磁阻传感器测量旋转弹滚转姿态的原理分析

针对用磁阻传感器测量旋转弹滚转姿态的问题,提出了磁阻传感器滚转角及磁阻传感器滚转角速率的概念,给出了磁阻传感器测量方程和磁阻传感器滚转角速率的测量方程.经过理论推导给出了弹体滚转角速率与磁阻传感器滚转角速率的关系式,分析结果表明弹体滚转角速率与磁阻传感器滚转角速率之间的测量误差受弹丸俯仰姿态、偏航姿态和射向的影响.数值仿真表明,弹丸滚转角速率的地磁测量方法在一定条件下是可行的,但在工程实际应用中难以保证滚转角的精确测量.     

基于炮口人工磁场的弹体滚转姿态测量技术

应用地磁场进行姿态测量是目前的研究热点,特别是将其应用于弹道修正弹上的,为滚转角的测量提供技术支持。通过在炮口加装人工磁场,为弹体滚转角的测量提供基准角,飞行过程中利用磁阻传感器敏感地磁场,获得弹体的实时滚转姿态。重点对滚转角测量方法的基本理论和工作原理进行了阐述,并对系统实现方案进行简单介绍,此系统可以实现滚转角的实时测量,且方法简单易行。     

抗干扰弹载地磁测姿系统设计

实时准确的弹丸姿态测试是实现高速旋转弹丸正确修正的关键技术。受弹丸高转速、发射时高过载及全天候使用等因素的限制,地磁测量弹体姿态成为解决该关键问题的唯一途径。根据地磁场基本特性、磁阻传感器测量姿态的基本原理,建立了飞行过程中实时解算弹体姿态的简化模型。针对弹体剩磁、舵机干扰等众多影响磁传感器准确测量的问题,设计了抗干扰的弹载地磁测姿系统。为了评估地磁测量弹体转速和滚转角的精度,与基于光敏器件和太阳方位角的绝对滚转角测量系统同时进行飞行试验,通过飞行试验验证,所设计的抗干扰系统有效地减小了弹体剩磁和舵机干扰的影响,基于地磁信息解算出的滚转角速率与光敏器件测量得到的绝对滚转角速率误差在0.5 Hz,解算出的滚转角度误差为6°,符合工程应用的要求。     

一种灵巧弹药的滚转估计方法

灵巧弹药的滚转估计是保证制导性能的关键。利用GPS数据和陀螺仪输出,得到俯仰和偏航角速度及滚转角角速度调制方程;运用扩展卡尔曼滤波器对灵巧弹药进行滚转估计;最后使用蒙特卡罗法进行仿真。仿真结果表明:该方法能较好地估计弹体的滚转角姿态,误差在允许范围内,有一定的应用价值。     

基于弹道弯曲角速度单矢量的制导炮弹滚转角空中粗对准方法

制导炮弹内弹道呈现高转速、大过载的特点，其导航坐标系统滚转通道无法进行初始对准。针对以上难点问题，根据无控段飞行特性，提出一种基于弹道弯曲角速度矢量的滚转角空中粗对准方法。在无需卫星、机动辅助的条件下，利用重力引起的弹道弯曲角速度矢量作为基准，通过单矢量定姿实现滚转角对准。为消除低精度陀螺仪的零偏、轴偏角等误差的影响，分析了弹体姿态运动测量信息的频域特性，利用FIR带通滤波器提取角速率陀螺信息中弹体滚转频点处的有用分量，并采取对准起始时刻冻结弹体坐标系下的积分策略，平滑随机测量噪声，从而提高对准精度。通过数学仿真手段，探究了惯性陀螺误差对对准精度的影响。数学仿真结果表明：该方法仅利用低精度角速率陀螺即可实现在无控段快速粗对准滚转角，误差在1°左右；在飞行搭载试验中，滚转角对准误差可控制在2°以内。     

