旋轉制導彈藥姿態測試技術研究現狀分析

高麗珍,張曉明,李 杰

(1.中北大學 電氣與控制工程學院， 太原 030051; 2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

現代戰爭要求進攻武器向信息化、智能化轉變，必須具備精確遠程打擊能力和快速機動反應能力。而目前我軍廣泛裝備的各類炮彈、榴彈、迫擊彈等常規彈藥難以滿足上述作戰要求。因此，彈藥的制導化、信息化改造是常規彈藥發展的必然趨勢，也是當今世界精確制導武器發展的重要方向。

常規彈藥制導化改造主要是通過彈體姿態控制來間接實現其質心外彈道軌跡的控制。單通道控制方案具有彈上控制設備少、控制系統簡單的突出優點，使其成為常規彈藥的制導化改造中首選控制方案[1-2]。單通道控制是在彈體軸向自旋穩定飛行過程中，僅采用一個控制通道控制執行舵面在兩個極限位置間交替偏轉，實現對彈體偏航、俯仰控制，使彈體沿著期望制導彈道飛行。但彈體自旋帶來的馬格努斯效應使得彈體俯仰通道和偏航通道間的運動狀態相互耦合，必須實時準確測量彈體姿態(尤其是滾轉角)，才能實現俯仰和偏航兩通道的解耦控制。因此，旋轉彈藥制導化改造過程中，彈體飛行姿態尤其是滾轉角參數的實時準確獲取是彈藥實現精確制導控制的前提條件。

1 旋轉制導彈藥姿態測試技術瓶頸

1.1 旋轉彈藥測試環境分析

旋轉彈藥飛行過程中所經歷的惡劣彈載環境對彈載姿態測試系統帶來嚴重的考驗[3-4]。發射高過載下姿態測試系統性能難以保證。常規彈藥發射瞬間火藥在炮膛內高速燃燒產生高壓氣體，推動彈體在數十毫秒瞬間內達到每秒數百米的高發射初速。這一階段彈載設備承受高達上千g甚至上萬g的高發射過載，要求彈載姿態測試系統在高過載環境下不損壞且性能穩定可靠。彈載姿態測試系統，尤其是測量傳感器經歷高發射過載后會出現不同程度的性能退化，甚至損壞。高動態測試環境對姿態測試系統的實時性帶來巨大挑戰。制導彈藥彈體飛行速度高達2～3Ma，滾轉角速度變化在數千(°)/s到上萬(°)/s范圍變化，偏航及俯仰角速率變化可達數十(°)/s。彈體的姿態、位置及速度等運動參數快速變化，要求彈載姿態測試系統在外彈道飛行中以高數據更新率實時、準確、可靠輸出姿態信息，為彈體控制系統提供實時準確的測量數據。彈體軸向高旋、徑向微旋的特殊姿態運動造成三維角速度矢量的跨量程測量難題。旋轉彈藥采用軸向高旋的陀螺力矩來保證彈體飛行穩定，軸向角速度變化范圍可達每秒上萬度，但全彈道飛行中俯仰角變化范圍僅為數十度，偏航角變化范圍更小。因此，三軸角速度的變化范圍相差懸殊，單一姿態傳感器難以滿足制導控制中三維姿態測量的精度一致條件。

1.2 彈載姿態測試方案分析

受旋轉彈藥的發射高過載、外彈道高動態和軸向高旋等惡劣應用環境的限制，可選用于彈載姿態測量系統較少，主要有微慣性導航系統、地磁測姿系統、太陽敏感測姿系統和衛星導航系統等。然而上述姿態測試系統在實際工程應用中存在應用環境受限、測量精度低、三維姿態信息不全等不足。微慣性測量系統盡管可以提供全部姿態參數，但其在彈載導航應用時存在初始姿態參數獲取困難、MEMS慣性器件發射高過載后產生性能退化、導航誤差隨時間累積等技術瓶頸；地磁測姿系統是建立在外彈道飛行彈體偏航角為零的假設基礎上，通過實時測量彈體坐標系中地磁場矢量來實現旋轉彈藥姿態解算，具有抗高過載性能好、誤差不隨時間積累、成本低等優點，但測量中容易受到彈體磁場干擾、偏航角機動等影響，姿態測量精度較低。太陽敏感測姿系統每個旋轉周期僅能提供一組姿態數據，無法滿足姿態實時性測量要求，且不能全天時、全天候工作。衛星導航系統提供導航信息不存在誤差累積等缺陷，但在彈體出炮膛后高動態運動環境中需要經歷較長時間的衛星信號捕獲、跟蹤，才能輸出導航數據，且存在數據更新率低、天線安裝困難、無姿態信息等問題。因此單一姿態測量手段無法滿足旋轉彈藥實時可靠準確的姿態測量需求。MEMS陀螺測姿具有短時精度高但姿態誤差積累的特點，而地磁測姿誤差不隨時間積累但定姿精度低。采用地磁/陀螺測量信息融合測姿將二者信息優勢互補，可以有效提高彈體測姿精度和系統可靠性。基于MEMS陀螺/地磁信息的組合姿態測量方案具有抗高過載、姿態更新率高、自主、體積小、成本低、安裝方便等優勢，成為旋轉彈藥制導化中姿態測試的主要方案之一。

