制導炮彈轉速測量技術研究進展與展望

尚劍宇 鄧志紅 付夢印,2 汪順亭

制導炮彈轉速測量技術研究進展與展望

尚劍宇1鄧志紅1付夢印1,2汪順亭1

制導炮彈是由常規火炮發射,在飛行過程中進行搜索、導引和控制,能夠對目標實施精確點打擊的制導武器.制導炮彈轉速的精確測量是實現精確制導和控制的基礎.對制導炮彈轉速測量技術進行了綜述,首先,論述了制導炮彈的發展現狀,接著分析了制導炮彈轉速測量的必要性,并且闡述了制導炮彈轉速測量的特點;然后,對現有旋轉彈轉速測量的方法和手段加以總結,并指出了適用于制導炮彈的轉速測量及信息處理方法,包括利用磁阻傳感器和高動態振動陀螺測量制導炮彈轉速的原理以及關鍵技術;最后,指出了制導炮彈轉速測量技術今后的研究方向和研究重點.

制導炮彈,高動態,轉速測量,磁阻傳感器,高動態振動陀螺

近年來,隨著制導炮彈、常規炮彈制導化的發展[1],炮彈的打擊精度和總體作戰效能顯著提高,令身管火炮邁入了低成本精確打擊時代,是美、俄等發達國家陸軍武器發展的方向.制導炮彈由制導組件、戰斗部和控制部分構成[2],不需要特殊的發射平臺,借助常規火炮平臺即可完成發射[3?4],極大地縮短了武器研發周期、降低了系統成本.制導炮彈飛行過程中依靠鴨舵或者尾翼進行實時彈道修正,而控制系統要求它們的運動頻率與彈丸的轉速相匹配.因此,制導炮彈轉速的精確測量是實現精確制導、控制的基礎.由于制導炮彈結構、原理以及應用環境的特殊性,決定了其轉速測量方法有別于常規炮彈和精確制導導彈.本文主要對制導炮彈轉速測量技術的研究現狀和相關關鍵技術進行分析和綜述.

1 制導炮彈的發展現狀

制導炮彈由常規火炮發射,卻能像導彈一樣精確打擊目標,實現了常規火炮由面打擊到點打擊的升級.由于不需要研制專門的武器發射平臺,且采用低成本的導航、制導組件,使得制導炮彈相比較導彈有非常明顯的優勢.尤其對于第二世界的國家而言,昂貴的導彈遠沒有低成本、高精度的制導炮彈需求性強.

到目前為止,制導炮彈的發展過程主要分為兩個階段[5].第一個階段主要是在上世紀70年代,美、俄兩國研制的激光照射型半主動末制導炮彈為代表,例如美國的155mm XM712型激光半主動末制導炮彈“銅斑蛇”(Copperhead)[6]和俄羅斯的152mm激光半主動末制導炮彈“紅土地”(Krasnopol).這兩種半主動制導炮彈均由身管火炮發射,精度高、性能優良,在當時的戰場上發揮了巨大的作用,引起了其他國家的重視.然而半主動式制導炮彈也存在固有的缺陷,即需要外部激光照射器照射目標,進而導引頭才能定位目標.這種導引方式不僅操作復雜,更容易暴露操作激光照射器的士兵,并不能實現制導炮彈“打了不用管”的特性.此外,其他型號和國家的激光半主動式制導炮彈主要有:

美國的 127mm 激光半主動末制導炮彈、203mm激光半主動末制導炮彈[7]、坦克炮射毫米波/激光半主動增程智能彈藥(Tank extended range munition,TERM)、橡樹棍(Shillelagh)[8]激光末制導炮彈.

俄羅斯將紅土地移植到了120mm、122mm、155mm 火炮上,并推出了整裝式“紅土地-M”[9].俄羅斯還有155mm“紅土地-M2”、152mm“蒂梅特”30F48、152mm “米尺”、125mm “斯維利”、125mm“反射/斯維利河”9M119、122mm“捕鯨者-2M”、122mm“基托洛夫-2”、120mm“格拉”、120mm “捕鯨者-2”、120mm “晶面”、115mm“舍克斯納河”9M117、100mm“巴斯基昂”、100mm“棱堡”9M177、240mm“斯梅爾察克”、240mm“勇敢者”等激光半主動末制導炮彈[8,10?11].

此外,德國研制了“布薩得”120mm激光半主動/紅外或毫米波成像末制導迫擊炮彈[10]和35mm口徑激光波束制導炮彈.法國研制了120mm被動紅外尋的末制導迫擊炮彈“螺旋”[10].以色列的軍隊裝備有坦克炮射激光半主動末制導炮彈“拉哈特”(Laser homing anti-tank,LAHAT)[12]、155mm CLAMP型坦克炮射激光半主動末制導炮彈及120mm激光制導半主動迫擊炮彈(Laser guided mortar bomb,LGMB)[11].

第二個階段始于80年代初期,各國紛紛開始研制真正“打了不用管”的制導炮彈.例如美國陸軍的155mm XM982制導炮彈“神劍”(Excalibur)[13]采用GPS/INS組合制導方式實現了全程自主式制導,并于2007年裝備部隊.此外,其他型號的自主精確制導炮彈還有:

美國海軍的 127mmEX-171火箭助推增程制導炮彈 (Extended-range guided munition,ERGM)[14]、120mm XM395 GPS/INS/激光復合制導迫擊炮彈 (Precision guided mortar munition,PGMM)[15]、120mm GPS制導迫擊炮彈 (Accelerated precision mortar initiative, APMI)[11]、155mm ASP型紅外/毫米波末制導炮彈、155mm雙色紅外末制導炮彈(Conventional geometry smart projectile,CGSP)及“快看”制導炮彈(Quicklook)[12]等.