地磁传感器测量弹体滚转姿态方法研究

地磁传感器抗过载能力强且成本低,在制导炮弹中得到广泛应用,它的主要功能是测量弹体姿态;介绍了一种双轴地磁传感器测量弹体滚转姿态的方法,该双轴传感器固联在弹体横截面上;该测量方法利用地磁传感器随弹体滚转时感应磁场变化产生的正弦输出解算弹体滚转角速率及滚转方向,利用经纬度信息及弹体俯仰偏航信息,根据地磁场模型计算地磁场矢量在弹体横截面上的投影分量,然后由投影分量解算出滚转姿态角的基准角,最后根据双轴地磁传感器输出和基准角判定弹体姿态角;通过试验验证了该滚转姿态测量方法的可行性,并进行了误差分析,误差在可接受范围内,可满足简易制导炮弹需求。     

航向机动环境中基于陀螺/地磁信息融合的滚转角解算算法

针对传统的制导导弹利用地磁信息精确制导时偏航角变化引起滚转角解算出现较大误差的问题,提出了采用陀螺测量的弹体轴向角速率信息辅助三轴磁传感器信息进行弹体滚转角解算的融合算法,给出了制导导弹自由飞行段和制导飞行段滚转角的解算方法,在高速飞行仿真转台上进行了半物理仿真试验。试验结果表明:在偏航角+60°~-60°大范围偏航变化的情况下,该文所提出的滚转角融合算法的解算精度控制在5°以内,比传统单纯依靠地磁信息进行滚转角解算的精度提高近6倍,为后续制导导弹实现精确打击提供了必要的测试手段。     

基于陀螺和卫星定位组合的滚转角测量方法

针对现有微旋弹滚转角测量方法易受天气条件限制或环境电磁干扰的问题,提出了基于陀螺和卫星定位组合的滚转角测量方法。该方法在分析陀螺测量滚转角原理的基础上,对弹丸滚转角三角函数的两种表达方式求和,将三轴陀螺和卫星定位数据融合建立卡尔曼滤波方程估计弹丸滚转角。仿真和实验表明:滤波估计滚转角准确且滤波算法的收敛速度快,测量误差均值小于2.5°,均方差小于3°,可用于微旋弹或微旋引信的滚转角测量。     

基于磁阻传感器的旋转弹飞行姿态测量方法

在弹体旋转的情况下,角速度陀螺测试滚转角误差较大,飞行姿态测量精度低。文中提出一种基于磁阻传感器代替滚转角速率陀螺,测量滚转弹飞行姿态的方法。通过仿真,基于磁阻传感器测量的姿态角比用滚转角速度陀螺测量的姿态角的精度提高了至少10倍,验证了该方法的可行性,同时也证明了该方法具有较高的精度。由于磁阻传感器成本较低,该方法具有广泛的推广和应用价值。     

弹箭滚转姿态地磁测角仪的卡尔曼滤波算法

为降低地磁测角仪测量地磁场矢量信息解算弹箭滚转姿态角误差,文中运用卡尔曼滤波算法对弹体滚转角进行估计.通过对火箭弹滚转角速度变化规律的分析,用二阶近似表达弹体滚转运动规律作为卡尔曼滤波算法的系统方程,以磁场强度与数字量输出之间的非线性关系作为卡尔曼滤波算法的量测模型.通过实验仿真分析结果表明,滤波所得弹体滚转角、滚转角速度精度满足弹道修正弹要求,可用于弹道修正弹药被动段的弹道控制.     

基于UKF弹体滚转姿态测量方法研究

利用磁阻传感器和GPS等器件的测量信息,建立了地磁/GPS组合弹体姿态测量解算模型,对弹体姿态信息进行实时测量解算。为了提高弹体飞行姿态测量解算精度,建立了弹道滤波方程,采用UKF算法进行数据滤波处理,结合磁阻传感器的输出信息对弹体滚转姿态进行实时解算。数值计算及仿真结果表明:相比于直接使用GPS输出的速度信息进行姿态解算,通过UKF滤波处理后,可以使得地磁/GPS组合测量解算的结果更准确,提高了弹体姿态解算精度。     

