[发明专利]一种基于地磁要素的飞行弹体旋转姿态测量方法

说明书

本发明公开了一种基于地磁要素的飞行弹体旋转姿态测量方法，包括以下步骤：1)根据B_z的数学特性解决B_y的多值问题：2)求出基准角φ₀；3)求出滚动角φ_i；4)根据B_y的正负取值解决俯仰角θ多值问题：5)迭代修正跟踪偏航角ψ。本发明能有效解决3轴磁阻传感器方案不能实现飞行弹体的滚转角，偏向角和俯仰角进行独立求解的缺陷等问题。本发明的研制成功将为研制高精度磁测制导武器打下坚实的基础。

技术领域

本发明属于制导控制技术领域，涉及一种基于地磁要素的飞行弹体旋转姿态测量方法。

背景技术

制导控制技术的姿态测量主要依赖各种“惯性测量组合法”，适用于战略型大型武器(如洲际导弹、巡航导弹等)，对于低成本、高强度、小体积、高发射过载的身管武器，这些方案不太适合。近年来，利用地球物理特征的制导方法得到了国内外学者的关注。随着高精度地磁传感器的不断涌现，以及中国在内的许多国家都定期建立和绘制本国的地磁场模型和地磁图，包括高精度局部地磁场模型和地磁图，这些都使得地磁制导的实现成为可能。地磁制导技术具有无源性、隐蔽性好、即开即用、误差不随时间积累，造价低廉，作战效费比高等特点，与其它有源导航和制导方式相比在军事领域有着无可比拟的优势，显示出很好的发展应用前景。

在常规武器的改造升级中，增程制导是一个发展方向。飞行弹体使用舵机、脉冲火箭推力等方法执行弹道修正，实现增程制导功能。要实现对舵机、脉冲火箭推力的有效控制，就必须精确测量飞行弹体的实时飞行姿态参数(如弹体滚动方向、滚动速度、滚动角、航向角及俯仰角)，因此，弹体飞行姿态的实时高精度测量是弹丸制导控制的一项关键技术。

国内外对于飞行弹体姿态参数的获取技术有多种，如太阳方位角测试法(气象条件的限制，且精度不是很高)、惯性测量组合法(缺点是价格昂贵、有累积误差、不能承受高过载)、无陀螺惯性测量组合法(无法应用于有大过载、大角加速度的战术武器，目前国内外尚没有高精度大量程加速度计，算法处理复杂，存在安装误差)。这些方法原理上可行，但有如下缺点：价格昂贵、抗过载能力差、体积大、算法复杂、量程小等，不适应高过载、体积有限、滚转速度高的弹箭。因此，研究无源自主、能有效提高弹体姿态探测精度、低成本、微功耗、可集成、抗高过载的方法和技术迫在眉睫。

瑞士与德国联合研制用于提高火箭弹命中精度的弹道修正模块(CORECT)，该模块由地磁传感器和GPS组成，其内部集成了GPS接收单元，用于测量火箭弹的实时位置，并使用弹载地磁传感器测量地球磁场特性，计算弹体滚转姿态角，弹载计算机计算出火箭弹与理想弹道之间的偏移量，使用脉冲火箭推力执行弹道修正，使该弹圆概率误差可降低至50m以内，CORECT模块的成本仅为功能类似模块的5％。

美国crossbow技术公司推出的AHRs500是一个姿态和方位参考系统，能在高动态下提供稳定的横滚角、俯仰角和方位角信息。其中包括三个微机械陀螺仪、三个加速度计和三个磁强计组成。这是一种复合型传感系统，系统复杂。

中北大学的曹红松等学者，提出利用二维地磁传感器进行弹体滚转姿态实时探测解算方法，方法中首先获取炮位和目标参数、当地地磁参数，解算标准弹道(目的是得到弹体飞行中随时间变化的俯仰角)、解算地磁在弹轴系上的投影(由地磁传感器输出)、再进行弹体滚转参数解算。并进行了仿真分析，得到的弹体滚转姿态角的误差小于1.5°。由于弹体飞行中的俯仰角是靠解算标准弹道得到，复杂而缺乏实用性，因此又提出了地磁陀螺组合弹药姿态探测技术，该方案的全固态特性适合“弹箭”制导使用，但硅微陀螺具有初始温飘特性，必须在使用中要进行补偿，此外地磁探测存在盲区，机械结构、算法复杂。张晓明等学者，对地磁导航中地磁稳定场矢量测量误差机理分析及补偿进行研究。