[发明专利]一种制导炮弹用高动态姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及高动态姿态测量技术领域，具体涉及一种制导炮弹用高动态姿态测量方法。

背景技术

常规炮弹制导化能显著提高炮弹的打击精度和总体作战效能，使其更加适应未来信息化战争。炮弹姿态的精确测量是实现精确制导控制的基础，也是当前的一个难点问题。

目前常用的姿态测量方法，如全加速度计测量法、基于GPS的姿态测量法、全磁阻传感器组合测量法以及惯性测量组合法等皆存在局限性，主要体现在对高过载(≥12000g)和高旋转(≥10r/s)炮射环境的适应性上。利用全加速度计测量炮弹姿态角需要较大的安装空间，而制导炮弹余留给导航测量组件的空间相对狭小，因此基于全加速度计的姿态角测量系统不适用；基于GPS的姿态测量法需要配置多个卫星接收机，这就要求较大的安装空间，此外，由于制导炮弹转速较高，GPS是否能在高旋转情况下完成姿态测量还有待研究；利用全磁阻传感器组合测量弹丸姿态时，捷联于弹丸上的三轴磁阻传感器不能提供三个相互独立的方程，也就是说，通过测量弹丸三轴地磁分量无法获得全部姿态信息。

新型哥氏振动陀螺相比传统的机械陀螺仪，由于没有活动部件、体较小和价格低而得到广泛应用。微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)速率陀螺仪能够适应高g值发射环境，适合于偏航和俯仰角速率测量，但由于其量程较小，不适用于高速旋转弹丸的滚转角速率测量；基于哥氏振动原理的高过载角速率陀螺(High-g Angular Rate Gyro，简称HGG)，其谐振腔由三种不同类型的曲面融合而成，采用弹性合金材料，抗过载能力很强，能够适应20000g的过载，量程为±3600°/s(即10r/s)，是作为高动态炮弹姿态角测量的极佳选择。然而，由于制导炮弹出炮口滚转角速率(转速)大于10r/s，超出高过载角速率陀螺的测量量程，采用高过载角速率陀螺仍不能够完成高动态制导炮弹的姿态测量。

针对高过载(≥12000g)、高旋转(≥10r/s)的制导炮弹，迫切需要能够满足制导炮弹工作环境和性能要求的姿态测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种制导炮弹用高动态姿态测量方法，能够有效、准确地测量高过载、高旋转制导炮弹的姿态信息。

本发明的制导炮弹用高动态姿态测量方法，在炮弹上安装由三个高过载角速率陀螺构成的IMU和一个三轴磁阻传感器；炮弹出炮口后，以三轴磁阻传感器输出信号频率的平均值作为磁阻传感器测量得到的炮弹滚转角速率，并作为当前的炮弹滚转角速率输出；当磁阻传感器测量得到的炮弹滚转角速率小于或等于10转/秒时，以IMU测量得到的炮弹滚转角速率为基础，采用磁阻传感器得到的滚转角速率对IMU获得的滚转角速率进行校正，并以校正后的滚转角速率作为当前的炮弹滚转角速率输出；

利用当前的炮弹滚转角速率、IMU测量得到的炮弹俯仰角速率和炮弹偏航角速率，结合捷联惯导姿态算法，解算出当前的炮弹姿态角信息，从而得到当前的炮弹姿态。

进一步的，采用如下方法获得磁阻传感器测量得到的炮弹滚转角速率：

定义一个长度为(2l+1)的时间测量窗口(t_m-l…t_m…t_m+l)，其中间时刻为t_m，m和l都是正整数且m≥l≥1；将该时间测量窗口内三轴磁阻传感器x轴方向的敏感轴x_Mb的输出信号的采样点乘以长度为(2l+1)的汉宁窗函数，得到利用线性调频Z变换提取的频率，该频率即为t_m时刻三轴磁阻传感器x轴方向的频率f_x；同样的，得到t_m时刻磁阻传感器y、z轴方向的频率f_y、f_z；则磁阻传感器测量得到的炮弹滚转角速率f_Magm＝(f_x+f_y+f_z)/3。

进一步的，线性调频Z变换时，频率上限值f_max和下限值f_min分别为：f_max＝r_max+0.5Hz，f_min＝r_min-0.5Hz；r_max和r_min分别为根据实际的制导炮弹结构、射击诸元和装药情况等预先计算出的制导炮弹在飞行过程中可能达到的最大滚转角速率和最小滚转角速率。

有益效果：