2 國內外研究現狀分析

2.1 彈體姿態測量技術發展現狀

世界科技與軍事強國近20年來一直都致力于推進炮彈、槍彈和火箭彈等常規彈藥的制導化改造，并不斷研制高性能的智能化彈藥。彈體飛行姿態參數的準確測量是保證智能彈藥研制的關鍵技術。由于惡劣測試應用環境，該技術也是制約各類常規彈藥的制導化改造進程的瓶頸。隨著彈藥制導化的打擊精確要求的升級，單一姿態測試系統已無法繼續滿足高精度姿態測量要求，需要采用多傳感器組合測量技術來實現彈體姿態全程全參數高精度測量。

慣性測量技術是自主式測量技術，能夠實時輸出彈體三維姿態信息，是目前制導武器使用最為普遍的姿態測試方法。利用陀螺測量所得彈體角速率信息進行三維姿態解算，陀螺測量精度很大程度決定了姿態解算精度。隨著MEMS技術的發展，微機械慣性傳感器具有抗過載性能好、小體積和成本低等優點，成為常規彈藥制導化改造中的姿態測試傳感器的首選[5-6]。以美國為首的西方國家在MEMS陀螺及導航測試系統技術方面處于世界領先的位置，所研制的部分MEMS慣性器件能夠承受火炮發射時所產生的極高過載。美國 Draper 實驗室、JPL、Honeywell、ATK公司以及一些著名研究中心等在低成本微型慣性與組合測量技術等方面取得成效卓著成果，測試系統向中高精度、組合導航測試方向發展。美國IEC公司研制的MEMS微慣性測量系統2001年在155 mm火炮發射中得到成功應用，圖1所示為美國IEC公司研制的MIMU；美國ATK公司研制的精確制導測量組件是這種基于MEMS傳感器的彈體姿態測量技術的杰出代表，圖2所示為美國“ATK”的精確制導測量組件，2009年首批列裝2萬套、單價為3 000美元。

地磁姿態測量方法是通過實時測量彈體坐標系中的地磁場信息來確定彈體姿態信息，具有自主式測量、隱蔽性好且誤差不隨時間積累等優點。近幾年在常規彈藥姿態測量中重新受到各國重視。磁阻傳感器具有全固態結構、體積小、功耗低、抗沖擊能力強的特點適用于常規彈藥姿態測量[7-8]。美國Honeywell公司的磁阻傳感器(AMR)是代表目前業界的最高水平。國外已經將磁阻傳感器應用于制導彈藥的姿態測量系統中。法國正在發展一種采用地磁場姿態測量系統的新型靈巧彈藥，并進行了磁測姿態濾波器原理樣機的炮彈發射試驗，驗證了捷聯地磁傳感器用于彈藥測姿的可行性，且測量也相當精確[9]，法國智能彈藥磁測姿態試驗如圖3所示。

瑞士與德國聯合研制的用于火箭彈彈道修正的“CORECT”組合測量模塊，該測量模塊由地磁傳感器和GPS組成，利用彈載磁場傳感器測量所得的地磁場信息計算彈丸滾轉姿態，由內部集成的GPS完成彈體速度和位置測量，該測量模塊已在多管火箭系統得到成功應用，并于2009年開始批量生產[10]。

近20年來，國內在常規彈藥制導化改造取得不少成就。在2004年珠海航展上首次亮相的“WS-2” 制導火箭彈，是目前口徑最大，射程最遠的火箭炮，最大射程可達480 km，采用了基于慣性和衛星組合姿態測量技術，射擊準確度小于3‰。

