捷聯成像導引頭視線角速率提取方法與仿真分析

2016-03-22 11:20:48西南技術物理研究所姚秀娟王宏宇李力文

電子世界 2016年1期

西南技術物理研究所　姚秀娟　王宏宇　李力文

西南技術物理研究所姚秀娟王宏宇李力文

【摘要】本文以工程應用為出發點，對捷聯成像導引頭視線角速率的提取及濾波方法進行了有條理的敘述。建立模型進行仿真并對仿真結果進行了分析。

【關鍵詞】捷聯；視線角速率；濾波

1　概述

捷聯成像導引頭結構上與彈體固連，使其失去了直接測定視線角速率的能力，只能測量目標相對于彈體的體視線角。捷聯成像導引頭測量的體視線角中包含了目標相對慣性空間的視線角和彈體運動兩部分信息，制導系統要實現制導律則必須將導引頭測量信號中耦合的彈體運動信息去除，提取出目標相對慣性空間的視線角及角速率。

2　坐標系定義及其轉換

目標視線角速率解算中用到的坐標系有：地理坐標系Oxeyeze、彈體坐標系Oxbybzb、視線坐標系Oxsyszs、體視線坐標系Oxlylzl。其中，θ為彈體姿態俯仰角， Ψ為彈體姿態偏航角，γ為彈體姿態滾動角，qλ為視線方位角，qγ為視線高低角，qβ為體視線方位角，qα為體視線高低角。以上各定義及坐標系之間的轉換關系見文獻[1]。

3　視線角速率解算

在捷聯導引頭中，導引頭傳感器可測得體視線高低角qα、體視線方位角qβ，要求取視線高低角qγ、視線方位角qλ轉動的角速度qγ和qλ。

根據文獻[1]中坐標系定義，目標在體視線坐標系和視線坐標系中的位置坐標均為( R 0 0)，則目標在體坐標系以及地理坐標系中的坐標分別為：

又根據關系：

得：

可得：

其中：

式（5）（6）即為捷聯成像導引頭系統目標視線角解耦算法。文獻[1]中根據目標視線角、體視線角及其微分利用個坐標系之間的推導關系求取目標視線角速率。為了避免體視線角微分誤差在復雜的計算中被放大。本文將qγ和qλ進行微分直接得到目標在地理坐標系的俯仰視線角速度和方位視線角速度。這種方法簡化了計算過程，提高運算速度。

4　捷聯成像導引頭仿真

4.1仿真模型建立

在工程應用中，捷聯成像導引頭已知條件為彈上陀螺測得的彈體坐標系下的彈體角速度Ωx、Ωy、Ωz和導引頭傳感器測得的體視線高低角qα、體視線方位角qβ。要求取視線高低角qγ、視線方位角qλ轉動的角速度qγ和qλ。

根據彈體坐標系與地理坐標系的轉換關系，推導出Ωx、Ωy、Ωz與彈體姿態角的關系。[2]

（7）式為方向余弦矩陣，對以上方程進行積分，可得彈體相對于地理系的三軸姿態θ、Ψ、γ。

仿真時要構造體視線角，實際應用此數據由探測器測量。體視線高低角qα、體視線方位角qβ的構建方法：對設定的目標視線角速度進行積分，再根據（4）式進行推理計算。

圖1　系統仿真simulink模型圖

圖2　彈體擾動下的視線角速度仿真結果

搭建的系統整體Simulink仿真模型如圖1所示。

4.2仿真結果及分析

輸入條件及仿真結果如圖2所示。

分析以上仿真結果可知：當彈體滾動通道存在周期擾動時，若目標視線角不斷增大，則求解得出的目標視線角速率逐漸發散；若目標視線角逐漸收斂，則目標視線角速率仿真結果也逐漸收斂。理論上，不考慮測量誤差時，目標視線角速率的仿真值應與視線角速率輸入的理論值完全一致，視線角速率仿真結果波動發散的原因是由于仿真模型中存在離散微分環節，微分模塊通過對目標的體視線角進行微分得到目標的體視線角速率，并以此進一步推算的出目標視線角速率，而離散微分環節存在計算誤差和相位延遲問題，該誤差直接導致求解的目標視線角速率波動發散，該過程具體分析如下：

若目標視線角逐漸增大，由于滾動通道周期波動的耦合，目標相對于彈體的體視線角也逐漸增大，并且體視線角的波動幅值也越來越大，此時對體視線角進行離散微分時，由于體視線角波動越來越大，離散微分產生的誤差亦越來越大，推算得出的視線角速率就會有發散的趨勢；同理，若目標視線角逐漸減小，目標相對于彈體的體視線角亦逐漸減小，滾動通道耦合產生的體視線角波動逐漸減小，此時對體視線角離散微分產生的誤差也逐漸減小，解算得出的視線角速率呈現出收斂的趨勢。

4.3視線角速率濾波

以上算法仿真分析沒有考慮傳感器件測量噪聲，僅分析了算法在理想測量條件下的仿真結果，對算法的正確性進行了驗證分析。然而實際過程中需考慮導引頭的測量噪聲，且捷聯式導引頭測量噪聲極為嚴重，因此需對解算得到的視線角速率進行濾波。相關文獻中介紹的多為卡爾曼濾波方法，[3]卡爾曼濾波計算復雜且需要知道噪聲的方差，而在實際工程應用中很難知曉測量噪聲的具體情況。

本文采用平均濾波與低通濾波組合的濾波方式進行仿真，仿真條件如下。