[发明专利]适用于旋转弹初始姿态和速度联合测量方法

摘要

本发明公开了一种适用于旋转弹初始姿态和速度联合测量方法，包括如下步骤：（1）、弹载传感器测量方案和坐标系变换，（2）、旋转弹滚转速度解算方法，（3）、弹体滚转角速率滤波器，（4）、旋转弹炮口初始速度解算方法，（5）、旋转弹炮口初始姿态解算方法，（6）、利用速度矢量投影关系，即按如下速度投影计算旋转弹出炮口时各初始速度υx，υy和υz。本发明方法实现旋转弹体初始姿态参数的准确测量。

主权项

1.一种适用于旋转弹初始姿态和速度联合测量方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、弹载传感器测量方案和坐标系变换弹载测量传感器由三轴地磁传感器和两个单轴MEMS陀螺仪组成，其中，三轴磁传感器与弹体捷联安装，三轴磁传感器各敏感轴方向与弹体坐标系完全一致，其中弹体坐标系(OXbYbZb)符合右手关系，X轴为弹轴，则三轴磁传感器的X轴、Y轴和Z轴敏感方向分别对应弹体坐标系的Xb、Yb和Zb轴，三轴磁传感器用于测量弹体内地磁场矢量信息，其测量输出分别用Hx、Hy和Hz表示；两个单轴陀螺仪捷联安装于X₁轴和Y₁轴上，X₁轴和Y₁轴相互正交，X₁和Y₁陀螺安装轴与弹体坐标系的X^b和Y^b不重合，它们之间存在夹角，两个陀螺仪的测量输出分别用ω_X1和ω_Y1表示，即陀螺安装轴X₁轴和Y₁轴处在平面(OX^bY^b)内，OZ^b轴垂直于平面(OX^bY^b)，X₁轴和Y₁轴分别与X^b和Y^b之间的夹角均为β角；因此，两坐标系间的变换关系矩阵，用变换矩阵或表示：(2)、旋转弹滚转速度解算方法根据弹体坐标系与陀螺仪安装坐标系变换矩阵陀螺仪安装坐标系内测量所得角速率投影到弹体坐标系角速率的变换关系表示为：上式(3)中，ωx,ωy,ωz为弹体坐标系内各轴投影角速率分量；ωX1，ωY1和ωZ1为陀螺仪安装坐标系内测量输出的角速率分量；因此，根据公式(3)矩阵变换关系，得到弹体坐标系内弹体滚转轴X轴的滚转速率的计算公式为：(3)、弹体滚转角速率滤波器由于陀螺仪测量误差的存在，按(4)式计算得到的弹体滚转角速率存在测量误差，其简化的误差模型为：上式(5)中，为实际测量滚转角速率，ω_x为理想的滚转角速率，n_x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，因此，其状态方程表示为：X(k)＝X(k‑1)+w(k‑1)                   (6)上式(6)中，w(k‑1)为假设为零均值高斯白噪声；选取式(4)计算所得滚转角速率作为滤波系统的观测量则滤波器的观测方程表示为：z(t)＝X(t)+v(t)                     (7)上式(7)中，v(t)为系统的量测噪声；因此，滤波器由状态方程式(6)和观测方程式(7)共同构建系统的滤波模型，采用kalman滤波算法对滚转速率进行最优估计，滤波包括如下两个过程：3.1时间更新：3.2量测更新：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的最优估计(4)、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(10)中，D为旋转弹体口径，Ωg为膛线缠角，缠角由火炮系统型号所决定，是一固定值；由上式(10)可知，若已知所测弹体型号，炮口的出膛初始速度与弹轴角速度存在相互对应关系，所以，利用测量弹轴X轴的角速度ω_x，通过反推计算出旋转弹在出炮口时总速度v₀；因此，利用所述测量方案中的两个正交安装陀螺测量解算所得弹体滚转角速度通过查表得出弹丸出炮口总速度v₀的大小；(5)、旋转弹炮口初始姿态解算方法选取弹丸出炮口瞬间进行磁测姿态解算，因此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为弹体横滚角；由于三轴地磁传感器直接捷联安装于弹体坐标系，则三轴磁传感器的测量输出为地磁矢量信息，其投影关系表示为：上式(11)中，为三轴地磁传感器测量输出；为地磁场矢量在导航坐标系的投影；为旋转弹姿态变换的方向余弦矩阵，方向余弦矩阵为：假设弹丸在膛内偏航角和俯仰角不变，以常值对待处理，则火炮发射前，通常火炮的射角或偏角由发射指令得知，因此，在进行炮口弹体姿态解算时，假定其偏航角已知，再利用磁测投影公式(11)得到旋转弹其余姿态角计算公式，弹体俯仰角和滚转角计算公式分别为：因此，利用上式姿态计算公式(13)和(14)，最终实现旋转弹体炮口三个初始姿态角的测量解算；(6)最后，利用速度矢量投影关系，即按如下速度投影式(15)计算旋转弹出炮口时各初始速度vx,vy和vz因此，按上述步骤(1)～(6)最终完成旋转弹炮口初始姿态和速度联合测量解算。