基于炮口人工磁場的彈體滾轉姿態測量技術*

郭慶偉，高 敏

(解放軍軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引言

常規彈藥的信息化過程中，彈道修正彈是其中的一個重要發展方向。彈道修正離不開彈體姿態的測量，只有獲得了彈體姿態，才能判斷實際飛行狀態，確定修正量進行姿態控制，從而精確打擊預定目標。文中從應用于試驗測試的角度出發，提出利用炮口人工磁場進行彈體滾轉姿態測量。

1 滾轉姿態測量基本理論

應用地磁場測量彈體的滾轉姿態是現在的研究熱點，方法也很多，特別是利用地球磁場和彈上測量磁場分量建立轉換關系，但是由于姿態方程中有3個未知量(滾轉角、俯仰角、偏航角)，而關系方程只能提供兩個不相關方程，因此必須和其它傳感器結合，通常使用的是陀螺儀或加速度計輔助提供重力場感應分量，可測量解算出俯仰角或偏航角，進而可通過方程求解滾轉角。但是，陀螺儀具有精度漂移、誤差累計、抗沖擊能力差等缺點導致精度下降，加速度計也存在算法復雜，安裝誤差大等缺點。應用自然矢量——地磁場的姿態測量得到廣泛關注，下面重點研究如何利用磁阻傳感器獲得精確的滾轉角而不使用其它傳感器。

測量滾轉角的一個關鍵點是確定起始基準點，也就是確定判定基準角，由于彈體的滾轉是變周期的，但是在一個周期內(即旋轉一周)轉過的角度始終是360°，滾轉角度的變化即角速度與彈體的旋轉是一致的。彈體旋轉一周，不論角速度大小，滾轉角變化一個全周期，因此，如果在起始階段確定了滾轉角的基準角度，那么在飛行中對彈體進行修正階段就能獲得準確的滾轉角度。

在前面分析的基礎上，如圖1所示，通過在炮口處加裝人工磁場，通過彈體內的磁阻傳感器來感應人工磁場，加載的人工磁場強度遠遠大于地磁場，在此處可以忽略地磁場，僅考慮人工磁場的作用;在該點利用關系表達式，求得在出炮口處時彈體的起始滾轉角度，也就是滾轉基準角。出炮口后，彈體上作用磁場只剩下地磁場，在起始滾轉角基礎上做滾轉運動，當彈體處于穩定飛行階段時，彈體轉速基本保持不變，可看作是周期性運動，可以利用簡單的函數關系確定每一時刻的角度。

圖1 炮口人工磁場加裝示意圖

2 測量滾轉角的工作原理

測量滾轉角關鍵在于炮口滾轉基準角度的獲得，下面以某型火箭彈為例，詳細闡述滾轉角的測量工作原理過程。

2.1 基本假設

1)彈體為低速旋轉;

2)彈丸始終在射擊平面內飛行，偏離量極小;

3)地磁場在彈丸射程內不變，為均勻磁場;

4)人工磁場強度大小不隨時間變化，至少短時間內不會發生大的變化;

5)彈體過炮口人工磁場時視為一點。

圖2 彈體彈速和轉速變化示意圖

前五個假設可以基本確立，下面對第三個假設進行簡單闡述。如圖2所示，火箭彈出炮口的彈體速度不高，處于加速階段，且轉速也是處于增長階段，兩者的變化趨勢幾乎相同。設炮口處，彈速為50m/s，轉速為5r/s，炮口軟磁片可以做到非常的窄，寬度可達到20mm。因此，彈體磁阻傳感器在通過人工磁場時，旋轉的角度誤差為:

ΔΦ =5r/s×360°/r×20mm ÷1000÷50 m/s=0.72°在不考慮周圍磁場影響的前提下，ΔΦ變化非常的小，而且可以在彈速提高或軟磁片寬度減小時會變得更小。因此，彈體通過炮口人工磁場可將其視為一點。