2.2 彈載地磁/陀螺測量標定技術現狀

彈載地磁場信息及彈體角速度信息的準確獲取是實現旋轉彈藥姿態高精度測量的前提，但由于制造、安裝、信號處理以及彈載惡劣的應用環境等因素的影響，地磁/MEMS陀螺傳感器測量會引起多種形式的誤差。為提高傳感器的測量精度，通常在發射前利用高精度的標定設備對傳感器進行校準，以獲取傳感器的零偏、標度因數誤差和交叉耦合誤差等相關誤差補償參數。

MEMS陀螺、加速度計慣性傳感器大多借助于高精度轉臺對其進行參數標定校準工作。高精度轉臺標定方法不適用于對安裝于載體上的慣導器件進行現場快速標定。國內外近年來開展了基于外界輔助信息的慣性導航系統參數的在線標定方法。高偉提出一種基于卡爾曼濾波技術的現場標定方法，在載體處于S型機動狀態以速度為外部觀測量可以有效提高現場標定的精度[11]。劉詩斌等提出了一種基于磁傳感器輸出的 MEMS 陀螺標定方法，并根據 MEMS 陀螺誤差參數模型設計相應的補償算法，分別對 MEMS 陀螺的零偏和標度因數誤差進行了補償。該方法實現簡單，適用于現場標定[12]。

地磁傳感器在工程使用中首先需要選擇受載體干擾磁場小的“磁潔凈區”進行安裝，以盡量減小載體自身磁干擾。磁傳感器的標定相對復雜，除了完成傳感器的零偏、標度因數誤差和交叉耦合誤差標定外，還需要完成對載體干擾磁場的標定工作。Lasse Klingbeil等在將三軸磁傳感器測量模型和干擾磁場模型相統一，提出了基于橢球擬合和SVD的磁傳感器標定方法，實現干擾磁場和磁傳感器參數的統一標定與補償[13-14]。Takaya Inamori1針對遙感納衛星PRISM中定姿，提出了基于IGRF模型的三軸磁傳感器及其干擾磁場在線標定方法，再利用磁測數據對陀螺進行在線標定[15]。

目前，地磁/陀螺傳感器的在線標定研究主要是根據無人機、微納衛星、車輛等載體的運動模式展開的，而專門針對旋轉彈藥軸向高旋的運動特點的在線標定方法尚未開展研究。

2.3 基于多源信息的彈載姿態融合技術

制導彈藥飛行的高速、高機動特點，要求姿態測試系統必須以數kHz的數據更新率提供實時姿態信息，為彈載控制系統提供測量信息。常規組合導航算法計算量大，數據更新率低，不能滿足制導彈藥的實時性和可靠性要求。

1) 彈載地磁定姿算法。在地磁測姿解算方法上，國內外研究者主要采用了彈體外彈道飛行中偏航角為零的假設，實時獲取彈體俯仰角和滾轉角，并不滿足制導彈藥航向機動飛行中的全姿態測量需求。美國空軍研究實驗室提出MAGSONDE[16]磁導引頭，采用兩軸斜置磁傳感器測量彈體姿態，彈體每個旋轉周期可輸出一組姿態角信息。陳勇巍[17]、高峰[18]和李玎[19]等在MAGSONDE基礎上提出了比值法測姿，彈體每個旋轉周期可輸出兩組姿態角信息。該類方法利用彈載磁測信號的過零點及極值點的特征輔以查表法來求解彈體姿態，具有無需裝訂地磁分量、計算簡單等特點，但姿態數據更新率低，且不適合彈體航向機動時進行測姿。曹紅松等[20]提出了基于地磁/陀螺組合彈藥姿態測量方法，由單軸陀螺和三軸地磁傳感器組成姿態測量方案，利用陀螺測量所得滾轉角速率積分得到滾轉角，然后根據磁測解算原理解出其余兩個姿態角。該解算方法簡單，但測量精度有限，姿態誤差受陀螺積分作用，存在隨時間累積問題。國內外磁測彈體姿態的研究主要集中于單純的磁測解算方法與系統集成的研究，姿態測量精度還有待進一步提高，若采用其他輔助信息進行組合導航測量可以實現信息融合、優勢互補、協同超越，可以有效的提高彈體姿態測試性能。

