CN109373832A - 基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法，包括如下步骤：（1）、旋转弹炮口初始参数测量方案，（2）、磁测滚转速率及其滤波估计方法，（3）、旋转弹炮口初始速度解算方法，（4）、旋转弹炮口初始姿态解算方法，（5）、利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息（ψ ₀，θ ₀和γ ₀），再按速度投影公式计算旋转弹出炮口时各初始速度分量（υ _0,x，υ _0,y和υ _0,z）。本发明方法实现旋转弹体初始姿态参数的准确测量，具有简单、容易实施，性格比高等优点。

Description

基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法

技术领域

本发明涉及高速旋转弹体炮口初始参数测量技术领域，具体是一种基于三轴加速计和单轴磁传感器的旋转弹炮口初始姿态和速度联合测量方法。

背景技术

旋转弹制导化改造是常规武器发展方向，旋转弹飞行姿态的实时测量是实现其导航与控制的前提。但由于旋转弹发射时具有高自转和高过载等的限制，所用弹载姿态测量***必须具有抗高过载、小体积和低成本等性能要求。特别是旋转弹高速旋转特性，高达40转/秒自旋速度，就目前弹载陀螺仪的量程与精度很难同时满足这类应用要求，从而影响了弹丸导航初始姿态和速度的准确获取，而初始姿态和速度是进行惯导解算的前提条件，因此，旋转弹初始姿态和速度参数的准确获取是的其制导化改造的难点之一。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于旋转弹的初始姿态和速度测量方法，实现旋转弹体初始姿态参数的准确测量。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法，包括如下步骤：

(1)、旋转弹炮口初始参数测量方案

弹体坐标系(OX^bY^bZ^b)规定为前上右部，符合右手关系；

三轴加速度计完全捷联安装于弹体坐标系，加速度计各敏感轴方向与弹体坐标系各轴方向一致，X、Y和Z轴加速度计测量输出分别用和表示，各加速度计用来测量弹体内加速度分量；

单轴磁传感器与弹体滚转轴X^b轴完全捷联安装，单轴磁传感用于测量旋转弹滚转角速率信息，其测量输出用M_x表示；

选取发射坐标系为旋转弹导航参考坐标系(OXⁿYⁿZⁿ)，其中为弹体偏航角，θ为弹体俯仰角，γ为弹体滚转角；

(2)、磁测滚转速率及其滤波估计方法

2.1、旋转弹滚转角速率观测量的获取方法

根据电磁感应定律，得到捷联安装于弹轴的单轴磁传感器的输出电压满足如下方程：

上式(1)中，Φ_m为火炮膛内的最大磁通量，N为线圈匝数，ψ_m为磁通链，ω_x为弹体自旋转的角速率；

利用捷联安装于滚转轴的磁测量输出M_x估算弹体滚转角速率ω_m,x；

2.2、弹体滚转角速率滤波器

利用磁传感器测量输出M_x估算得到的弹体滚转角速率ω_m,x总是存在一定的误差，其测量误差方程表示为：

ω_m,x＝ω_i,x+n_x (2)

上式(2)中，ω_m,x为测量估算所得滚转角速率，ω_i,x为理想的滚转角速率，n_x为测量噪声；

滤波器选取滚转角速率ω_x作为***的状态变量X＝ω_x，状态方程表示为：

X_(k)＝X_(k-1)+w_(k-1) (3)

上式(3)中，w_(k-1)为假设为零均值高斯白噪声，满足E[w(t)]＝0，E[w(t),w^T(τ)]＝Q(t)δ(t-τ)；

选取按式(1)反推计算所得磁测滚转角速率ω_m,x作为滤波***的观测变量z(t)＝ω_m,x，其观测方程表示为：

z(t)＝X(t)+v(t) (4)

上式中，v(t)为***的量测噪声，假设v(t)为高斯白噪声，并满足E[v(t)]＝0，E[v(t),v^T(τ)]＝R(t)δ(t-τ)；

因此，滤波器由状态方程式(3)和观测方程式(4)共同构建***滤波方程组，并采用基于离散kalman滤波算法的滤波器进行滚转速率的最优估计，其滤波算法包括如下时间更新和量测更新两个过程：

2.2.1、时间更新过程：

2.2.2、量测更新过程：

上式中，K_(k)表示滤波增益；H_k为量测值；R_k为量测噪声；Q_k-1为***噪声；P_(k,k-1)为前一时刻***估计方差；P_(k)为当前时刻***方差；I为单位阵；P_(k-1)为***估计方差；为量测阵；k为采样时刻。