基于直线稀疏光流场的微小型无人机姿态信息估计方法研究

针对无人飞行器视觉导航系统的需求,提出一种基于直线稀疏光流场的微小型无人机姿态信息估计方法。研究了图像直线稀疏光流场的概念,并推导出该种稀疏光流场的计算方法;在直线稀疏光流场的基础上,建立了地平线投影模型,并提出一种基于直线稀疏光流场的飞行器俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度等姿态信息的估计方法;分别使用文中提出的直线稀疏光流场的计算方法和Horn算法对一组测试图像进行数值仿真,仿真结果显示在图像边缘附近,直线稀疏光流场的计算方法与经典的Horn算法具有相近的精度,但时间开销减小到后者的6%;使用无人机航拍图像序列对于基于直线稀疏光流场的飞行器姿态信息算法进行离线仿真,并对比同时搭载的角速度陀螺的测量结果,结果显示,使用文中所述的基于直线稀疏光流场的无人机姿态提取方法可以估计飞行器的俯仰、偏航、滚转三通道角速度信息,其最大绝对估计误差除滚转通道小于±10°/s外, 其余两通道均小于±5°/s,并对于误差产生的原因进行了进一步讨论。     

小型子弹抛撒后的飞行力学特性影响研究

利用子弹尾翼展开过程风洞试验气动特性和尾翼在驱动力作用下在不同张开位置对应时间的测量结果,分析研究子弹抛撒引起的初始角速率对飞行攻角的影响;根据子弹飞行过程中最大攻角限制,确定子弹抛撒初始角速率控制范围。子弹抛撒初始角速率要求可进一步放宽,研究结果对子母弹药子弹抛撒设计中姿态调整具有现实意义。     

固定翼双旋弹动力学特性分析

固定翼双旋弹作为一种特殊的弹道修正弹,在飞行过程中其前体弹道修正引信（CCF）和后体以不同转速绕弹轴旋转。根据固定翼双旋弹气动不对称的特性,推导出固定翼双旋弹的动力学模型,经过模型简化,得到其非齐次角运动方程,根据这个角运动方程对角运动特性和飞行稳定性进行了分析。结果显示：当CCF转速固定时,转速的大小和滚转的方向都会影响弹体的角运动特性,由于弹体的共振,不合理的转速可能引起角运动的不稳定;当CCF转角固定时,弹体可以获得与CCF的鸭翼安装角近似呈正比的弹道修正能力。对固定翼双旋弹的飞行稳定性判据进行了研究,飞行稳定性判据为固定翼双旋弹前后体转速和初始射角的设计提供了参考。     

基于无迹卡尔曼滤波的火箭弹姿态估计

针对某尾翼稳定火箭弹姿态估计的问题,以姿态角、位置、速度参数作为状态变量,建立了火箭弹运动参数的捷联惯性解算模型,将GPS的位置和速度测量值作为输出变量,构成组合滤波模型,并分别采用扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波方法进行滤波处理。仿真结果表明,扩展卡尔曼滤波在滚转速率变化较快、模型非线性较强的情况下不能达到预期的滤波效果,而基于无迹卡尔曼滤波的组合滤波方法更为有效,相比扩展卡尔曼滤波,其俯仰、偏航角估计误差均方根降低了一半,滚转角估计误差均方根降低了三分之二,满足姿态估计的需求。     

初始分离条件对航弹与载机分离安全性影响的数值模拟研究

为研究投放条件对航弹与载机分离安全性的影响,采用非定常计算流体力学数值模拟方法和动网格技术,同时耦合求解六自由度弹道方程,对航弹与载机的分离过程进行模拟。给出载机在不同飞行马赫数、攻角、侧滑角、飞行高度及航弹在不同初始下抛速度、角速度条件下,航弹从载机投放后的分离轨迹和姿态变化规律,研究了这些因素对分离安全性的影响。研究结果表明：初始分离过程中载机对航弹有很强的气动干扰,对航弹的气动特性、分离轨迹及弹体姿态影响很大;随着分离马赫数、投放攻角增大,载机对航弹的气动干扰增强,航弹的分离安全性变差;对于挂载于左侧机翼下的航弹,一定的负向侧滑角有利于弹体与载机安全分离;飞行高度越高,越有利于航弹与载机安全分离;一定的初始下抛速度和适当的下抛初始角速度有利于安全分离。     