2) 彈體姿態測量的濾波技術。彈體飛行過程中的彈道動力學模型是強非線性和時變的，因此基于Kalman的線性系統濾波方法并不能直接應用于彈體定姿濾波估計。國內外對非線性系統的濾波技術的研究可分為基于信號的非線性濾波方法和基于模型狀態的非線性濾波方法兩種。基于信號的非線性濾波方法主要有小波分析、神經網絡、模糊控制等非線性信號濾波方法；基于模型狀態的非線性濾波方法主要包括基于Kalman思想的EKF(Extended Kalman filter)、UKF(Unscented Kalman filter)和CKF(Cubature Kalman Filter)濾波方法以及基于貝葉斯采樣估計的粒子濾波PF(Particle Filter)等。EKF是基于當前狀態估值的Taylor級數展開線性化近似方法，是當前應用最為廣泛的非線性濾波算法。但非線性系統模型經過線性化后，會造成系統模型與實際系統之間的不匹配，模型誤差容易引起狀態估計的不準甚至發散。受彈載計算硬件能力限制，PF濾波或Monte Carlo濾波等其他濾波算法的實時性能很難滿足彈載組合導航應用要求，而基于Kalman濾波算法(KF、EKF、UKF)仍舊是當前彈載導航、制導領域中應用的重點。

3 關鍵技術及發展趨勢

基于MEMS陀螺/地磁信息的組合姿態測量在實際彈載應用中仍存在以下瓶頸技術，制約了彈體姿態的工程化應用。

1) 彈體干擾磁場的實時準確補償問題：利用地磁場信息進行彈體姿態測量的前提是準確獲取地磁穩定場矢量數據，而彈載磁傳感器測量值中除含有地磁穩定場矢量的有用信息外，還含有彈體干擾磁場。彈體干擾磁場受外界磁場、飛行姿態、彈載電氣設備、彈體鐵磁材料長期存儲磁化等因素的影響而發生變化。事先標定的彈體干擾磁場參數并不能準確反映外彈道飛行中的彈體干擾磁場變化。因此如何在外彈道飛行過程中對彈體干擾磁場進行在線標定與補償，從而精確測量地磁場矢量，成為地磁測姿的前提條件。

2) MEMS陀螺參數的在線標定問題：MEMS陀螺受微電子工藝的限制，其靜態參數、動態參數均具有短期穩定性高、長期緩慢漂移的不足。這對于長期儲存的彈藥日常維護中傳感器標定帶來很大的不便，同時制約了彈藥“隨停隨打”快速精確打擊能力。前期實彈測試發現MEMS陀螺在經歷發射過載后的外彈道飛行中出現測試性能退化，造成器件參數發生漂移。因此如何在彈體飛行中對陀螺性能參數進行在線標定并實時補償，是實現精確彈藥的即時發射的必要保障。

3) 地磁/陀螺信息的實時高效融合：制導彈藥飛行的高速、高機動特點，要求姿態測試系統必須以數KHz的數據更新率提供實時姿態信息，為彈載控制系統提供測量信息。常規組合導航算法計算量大，數據更新率低，不能滿足制導彈藥的實時性和可靠性要求。因此，如何實現地磁/陀螺信息的實時高效融合，是實現精確彈藥姿態測量的關鍵核心技術。

綜合國內外上述研究現狀來看，受旋轉彈發射高過載、高自旋、高動態和空間狹小等因素制約，適用于旋轉彈姿態測量的主要有微慣性測量系統、磁測姿態系統和衛星導航系統以及它們的組合形式。單一姿態測試系統應用于旋轉彈藥時，主要存在初始參數獲取困難、無法實現全程全姿態測量、且測量精度低等問題；而現有組合測姿方法主要針對低速旋轉彈藥的姿態測量，無法直接應用于高速旋轉彈姿態測試。因此，旋轉彈姿態測量技術將需要進行3個關鍵技術轉變：由單一測試系統向多傳感器組合姿態測量系統轉變，以滿足復雜環境精確制導的測試需求；由測量傳感器事先標定向空中在線標定轉變，以滿足快速發射、發射后不管的戰術需求；由無控飛行姿態測量向機動飛行的全姿態高精度測量轉變，以滿足對機動目標的精確打擊需求。

4 結論

實時姿態信息的準確獲取是旋轉彈藥制導化改造核心關鍵技術之一。本文在分析了旋轉彈藥彈載環境中姿態信息獲取瓶頸的基礎上，提出了基于MEMS陀螺/地磁信息的姿態組合測試方案，該方案可利用MEMS陀螺測姿短時精度高、地磁測姿誤差不隨時間積累特點，將地磁/陀螺測量信息融合測姿實現優勢互補，可以有效提高彈體測姿精度和系統可靠性。預計該方案具有抗高過載、姿態更新率高、自主、體積小、成本低、安裝方便等優勢，并指出了亟待解決的關鍵技術及發展趨勢。