因此，通过离散kalman滤波算法最终完成弹体滚转角速率ω_m,x的最优估计

(3)、旋转弹炮口初始速度解算方法

弹丸出膛总速度的估算表示为：

上式(7)中，D为旋转弹口径大小，γ_g为膛线的缠角大小，缠角大小由火炮***的型号所决定，若已知所测旋转弹型号，炮口的出膛初始速度v₀与旋转弹轴的角速度ω_x存在相互对应关系；

因此，利用前述基于离散kalman滤波算法最优估计所得磁测滚转角速率通过查表得到旋转弹炮口初始总速度v₀；

(4)、旋转弹炮口初始姿态解算方法

三轴加速度计捷联安装弹体坐标系，在火炮发射前，各轴加速度测量输出为重力分量在弹体坐标系的投影分量，其表示为：

上式(8)中，和分别代表为X、Y和Z轴加速度计测量输出；[0,0,-g]^T为导航坐标系下重力投影分量；为旋转弹姿态变换方向余弦矩阵；

根据式(8)的投影关系，得到在火炮发射前旋转弹俯仰角和滚转角；假设旋转弹在膛内运动时，弹体偏航角和俯仰角均不变，且偏航角为零，因此，旋转弹出炮口时初始俯仰角和点火前的滚转角计算公式分别为：

若旋转弹在膛内运动所需时间为τ秒，则利用前述滤波器估计所得磁测滚转角速率通过积分计算得到旋转弹炮口滚转角大小，弹体初始滚转角(出炮口时)计算公式为：

因此，通过上式(10)～(12)最终完成旋转弹炮口初始偏航角、俯仰角和滚转角三维姿态角的测量解算；

(5)、利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息(θ₀和γ₀)，再按如下速度投影公式(13)计算旋转弹出炮口时各初始速度分量(v_0,x，v_0,y和v_0,z)。

由上述解算步骤完成旋转弹出炮口时各初始速度分量测量解算。

本发明方法具体如下优点：

1、本发明采用三轴加速计和单轴磁传感器测量组合方案相比之传统的陀螺仪测量方案，更加适用于高过载、高自旋和高动态下的“三高”恶劣弹载测试应用环境，其测量***具有更高的存活性和可靠性。

2、本发明所述测量方法，能够同时完成炮口三维初始速度和三维初始姿态的测量，实现了炮口初始参数的全参数的获取。

3、本发明所述测量方案具有简单、容易实施，性格比高等优点。

附图说明

图1表示弹载传感器安装方案示意图。

图2表示导航参考坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于三轴加速计和单轴磁传感器的旋转弹炮口初始姿态和速度联合测量方法，包括如下步骤：

1、旋转弹炮口初始参数测量方案

弹载传感器主要由三轴加速度计和单轴磁传感器组成，弹载传感器测量安装方案如图1所示。坐标系(OX^bY^bZ^b)为弹体坐标系，规定为前上右部，符合右手关系。三轴加速度计完全捷联安装于弹体坐标系，加速度计各敏感轴方向与弹体坐标系各轴方向一致，X、Y和Z轴加速度计测量输出分别用和表示，各加速度计用来测量弹体内加速度分量。而单轴磁传感器与弹体滚转轴X^b轴完全捷联安装，单轴磁传感用于测量旋转弹滚转角速率信息，其测量输出用M_x表示。

本发明选取发射坐标系为旋转弹导航参考坐标系(OXⁿYⁿZⁿ)，如图2所示，为弹体偏航角，θ为弹体俯仰角，γ为弹体滚转角。

2、磁测滚转速率及其滤波估计方法

2.1、旋转弹滚转角速率观测量的获取方法

由于旋转弹在火炮膛内作高速自旋转运动，捷联于弹轴的磁传感器也跟随弹体一起自旋运动，磁传感器在磁场中将会产生感应电压。根据电磁感应定律，可推导得到捷联安装于弹轴的磁传感器的输出电压满足如下方程：

上式(1)中，Φ_m为火炮膛内的最大磁通量，N为线圈匝数，为ψ_m磁通链，ω_x为弹体自旋转的角速率。

由式(1)磁测输出方程可知，弹体滚转角速率(ω_x)可以利用磁传感器的输出反推计算得到。因此，本发明利用捷联安装于滚转轴的磁测量输出(M_x)估算弹体滚转角速率(ω_m,x)。

2.2、弹体滚转角速率滤波器

由于外磁干扰、传感器本身误差参数和测量电路噪声等不利因素存在，所以捷联磁传感器的实际测量输出总是有测量误差。因此，利用磁传感器测量输出(M_x)估算得到的弹体滚转角速率(ω_m,x)总是存在一定的误差，其测量误差方程可以表示为：

