[发明专利]一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大地磁场强度测量技术，特别是一种应用于高速旋转弹体的 姿态测量装置。

背景技术

目前国内外对于弹体飞行姿态参数，可采用的技术很多，如太阳方位角传感 器法、惯性测量组合是通过测量弹丸的角速度来解算弹丸的姿态角；无陀螺惯性 测量组合是通过测量弹丸的加速度来解算弹丸的姿态角，这几种方法仅就弹箭的 滚转角测试而言是完全可以的，但是如果要作为像火箭弹、炮射导弹这样一些低 成本的压制性弹药的配套设备来说，将需要昂贵的成本,并且对于高旋弹来说， 目前的惯性器件还不能在量程和精度上达到要求。因此，研制能有效提高弹体姿 态探测精度，微小体积、低成本、抗高过载，并能充分利用现有弹药的方法及组 件迫在眉睫。

在测量方法方面：

(1)太阳方位角传感器测试法

太阳光经过一针形孔在由惯性旋转的感光胶片上产生一系列光点，这些光点 的位置反映了偏航状态。由于太阳光线在某一时刻有一精确的射角，可作为测量 的基准方向。弹体的太阳方位角定义为弹轴与弹质心到太阳边线的夹角。该角可 用光敏感器件缝隙的简单几何排列法测量。由于导弹在飞行中旋转运动，当太阳 位于狭缝视场时，其光敏器件接收到光能，并输出一脉冲信号。由各光敏器件依 次获取的时间间隔可得到弹体的转动周期，进而求取转速。

太阳方位角传感器测试法原理简单，适用于旋转飞行体的滚转角速度测试。 缺点是使用受到了气候条件的限制，且精度不是很高。

(2)惯性测量组合

惯性测量组合的基本原理是利用惯性器件(主要包括加速度计和陀螺)测量 载体运动参数(包括加速度和角速度)。惯性测量组合完全依靠自身设备工作， 与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。 早期用于姿态测量的捷联式陀螺姿态仪适用于短时间姿态的测试，因为受弹上体 积的限制不可能加装校正系统，与大地坐标系的关系靠初始姿态确定。因此，累 积积分误差随时间的加长，误差将加大，但是此方法受外界因素影响较小，在过 载不太大时应用较方便。而目前微机械陀螺仪的性能与传统的陀螺仪相比还有一 定的差距，微陀螺的精度、漂移和抗过载能力还达不到所需要求，国外已有抗高 过载的微陀螺仪产品，但造价极高。

陀螺仪的最大缺点是价格昂贵、有累积误差、不能承受高过载，能承受 10000g以上的微机械陀螺仪目前未见报道。

(3)无陀螺惯性测量组合

目前研究较多的是三加速度计，六加速度计和九加速度计几种方案，称为无 陀螺惯性测量。三加速度计方案是采用三个正交安装的加速度计完成角速度测 量。六加速度计方案是在以飞行体纵轴为中心的六面体每个面的中心安装一个加 速度计完成角速度测量。九加速度计方案是在飞行体坐标系X、Y、Z轴分别安 装4个、2个和3个加速度计完成角速度测量，从算法上看九加速度计方案没有 交叉轴误差，计算值精度较高，是目前研究最多的一种方案。用加速度计代替陀 螺仪来获取飞行体角速度信息的方案适用于动态范围大、飞行时间短的飞行体。

对于火炮发射的飞行体，发射时需要承受高达30000g的冲击过载，飞行时 只有几个g～几十个g，因此为测取飞行时加速度的传感器必需时高过载低量程 的传感器，目前国内外尚没有能够抗高过载的高精度低量程加速度计，且无陀螺 惯性测量组合算法处理复杂，存在安装误差等。

(4)GPS定姿

美国的“全球定位系统”(GPS)，是目前世界上唯一投入实际运用的卫星导 航系统，也是目前世界上应用最广泛的导航定位系统。与自主制导系统相比， GPS制导系统的精度更高，而且不受飞行距离影响，它的抗干扰能力很高。随着 GPS接收器的发展，现在有的接收机已经能够输出载波相位测量值。载波相位观 测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波 信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法，它的毫米级精度使得利用GPS 测量载体姿态成为可能。

弹上使用GPS测量姿态，存在以下几个困难：至少需要三块GPS接收机才 能测量弹体的三个姿态角，而弹上的布局空间有限；弹上的姿态测量系统实时性 要求很高，而现有的GPS接收机的频率一般在1s，无法满足要求；常规弹的长 度比较短，如此短的基线布局，精度无法满足要求。

(5)地磁姿态测量法