制導炮彈姿態(tài)測量技術綜述

陳勝政，楊 波，宋宇航，張 意

(西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

彈體姿態(tài)信息作為制導炮彈制導控制系統(tǒng)中十分重要的信息之一，承擔著控制指令分解、制導信號坐標變化、姿態(tài)增穩(wěn)控制、捷聯(lián)慣性中制導以及捷聯(lián)末制導過程中的導引信號姿態(tài)解耦等重要任務，其測量精度直接影響制導炮彈的命中精度。因而，自制導炮彈問世以來，彈體姿態(tài)測量技術一直作為一項十分重要的關鍵技術而被各個國家的彈藥設計師所重視，并發(fā)展起來了多種測量技術，促進了制導炮彈的持續(xù)發(fā)展。

與導彈、火箭彈相比，制導炮彈特殊的使用環(huán)境和使用方式對姿態(tài)測量技術提出了新的挑戰(zhàn)和要求，導致成熟運用于導彈、火箭彈的姿態(tài)測量技術無法直接移植到炮彈上。本文對制導炮彈的姿態(tài)測量技術進行初步探討，以為相關技術人員提供一定的啟發(fā)和借鑒。

1 制導炮彈概述

制導炮彈是一種在無控炮彈的基礎上，通過采用精確制導技術、加裝精確制導系統(tǒng)或修正系統(tǒng)[1]而發(fā)展起來一類低成本精確打擊彈藥。由于使用了精確制導技術，其命中精度大幅度提高，大大提高了火炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。此外，通過進一步采用火箭助推、滑翔增程控制以及復合增程技術等手段來大幅度拓展制導炮彈射程[2]，使火炮平臺進一步具備遠程甚至超遠程的精確打擊能力，從而使得火炮武器的作戰(zhàn)使用更加靈活，戰(zhàn)術地位更加鞏固。基于此，制導炮彈一經問世，便作為一類十分重要的精確打擊彈藥而迅速發(fā)展起來。目前，制導炮彈已經發(fā)展成一個龐大的家族，從口徑上分，包括57、76、100、105、120、125、127、130、152、155、240 mm[3]等主流口徑，平臺涵蓋防空高炮、迫擊炮、坦克炮、中大口徑榴彈炮等，射程從幾百米至超過一百八十公里，并且在伊拉克、阿富汗、車臣反恐等局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮過重要作用，獲得了國際上主流軍事大國的廣泛認可。典型型號有前蘇聯(lián)的152 mm紅土地/米尺/紅土地M激光制導炮彈，100 mm/105 mm坦克炮射導彈，120 mm“晶面”制導迫彈等，美國“銅斑蛇”155 mm末制導炮彈，XM982“神劍”155 mm制導炮彈[4]，海軍127mm艦炮增程制導彈藥(ERGM)[5]，120 mm精確增程迫擊炮彈等，以及以色列120 mm拉哈特炮射導彈等。

2 制導炮彈對姿態(tài)測量技術的能力需求及技術難點

受發(fā)射平臺及作戰(zhàn)使用方式的限制，制導炮彈用姿態(tài)測量技術與導彈、制導火箭彈相比有較大差異，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 要求具備很高的抗發(fā)射過載的能力。制導炮彈具有很高的發(fā)射過載，一般迫擊炮彈、中大口徑榴彈最大過載達到10 000～20 000g，而部分小口徑制導炮彈最大過載甚至達到30 000g以上。而導彈、火箭彈過載一般僅幾十到幾百g的水平。制導炮彈很高的發(fā)射過載對姿態(tài)測量器件提出了嚴峻考驗：在高過載沖擊后，測量器件不僅不能損壞，其工作性能以及可靠性還要求與沖擊前相當。目前，一般通過選用具備抗高過載能力的器件、艙段灌封以及巧妙的抗高過載彈體設計等手段，來綜合提高測量系統(tǒng)的抗過載能力。然而，實際工程經驗表明，一般慣性器件在受到沖擊后，其測量精度往往都會下降，從而導致測量誤差變大。因此，制導炮彈姿態(tài)測量既要具備抗高過載能力又要具備較高的測量精度，這是最主要的技術難點之一。