ω_m,x＝ω_i,x+n_x (2)

上式(2)中，ω_m,x为测量估算所得滚转角速率，ω_i,x为理想的滚转角速率，n_x为测量噪声。

为了提高磁测弹体滚转角速率的测量精度，本发明采用卡尔曼滤波器对磁测滚转率进行滤波最优估计，以提高滚转角速率精度。本发明所设计的滤波器选取滚转角速率ω_x作为***的状态变量X＝ω_x，状态方程可以表示为：

X_(k)＝X_(k-1)+w_(k-1) (3)

上式(3)中，w_(k-1)为假设为零均值高斯白噪声，满足E[w(t)]＝0，E[w(t),w^T(τ)]＝Q(t)δ(t-τ)。

选取按式(1)反推计算所得磁测滚转角速率(ω_x)作为滤波***的观测变量z(t)＝ω_m,x，其观测方程可表示为：

z(t)＝X(t)+v(t) (4)

上式(4)中，v(t)为***的量测噪声，假设v(t)为高斯白噪声，并满足E[v(t)]＝0，E[v(t),v^T(τ)]＝R(t)δ(t-τ)。

因此，本发明所设计滤波器由状态方程式(3)和观测方程式(4)共同构建***滤波方程组，并采用基于离散kalman滤波算法的滤波器进行滚转速率的最优估计，其滤波算法包括如下时间更新和量测更新两个过程：

(1)时间更新过程：

(2)量测更新过程：

上式中，K_(k)表示滤波增益；H_k为量测值；R_k为量测噪声；Q_k-1为***噪声；P_(k,k-1)为前一时刻***估计方差；P_(k)为当前时刻***方差；I为单位阵；P_(k-1)为***估计方差；H_k ^T为量测阵；k为采样时刻。

因此，通过离散kalman滤波算法最终完成弹体滚转角速率ω_m,x的最优估计

3、旋转弹炮口初始速度解算方法

由于旋转弹出炮口后依靠惯性飞行，弹丸出炮口的初始速度的直接决定了弹体飞行距离或射程。但弹丸在膛内自旋一圈所对应的飞行距离跟初速度无关，其主要由火炮***型号、火炮内膛线的缠角和弹丸口径等所决定的。弹丸出膛总速度的估算可表示为：

上式(7)中，D为旋转弹口径大小，γ_g为膛线的缠角大小，缠角大小由火炮***的型号所决定的，若已知所测旋转弹型号，炮口的出膛初始速度v₀与旋转弹轴的角速度ω_x存在相互对应关系。

因此，本发明利用前述基于离散kalman滤波算法最优估计所得磁测滚转角速率通过查表得到旋转弹炮口初始总速度v₀。准确的初始速度与滚转角速度对应关系由火炮生产企业提供，并事前存储于弹载测量***中。

4、旋转弹炮口初始姿态解算方法

本发明弹载传感器测量方案中，三轴加速度计捷联安装弹体坐标系。在火炮发射前，各轴加速度测量输出为重力分量在弹体坐标系的投影分量，其可表示为：

上式(8)中，和分别代表为X、Y和Z轴加速度计测量输出；[0,0,-g]^T为导航坐标系下重力投影分量；为旋转弹姿态变换方向余弦矩阵。

根据式(8)的投影关系，可以推导得到在火炮发射前旋转弹俯仰角和滚转角。本发明假设旋转弹在膛内运动时，弹体偏航角和俯仰角均不变，且偏航角为零。因此，旋转弹出炮口时初始俯仰角和点火前滚转角计算公式分别为：

若旋转弹在膛内运动所需时间为τ秒，则利用前述滤波器估计所得磁测滚转角速率通过积分计算得到旋转弹炮口滚转角大小，弹体初始滚转角(出炮口时)计算公式为：

因此，通过上式(10)～(12)最终完成旋转弹炮口初始偏航角、俯仰角和滚转角三维姿态角的测量解算。

5、旋转弹炮口初始速度解算方法

本发明所述旋转弹炮口初始速度测量解算步骤主要包括如下：

根据滤波器估计所得最优磁测滚转速率大小，利用旋转弹炮口总速度计算公式(7)反推得到弹丸初始总速度v₀。

利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息(θ₀和γ₀)，再按如下速度投影公式(13)计算旋转弹出炮口时各初始速度分量(v_0,x，v_0,y和v_0,z)。

由上述解算步骤完成旋转弹出炮口时各初始速度分量测量解算。

因此，本发明按前述姿态测量方法和速度测量方法，最终同时实现了旋转弹炮口初始姿态(θ₀和γ₀)和初始速度(v_0,x，v_0,y和v_0,z)联合测量解算。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、旋转弹炮口初始参数测量方案