高旋火箭弹GPS/SINS组合测姿方法

针对GPS/SINS组合导航系统在高旋火箭上应用所遇到的初始对准困难、误差累积迅速等姿态解算难题,通过速度角辅助,提出了分段滤波进退算法修正初始滚转角技术。通过不断修正分段初始滚转角使SINS解算更趋于合理值。利用速度角修正技术,去除高速旋转造成的误差累积,再通过卡尔曼滤波得到较为准确的姿态信息。仿真结果表明,分段滤波修正初始滚转角可以有效地解算出较为准确的姿态信息。对实测数据的处理也证明,该技术可以应用于实际工程,解算得到的姿态信息满足工程需要。     

带初始前置角和末端攻击角约束的偏置比例导引律设计以及剩余飞行时间估计

针对导弹飞行过程中受到外部干扰导致前置角变化较大的问题,设计了满足任意初始前置角和末端攻击角度约束的偏置比例导引律,并对该导引律下系统参数的收敛性给出了证明。基于现有分段迭代求解剩余飞行时间的方法进行拓展,解决了现有分段迭代求解方法在前置角等于π/2 rad时存在奇点的问题,并用该改进方法给出了该导引律的剩余飞行时间估计。对提出的导引律和改进的分段迭代求解方法进行仿真,结果表明：该导引律能够满足任意初始前置角和末端攻击角度约束下导弹的脱靶量和末端角度要求,且在飞行末端加速度指令收敛至0;与以往研究结果相比,该导引律在前置角大于π/2 rad时能够实现对导弹的更有效控制;使用改进的分段迭代求解方法对提出的导引律进行剩余飞行时间估计,估计误差小,误差收敛快。仿真结果验证了该偏置比例导引律和剩余飞行时间估算方法的有效性。     

基于地磁与卫星组合的高旋弹丸滚转角高频测量及系统误差计算研究

为了研究地磁与卫星组合测量的系统误差并提高其测量频率,利用高旋弹丸的飞行特性,建立了基于小攻角及单轴旋转假设的弹丸滚转角及其角速率的高频测量方法,并推导了其滚转角及其角速率计算的系统误差方程。通过建立以俯仰角为变量的仿真模型,完成了组合测量系统在全域范围内实时变化的系统误差计算。经6自由度(DOF)外弹道仿真验证,在排除弹轴与地磁矢量的较小夹角区域后,其整体滚转角误差小于±5°,角速率误差小于±5°/s. 在中小射角发射条件下,地磁与卫星组合的滚转角计算方法能够满足高旋弹丸的高频高精度的滚转角测量。     

基于Sobol和EFAST法的枪弹转动角速度全局灵敏度仿真分析

为开展外弹道测试、动力学特性研究等需要,经常在枪弹外部安装各种用于飞行状态测量的装置。由于枪弹在发射及飞行中的状态受到各种随机因素的干扰,直接影响测量输出。为更好地开展试验设计及相关数据处理工作,采用姿态测量装置测量枪弹转动角速度的方案,以5自由度刚体弹道方程组为基础,采用基于蒙特卡洛打靶的Sobol全局灵敏度分析方法和傅里叶幅值灵敏度检验扩展法(EFAST),就姿态测量的输出对初速跳动、起始扰动等因素的敏感程度开展定量研究。定量分析结果表明：1)初速和初始攻角对姿态测量装置沿弹体径向的输出影响较大,初速对姿态测量装置轴向输出的影响较大;2)Sobol法和EFAST法均可定量分析参数对输出变量的贡献率,但EFAST法的计算更为稳健、高效。