“彈箭”制導使用，但硅微陀螺具有初始溫飄特性，必須在使用中要進行補償，此外地磁探測存在盲區(qū)，機械結構、算法復雜。張曉明等學者，對地磁導航中地磁穩(wěn)定場矢量測量誤差機理分析及補償進行研究。