弹体坐标系(OX^bY^bZ^b)规定为前上右部，符合右手关系；

三轴加速度计完全捷联安装于弹体坐标系，加速度计各敏感轴方向与弹体坐标系各轴方向一致，X、Y和Z轴加速度计测量输出分别用和表示，各加速度计用来测量弹体内加速度分量；

单轴磁传感器与弹体滚转轴X^b轴完全捷联安装，单轴磁传感用于测量旋转弹滚转角速率信息，其测量输出用M_x表示；

选取发射坐标系为旋转弹导航参考坐标系(OXⁿYⁿZⁿ)，其中为弹体偏航角，θ为弹体俯仰角，γ为弹体滚转角；

(2)、磁测滚转速率及其滤波估计方法

2.1、旋转弹滚转角速率观测量的获取方法

根据电磁感应定律，得到捷联安装于弹轴的单轴磁传感器的输出电压满足如下方程：

上式(1)中，Φ_m为火炮膛内的最大磁通量，N为线圈匝数，ψ_m为磁通链，ω_x为弹体自旋转的角速率；

利用捷联安装于滚转轴的磁测量输出M_x估算弹体滚转角速率ω_m,x；

2.2、弹体滚转角速率滤波器

利用磁传感器测量输出M_x估算得到的弹体滚转角速率ω_m,x存在误差，其测量误差方程表示为：

ω_m,x＝ω_i,x+n_x (2)

上式(2)中，ω_m,x为测量估算所得滚转角速率，ω_i,x为理想的滚转角速率，n_x为测量噪声；

滤波器选取滚转角速率ω_x作为***的状态变量X＝ω_x，状态方程表示为：

X_(k)＝X_(k-1)+w_(k-1) (3)

上式(3)中，w_(k-1)为假设为零均值高斯白噪声；

选取按式(1)反推计算所得磁测滚转角速率ω_m,x作为滤波***的观测变量z(t)＝ω_m,x，其观测方程表示为：

z(t)＝X(t)+v(t) (4)

上式中，v(t)为***的量测噪声；

因此，滤波器由状态方程式(3)和观测方程式(4)共同构建***滤波方程组，并采用基于离散kalman滤波算法的滤波器进行滚转速率的最优估计，其滤波算法包括如下时间更新和量测更新两个过程：

2.2.1、时间更新过程：

2.2.2、量测更新过程：

上式中，K_(k)表示滤波增益；H_k为量测值；R_k为量测噪声；Q_k-1为***噪声；P_(k,k-1)为前一时刻***估计方差；P_(k)为当前时刻***方差；I为单位阵；P_(k-1)为***估计方差；为量测阵；

因此，通过离散kalman滤波算法最终完成弹体滚转角速率ω_m,x的最优估计

(3)、旋转弹炮口初始速度解算方法

弹丸出膛总速度的估算表示为：

上式(7)中，D为旋转弹口径大小，γ_g为膛线的缠角大小，缠角大小由火炮***的型号所决定，若已知所测旋转弹型号，炮口的出膛初始速度v₀与旋转弹轴的角速度ω_x存在相互对应关系；

因此，利用前述基于离散kalman滤波算法最优估计所得磁测滚转角速率通过查表得到旋转弹炮口初始总速度v₀；

(4)、旋转弹炮口初始姿态解算方法

三轴加速度计捷联安装弹体坐标系，在火炮发射前，各轴加速度测量输出为重力分量在弹体坐标系的投影分量，其表示为：

上式(8)中，和分别代表为X、Y和Z轴加速度计测量输出；[0,0,-g]^T为导航坐标系下重力投影分量；为旋转弹姿态变换方向余弦矩阵；

根据式(8)的投影关系，得到在火炮发射前旋转弹俯仰角和滚转角；假设旋转弹在膛内运动时，弹体偏航角和俯仰角均不变，且偏航角为零，因此，旋转弹出炮口时初始俯仰角和滚转角计算公式分别为：

若旋转弹在膛内运动所需时间为τ秒，则利用前述滤波器估计所得磁测滚转角速率通过积分计算得到旋转弹炮口滚转角大小，弹体初始滚转角计算公式为：

因此，通过上式(10)～(12)最终完成旋转弹炮口初始偏航角、俯仰角和滚转角三维姿态角的测量解算；

(5)、利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息(θ₀和γ₀)，再按如下速度投影公式(13)计算旋转弹出炮口时各初始速度分量(v_0,x，v_0,y和v_0,z)。

由上述解算步骤完成旋转弹出炮口时各初始速度分量测量解算。