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简易制导弹药是常规弹药精确化发展的方向之一,可有效减小常规弹药的散布和提高其毁伤效率。二维简易制导弹药的执行机构主要是鸭舵和脉冲发动机,其进行弹道修正的前提条件就是已知弹丸的姿态信息。由于简易制导弹药在小体积、低成本、高转速和抗高过载能力等方面的要求,常用的导航与制导技术很难适用,而基于地磁传感器的姿态角检测技术则能够很好满足要求,因此对基于地磁传感器的简易制导弹药姿态角检测关键技术进行研究,对我国简易制导弹药的发展具有重要的意义。
本文以简易制导弹药为应用背景,研究了基于地磁传感器的弹丸姿态角检测技术,根据弹体坐标下地磁场矢量的变化,实时计算弹丸的姿态角。针对应用过程中存在的问题,对关键技术进行深入研究和分析。
主要工作和研究内容包括:
研究了地磁场的建模方法,并分析了全球地磁场模型和我国的区域地磁场模型;针对地磁图的时效性问题,分别建立地磁场稳定量和其变化量的地磁图,形成一个时变地磁图,以消除地磁图随时间增长而变大的误差;对各种地磁场探测技术在简易制导弹药上的适用性进行分析和判别,选择磁阻传感器作为地磁场测量的元件。
根据地磁场矢量在弹丸各个坐标系之间的变换关系,假设偏航角等于弹道偏角或者恒定为零,在偏航角已知的条件下,建立了俯仰角和滚转角的解算模型;对解算模型中姿态角二值解的问题进行研究,分析了二值解的判别方法,对不同方位下每个解对应的空间区域进行明确界定;针对姿态角解的变换问题,分别提出了以弹丸俯仰角和名义俯仰角为依据的姿态角解的变换方法,通过分析和比较,采用以名义俯仰角为依据的变换方法;在姿态角解算模型的基础上,对直线弹道下的滚转角解算模型进行推导和分析;对低伸弹道和弯曲弹道下姿态角解算模型分别进行仿真和分析。
在对地磁场测量误差进行分析的基础上,建立地磁场测量误差模型,并分析了误差模型的影响效果;根据地磁场测量误差模型,提出了基于椭球拟合的两步校正方法,即自身误差校正和环境干扰误差校正,通过在不同环境下进行校正,实现对模型中误差系数的分类计算;研究和分析了实现误差校正的椭球拟合理论和矩阵分解理论;通过仿真表明该校正方法能够有效减小地磁场的测量误差。
针对基于地磁传感器的弹丸姿态角检测系统需要加载基准地磁场信息的问题,研究了结合地磁图和插值算法计算地磁场矢量,利用地磁信息感应装定系统进行加载的方法;研究和分析了地磁场的双线性插值算法和线性周期样条组合插值算法,通过分析和比较,采用线性周期样条组合插值算法计算地磁场矢量;设计了地磁信息感应装定系统,对装定系统的结构和工作流程进行说明。
根据基于地磁传感器的弹丸姿态角检测技术的需求,设计了弹丸姿态角系统,介绍了系统的结构,阐述了各部分硬件电路的实现方法和系统软件工作流程。
最后构建姿态角检测实验系统,进行了地磁传感器自身误差校正实验和环境干扰误差校正实验,实验结果表明校正效果较好,与仿真分析一致;进行了弹丸姿态角检测系统的精度标定实验和地磁信息感应装定实验,实验结果表明基于地磁传感器的简易制导弹药姿态角检测技术方案可行,具有较高的应用价值。