2) 制導炮彈無方位裝填、發(fā)射后上電的作戰(zhàn)使用模式，要求姿態(tài)測量系統(tǒng)具備空中初始對準的能力。制導炮彈總體設計時，考慮到作戰(zhàn)的便利性以及對現(xiàn)有裝填系統(tǒng)和現(xiàn)有火炮的適應能力，其裝填方式往往要求設計成與無控炮彈一致，即無方位裝填的裝填方式。此外，為了最大限度簡化作戰(zhàn)流程，提高作戰(zhàn)使用的快速性，也為了提高彈上電子部件的抗發(fā)射過載能力，制導炮彈往往設計成發(fā)射后上電的工作模式。在無方位裝填、發(fā)射后上電的作戰(zhàn)使用模式下，彈上姿態(tài)測量系統(tǒng)是沒有初始基準的，因而要求姿態(tài)測量系統(tǒng)具備在空中初始對準的能力。由于制導炮彈在空中飛行時，其姿態(tài)、位置持續(xù)變化，要實現(xiàn)高精度的初始對準，難度很大。

3) 適應彈上火工品沖擊的能力。為了適應管式發(fā)射，起飛前的制導炮彈尾翼、舵翼均需折疊在彈身內部，起飛后利用火工品產生的解鎖力而實現(xiàn)定時張開。此外，為了對導引頭光學系統(tǒng)施加保護，一般末制導炮彈彈體前端還帶有頭錐。頭錐的分離動作也是利用火工品的沖擊力來實現(xiàn)。彈上火工品作用時，將產生較大的沖擊載荷，導致測量器件不僅僅需要承受發(fā)射過載沖擊，還需要多次承受彈上的火工品帶來的沖擊力，這對姿態(tài)測量器件的抗沖擊能力和安裝方式提出了更高的要求。

4) 滾轉通道測量要求高?？紤]到大多數無控炮彈本身是旋轉彈，為了降低成本，設計師們一般仍將制導炮彈彈體設計成旋轉的。由于制導炮彈全程速度跨度大，導致轉速范圍較寬，最大轉速高，這要求測量系統(tǒng)具備對滾轉通道的大量程、高精度的測量能力。

3 姿態(tài)測量器件發(fā)展現(xiàn)狀

目前，制導炮彈的姿態(tài)測量器件主要有機械式慣性陀螺儀、地磁傳感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計等。

3.1 機械式慣性陀螺儀

機械式慣性陀螺儀是早期的制導炮彈廣泛使用的姿態(tài)測量器件。典型產品有俄羅斯的100 mm/105 mm坦克炮射導彈、152 mm“紅土地”激光末制導炮彈等。

100 mm/105 mm炮射導彈采用一個帶重力擺的三自由度機械式陀螺儀，實時測量彈體的滾轉角信息，通過重力擺建立起滾轉基準，實現(xiàn)滾轉姿態(tài)的初始對準及持續(xù)測量，測量精度小于4°(20 s)。

152 mm“紅土地”激光末制導炮彈亦采用機械式三自由度陀螺儀，如圖1所示。利用彈道滑翔段和末制導段的彈道特性，在彈道頂點附件完成初始對準，在彈道降弧段以后，同時進行俯仰、滾轉姿態(tài)測量，為制導炮彈中制導、末制導控制提供滾轉角和俯仰角信息。

機械式慣性陀螺可靠性高、成本低、抗干擾性好、發(fā)射過載和彈上環(huán)境適應能力強，其缺點是體積大、重量重、工作時間短、使用條件受限等，主要應用于早期的末制導炮彈，目前已經較少使用。

圖1 152 mm末制導炮彈陀螺儀Fig.1 152 mm TGP gyro

3.2 地磁傳感器

地磁傳感器測姿，是利用旋轉彈箭飛行區(qū)域內的地磁場矢量在旋轉彈箭彈體坐標系下的投影分量與地面坐標系下的投影分量之間的坐標轉換關系[6]，建立關于三個歐拉角的聯(lián)立方程組來進行的。地磁場同重力場一樣，是一種全球性的基本物理場[7]。地球表面任意一點的地磁場為一個矢量B，為已知信息。地磁場矢量B可通過檢索當地地磁場數據庫或由世界地磁場模型[8](world magnetic model，WMM)計算得出，也可采用三軸磁強計現(xiàn)場測量得到。記B在北天東坐標系下的分量為(Bx、By、Bz)，與彈體系固聯(lián)的三軸磁傳感器輸出的B的三分量記為(Bx1、By1、Bz1)。二者之間的坐標轉換關系及公式見圖2，其中ψs為射向與北向的夾角，定義為北向角，(γ,?,ψ)為彈體系與發(fā)射系的三個歐拉姿態(tài)角[9]。

