[发明专利]基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法

摘要

本发明公开了一种基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法，包括如下步骤：（1）、旋转弹炮口初始参数测量方案，（2）、磁测滚转速率及其滤波估计方法，（3）、旋转弹炮口初始速度解算方法，（4）、旋转弹炮口初始姿态解算方法，（5）、利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息（ψ0，θ0和γ0），再按速度投影公式计算旋转弹出炮口时各初始速度分量（υ0,x，υ0,y和υ0,z）。本发明方法实现旋转弹体初始姿态参数的准确测量，具有简单、容易实施，性格比高等优点。

主权项

1.一种基于磁测滚转的旋转弹炮口初始参数测量方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、旋转弹炮口初始参数测量方案弹体坐标系(OXbYbZb)规定为前上右部，符合右手关系；三轴加速度计完全捷联安装于弹体坐标系，加速度计各敏感轴方向与弹体坐标系各轴方向一致，X、Y和Z轴加速度计测量输出分别用和表示，各加速度计用来测量弹体内加速度分量；单轴磁传感器与弹体滚转轴Xb轴完全捷联安装，单轴磁传感用于测量旋转弹滚转角速率信息，其测量输出用Mx表示；选取发射坐标系为旋转弹导航参考坐标系(OXⁿYⁿZⁿ)，其中为弹体偏航角，θ为弹体俯仰角，γ为弹体滚转角；(2)、磁测滚转速率及其滤波估计方法2.1、旋转弹滚转角速率观测量的获取方法根据电磁感应定律，得到捷联安装于弹轴的单轴磁传感器的输出电压满足如下方程：上式(1)中，Φm为火炮膛内的最大磁通量，N为线圈匝数，ψm为磁通链，ωx为弹体自旋转的角速率；利用捷联安装于滚转轴的磁测量输出Mx估算弹体滚转角速率ωm,x；2.2、弹体滚转角速率滤波器利用磁传感器测量输出Mx估算得到的弹体滚转角速率ωm,x存在误差，其测量误差方程表示为：ωm,x＝ωi,x+nx   (2)上式(2)中，ωm,x为测量估算所得滚转角速率，ωi,x为理想的滚转角速率，nx为测量噪声；滤波器选取滚转角速率ωx作为系统的状态变量X＝ωx，状态方程表示为：X(k)＝X(k‑1)+w(k‑1)   (3)上式(3)中，w(k‑1)为假设为零均值高斯白噪声；选取按式(1)反推计算所得磁测滚转角速率ωm,x作为滤波系统的观测变量z(t)＝ωm,x，其观测方程表示为：z(t)＝X(t)+v(t)   (4)上式中，v(t)为系统的量测噪声；因此，滤波器由状态方程式(3)和观测方程式(4)共同构建系统滤波方程组，并采用基于离散kalman滤波算法的滤波器进行滚转速率的最优估计，其滤波算法包括如下时间更新和量测更新两个过程：2.2.1、时间更新过程：2.2.2、量测更新过程：上式中，K_(k)表示滤波增益；H_k为量测值；R_k为量测噪声；Q_k‑1为系统噪声；P_(k,k‑1)为前一时刻系统估计方差；P_(k)为当前时刻系统方差；I为单位阵；P_(k‑1)为系统估计方差；为量测阵；因此，通过离散kalman滤波算法最终完成弹体滚转角速率ω_m,x的最优估计(3)、旋转弹炮口初始速度解算方法弹丸出膛总速度的估算表示为：上式(7)中，D为旋转弹口径大小，γg为膛线的缠角大小，缠角大小由火炮系统的型号所决定，若已知所测旋转弹型号，炮口的出膛初始速度v0与旋转弹轴的角速度ωx存在相互对应关系；因此，利用前述基于离散kalman滤波算法最优估计所得磁测滚转角速率通过查表得到旋转弹炮口初始总速度v₀；(4)、旋转弹炮口初始姿态解算方法三轴加速度计捷联安装弹体坐标系，在火炮发射前，各轴加速度测量输出为重力分量在弹体坐标系的投影分量，其表示为：上式(8)中，和分别代表为X、Y和Z轴加速度计测量输出；[0,0,‑g]^T为导航坐标系下重力投影分量；为旋转弹姿态变换方向余弦矩阵；根据式(8)的投影关系，得到在火炮发射前旋转弹俯仰角和滚转角；假设旋转弹在膛内运动时，弹体偏航角和俯仰角均不变，且偏航角为零，因此，旋转弹出炮口时初始俯仰角和滚转角计算公式分别为：若旋转弹在膛内运动所需时间为τ秒，则利用前述滤波器估计所得磁测滚转角速率通过积分计算得到旋转弹炮口滚转角大小，弹体初始滚转角计算公式为：因此，通过上式(10)～(12)最终完成旋转弹炮口初始偏航角、俯仰角和滚转角三维姿态角的测量解算；(5)、利用炮口初始姿态解算所得弹体三维姿态信息(θ₀和γ₀)，再按如下速度投影公式(13)计算旋转弹出炮口时各初始速度分量(v_0,x，v_0,y和v_0,z)。由上述解算步骤完成旋转弹出炮口时各初始速度分量测量解算。