2.2 求解滾轉基準角

定義滾轉角Φ為磁阻傳感器A軸線方向與人工磁場方向的夾角，即為與射擊平面的夾角。由基本假設可知，將炮口人工磁場視為一點，則根據此點處磁阻傳感器的測量數據與角度Φ0和場強 B0的關系可解得滾轉基準角Φ0。

圖3 炮口橫截面方向磁場作用示意圖

如圖3所示，炮口橫截面方向人工磁場強度為B0(取為地磁場100倍左右)，在射擊平面內，與水平面垂直，此時彈體內磁阻傳感器的測量值為Bn0。根據磁阻傳感器測量原理，其值為人工磁場在其方向上的分量值，即:

根據其幾何關系可知，

出炮口之后，由圖2可知，彈速先增加然后減小并趨于穩定值，變化曲線如圖4所示。

圖4 磁阻傳感器A的測量曲線變化

根據圖4可知，在t1時刻，彈體出炮口，在此點可知為滾轉基準角 Φ0。由于彈體的轉速是變化的，則滾轉角的變化也是變周期的，但相對于整個飛行時間，變化時間非常短，滾轉角的調整周期也很快趨于穩定，趨于 Tn。

在實際測量過程中，用相鄰的兩個零點之間半個周期來計算整個周期，提高數據的更新速度，由于A和B是正交的，也就是滾轉角始終相差90°，因而利用磁阻傳感器A和B測量周期的均值提高實時性，從而有:

則有穩定階段的任意時刻的滾轉角計算值:

3 系統設計實現的總體方案

由基本工作原理，測量系統主要包括炮口人工磁場組件、彈體內部磁阻測量組件、數據處理組件和電源，以內部晶振為時鐘基準。系統框圖如圖5所示。下面簡單介紹炮口人工磁場部件、磁阻傳感器、放大濾波電路、微處理器各個模塊的要求。

圖5 滾轉角測量系統工作原理框圖

炮口人工磁場組件可以選擇市場上普遍采用的軟磁片，由于軟磁片的使用較為靈活，需要在考慮其磁場的強度大小、穩定性、經濟性，以及在炮口上的使用性。地磁場強度一般為0.5～0.6Gs，因此強度可以選擇50Gs左右，安裝方向為沿炮口與射擊面的交線對稱。磁阻傳感器的選擇必須滿足量程和靈敏度的要求。放大及濾波電路是必須的，因為地磁場產生的信號為微弱的電壓信號，需要共模抑制比高、噪聲低、失調電壓低、穩定性好的弱信號放大器;根據設計需求，低速旋轉下，可以進行簡單的低通濾波，既可減輕處理器負擔，又提高了測量精度。處理器的選擇可以根據數據量的大小來確定，針對的是低速旋轉的彈體，測量實時數據量不大，數據計算也非常簡單，則可以選擇DSP為核心，如TI公司的C6000系列。

4 結論

采用加裝炮口人工磁場的方式，為彈體滾轉角的測量提供基準角，方法簡單易行，且數據處理計算量小，適用于試驗測試中的滾轉角測量。但是此方法適用于低速旋轉的彈體，高轉速下假設條件會打破，誤差會加大。此外，在進行原理的討論時，沒有進行誤差的分析和補償以及具體的試驗研究，這將是下一步重點研究和需要解決的問題。

[1]雷芳，王華，焦國太，等.彈道修正彈藥的姿態測量技術研究[J]. 彈箭與制導學報，2009，29(4):123－125.

[2]王廣龍，祖靜，張文棟.地磁場傳感器及其在飛行體姿態測量中的應用[J].北京理工大學學報，1999，19(3):361－364.

[3]Titterton D，Weston J. Strapdown inertial navigation technology[R].2nd ed. AIAA，2005.

[4]高峰，張合.基于基準角和補償角的常規彈藥滾轉角磁探測算法研究[J].探測與控制學報，2008，30(5):11－15.

[5]曹紅松，陳國光.飛行彈體滾轉姿態探測方法研究[J].彈箭與制導學報，2004，24(1):141－142.