圖2 坐標轉換關系及轉換公式Fig.2 The ralationship and fomula of coordinate transformation

由圖2可見，通過坐標轉換關系，可以建立起關于三個歐拉角的姿態(tài)解算關系矩陣，從而實現(xiàn)姿態(tài)解算。姿態(tài)解算關系矩陣見式(1)。

(1)

但值得注意的一點是，式(1)中形式上可以建立三個方程，但其實只有2個是獨立的，因此僅靠該式無法實現(xiàn)3個歐拉角的同時解算，也就是說無法僅通過1套三軸地磁傳感器來實現(xiàn)三個姿態(tài)的同時測量。目前，一般將地磁傳感器與衛(wèi)星定位儀組合起來用，進行制導炮彈/修正炮彈的滾轉角初始對準[10]及持續(xù)解算。

地磁傳感器具有成本低、體積小、抗過載能力強、信號處理簡單、算法容易實現(xiàn)[11-12]等優(yōu)點，已成為國際上低成本制導/修正炮彈最主要的滾轉姿態(tài)測量手段，典型應用如美國的120 mm精確增程迫擊炮彈、以色列的衛(wèi)星修正迫彈等。缺點是精度偏低，最大測量誤差達到10°左右，且易受干擾。主要用于滾轉角精度要求不高的低成本彈藥，或作為輔助測姿使用。

3.3 MEMS器件

微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS) 在20世紀80年代隨著微機械技術的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來，是微電子加工技術與微機械加工技術結合的產物[13]。MEMS器件按基材分，可分為硅基器件和石英基器件兩類。其中硅基器件抗過載能力強，是當前制導炮彈廣泛使用的器件。MEMS器件的突出優(yōu)點是體積小、重量輕、工作時間長，適于大批量加工，且成本極低。

3.3.1MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀是將MEMS技術與陀螺儀技術結合在一起發(fā)展起來的新型陀螺儀，按測量原理可分為速率陀螺和角度陀螺兩類，但角度陀螺儀目前尚不成熟。目前一般所指的MEMS陀螺均為MEMS速率陀螺儀。

由于MEMS陀螺儀僅能測量彈體的姿態(tài)角速率，其輸出信號可直接用于阻尼回路控制。但作為姿態(tài)導航時，存在無法初始對準的問題，一般將其與衛(wèi)星定位儀或其他測量器件組合使用，實現(xiàn)組合導航解算。應用于制導炮彈的MEMS陀螺儀主要性能如下：X軸陀螺量程達到3 600 (°)/s，Y/Z軸一般達到300 (°)/s，全溫范圍零偏不大于0.02 (°)/s，非線性0.3‰～0.5‰，通過灌封、減震等措施，不帶電情況下的抗過載能力達到20 000g以上。

3.3.2MEMS加速度計

MEMS加速度計用于敏感自身所處位置的比力信息，原則上不屬于姿態(tài)測量器件。但由于加速度計是相對彈體坐標系固聯(lián)安裝的，其輸出的比力信息里含有姿態(tài)信息，將其與衛(wèi)星、陀螺等其他信息組合后，可實現(xiàn)組合導航能力。因此，將加速度計也納入姿態(tài)測量器件的范疇里。

3.3.3MIMU

微型慣性測量單元(miniature inertial measurement unit, MIMU)，是一種重要的姿態(tài)測量裝置，它是由MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、專用集成電路(ASIC)、嵌入式微機及相應的導航軟件組成，提供運動載體的位置、速度和姿態(tài)信息。

目前，典型的MIMU是采用三個陀螺形成三軸MIMU，或三個陀螺+三個加速度計形成六軸MIMU組件[14]。MIMU組件的突出優(yōu)點是體積小、重量輕，六軸MIMU封裝后的大小僅與一枚硬幣相當，與機械式慣性陀螺相比幾乎可以忽略不計。

圖3 六軸MIMUFig.3 6 axis MIMU

此外，MEMS器件還具有成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點。自20世紀90年代至今，MEMS器件逐漸成為制導炮彈最廣泛使用的姿態(tài)測量器件。由于MEMS技術的廣泛使用，使得制導炮彈逐漸淘汰了機械式陀螺儀，制導炮彈導航及測姿進入了微慣性時代。

4 組合導航方式

由以上的論述可見，除機械式慣性陀螺儀以外，其余測量器件僅靠自身是難以實現(xiàn)有效的空中自對準以及后續(xù)持續(xù)的姿態(tài)導航解算能力的。因而需要研究組合導航方法，利用多傳感器來構成組合導航系統(tǒng)，將多種信息源有效融合，通過先進的濾波算法以及數據處理方法，來實現(xiàn)導航系統(tǒng)自對準以及高精度的姿態(tài)導航方式。MEMS器件和地磁器件作為當前主流的導航器件，國內外的學者及設計師們以其為核心，做了大量研究工作，取得了較多成果，部分成果應用于實際的工程型號，取得了良好的效果。主要的導航方式有以下幾種。

4.1 地磁+衛(wèi)星組合導航方式

地磁傳感器一般用在衛(wèi)星修正炮彈/制導炮彈[15]上，將地磁信息與衛(wèi)星定位儀信息結合，實現(xiàn)低成本的滾轉姿態(tài)角解算要求。這是目前衛(wèi)星修正炮彈/制導炮彈最常用的滾轉姿態(tài)測量方式。在此種導航模式下，一般要求制導炮彈彈體低速滾轉，導航算法利用滾轉效應消除部分傳感器誤差，從而獲得更高的解算精度。圖4是地磁+衛(wèi)星組合導航方式解算出的滾轉角信號及地磁原始量。

由于地磁器件的成本極低且技術十分成熟，使得此種導航成為國際上最為廣泛使用的低成本滾轉姿態(tài)導航方式。采用該種方式進行滾轉姿態(tài)導航的典型產品有美國的PGMM 120 mm修正迫彈、以色列的“匕首”120 mm修正迫彈等。

該種導航方式的缺點是僅能進行滾轉姿態(tài)導航，且精度不高。

4.2 陀螺+衛(wèi)星組合導航方式

目前，國內外大量科學家或工程師針對衛(wèi)星+MEMS陀螺進行初始對準以及后續(xù)的組合導航[16]技術，開展了大量的基礎性研究，提出了多種算法。圖5是某種算法的數字仿真結果，在彈體存在一定錐擺運動條件下，考慮衛(wèi)星信號存在一定誤差的情形，利用卡爾曼濾波等先進濾波手段，該算法仍能使?jié)L轉角解算精度穩(wěn)定在5°以內。

圖4 地磁+衛(wèi)星組合導航解算滾轉角Fig.4 Rolling angle solution of integrated navigation

圖5 滾轉角的解算誤差(考慮彈體錐擺和衛(wèi)星信號誤差)Fig.5 Rolling angle solution error

通過某型炮彈的搭載飛行實驗，進一步驗證了該算法的可行性。

本組合方法的優(yōu)點是成本低、結構簡單，可同時實現(xiàn)滾轉、俯仰、偏航三姿態(tài)的導航解算。但由于陀螺與衛(wèi)星定位儀信號本身的關聯(lián)性不強，該種算法僅在特定的彈道環(huán)境下效果較好。

4.3 陀螺+加速度計+衛(wèi)星組合導航方式

在陀螺+衛(wèi)星組合導航的基礎上，進一步引入加速度信息，利用加速度計信息更新快、短時精度高[17]等特點，實現(xiàn)組合姿態(tài)導航能力。該方法由于引入了加速度及信息，克服了4.2節(jié)所述方法存在的陀螺與衛(wèi)星定位儀信號關聯(lián)性不強的問題，導航精度大大提高。該種方式的優(yōu)點是導航精度高，且同時具備彈體質心位置坐標、彈體三個姿態(tài)的導航解算能力[18-19]。

目前，國外多型制導炮彈如美國海軍的ERGM和陸軍XM-982“神劍”155 mm制導炮彈、法國的鶉鵬(Pelican)精確增程炮彈均使用了該方法，實現(xiàn)了制導炮彈的高精度姿態(tài)導航。

4.4 陀螺+地磁組合導航方式

將地磁信號包含的姿態(tài)信息與陀螺輸出的速率信息進行結合，研究出新的不依賴于衛(wèi)星的姿態(tài)導航方式[20]。目前，該方式尚處于理論研究階段，尚無可以直接使用的成熟算法。

5 結論

制導炮彈作為一類十分重要的精確打擊彈藥，其姿態(tài)測量技術一直被世界各國所重視。伴隨著制導炮彈的技術發(fā)展，姿態(tài)測量技術也不斷取得長足進步。本文對姿態(tài)測量技術的發(fā)展脈絡、測量器件優(yōu)缺點及應用情況、組合導航方法等方面進行了剖析，可為同行業(yè)的設計師、學者們提供一定的借鑒和參考。