法國的自主精確制導炮彈有155mm的增程制導炮彈“鵜鶘”和155mm AD-C型毫米波自尋的末制導炮彈.德國研制了155mm毫米波制導炮彈“意普”和155mm毫米波/紅外末制導炮彈“伊夫拉姆”(EPHRAM)[16].意大利研制了155mm“火山”(Volcano)系列遠程制導炮彈、127mm 52倍口徑輕型艦炮發射的增程彈及76mm制導炮彈“飛鏢”(DART).此外,瑞典的120mm“林號鳥”(Strix)紅外末制導迫擊炮彈[12]、155mm紅外制導炮彈“斯特里克斯”及155mm毫米波末制導炮彈(BOSS);英國的155mm GPS制導炮彈“長桿斧”、81mm毫米波末制導迫擊炮彈“莫林”(Merlin)[12,16];北約研制的155mm自主精確制導炮彈(Autonomous precision guided munition,APGM)[8]及155mm XMR21毫米波或紅外/毫米波制導炮彈等都實現了自主精確制導.

縱觀制導炮彈的發展歷程,與每個時代的傳感器制造技術密不可分.新原理、新結構的傳感器往往會給制導炮彈的研制帶來革新.

2 制導炮彈轉速測量的必要性

制導炮彈的轉速信息十分重要,是實現制導與控制的基礎.首先,一些制導炮彈,例如美國的“銅斑蛇”制導炮彈,在激活段需要進行滾動控制,使得彈丸在極短的時間內停止滾動,為后續的制導做準備.制導炮彈進行滾轉控制時,滾轉控制回路需要得到當前彈丸的滾轉角速率.這個滾轉角速率信號由陀螺或者非陀螺原理的速率傳感器提供.其次,制導炮彈轉速測量是實現其飛行穩定性控制的基礎.而且,制導炮彈的滾轉角速率的獲得是進行滾轉姿態角解算的先決條件.此外,對制導炮彈飛行過程中轉速信息的分析,可以為彈丸結構及控制系統的優化提供依據.

3 制導炮彈轉速測量的特點

制導炮彈由常規火炮發射,必然要經歷高動態炮射環境,這使得制導炮彈的轉速測量難度遠遠大于精確制導導彈.此外,彈載空間、制造成本、錐形運動等也都是影響制導炮彈轉速測量的因素.制導炮彈轉速測量具有以下特點:

1)高過載

制導炮彈軸向所受發射過載較大,一般可達1×104g以上. 例如美國的“銅斑蛇”末制導炮彈在不同裝藥情況下最大軸向發射過載達到了1.436×104g[17].某型艦炮制導炮彈,在發射初速為550m/s左右時,所受軸向過載為1×104g;發射初速為900m/s時,所受軸向過載不小于3×104g[18].由于軸向的過載加速度較大,彈載速率傳感器可能失效或者損壞.為了解決這個問題,可以采用以下兩種手段:一種是對轉速測量系統進行抗高過載防護,即篩選質量等級高、可靠性高的元器件,并采用性能良好的灌封材料對電路板進行灌封;同時,對轉速測量系統進行沖擊隔離,耗散沖擊能量[18].另外一種是可以選用抗高過載性能強的速率傳感器,這也從本質上改善了轉速測量系統的抗高過載性能.

2)高速旋轉

由于制導炮彈要考慮制導與控制系統的響應頻率,要求彈丸轉速不能太高,因此在火炮膛內采用相應的減旋裝置使得彈丸在出炮口時的轉速降為每秒幾十轉[19].雖然制導炮彈的轉速比常規炮彈的轉速(每分鐘上萬轉)小很多,但是每秒幾十轉的轉速對于大多數速率傳感器來說依然很高,對速率傳感器的量程和分辨率都是一個考驗.

3)彈載空間受限

制導炮彈由常規身管火炮發射,對彈徑、彈長和彈重都有嚴格要求.相同的口徑下,制導炮彈由于引入了導航、制導組件,其內部結構比常規炮彈更為復雜,留給各組件的空間有限[20].因此,在設計導航系統時,應盡量選擇尺寸較小的速率傳感器.

4)低成本

相對于高精度制導導彈,制導炮彈最大的優點在于低成本.在常規炮彈的基礎上,對彈丸進行制導化改造,再利用常規火炮發射,改造成本比導彈的研發、制造成本低很多,且大大提高了炮彈射擊精度.既然制導炮彈的優勢在于低成本,那么對用于轉速測量系統的傳感器的成本也有所限制.

5)錐形運動

旋轉炮彈在飛行過程中由于軸向存在自旋角速率而產生錐形運動[21?22],這也是旋轉彈特有的運動特征.彈體將繞速度軸作周期性劃圓運動[23],表現為進動和章動的耦合運動.一般情況下,由于制導炮彈處于高旋和高馬赫飛行狀態,彈體也會產生錐形運動.此時的偏航角速率和俯仰角速率呈現不規則的正弦振蕩形式[24?25],這將導致測量出的軸向角速率值并非真值,而是耦合了錐形運動引起的附加信息.

4 旋轉彈轉速測量方法和手段

目前國內外針對旋轉炮彈的轉速測量方法主要有三類:外測法、遙測法和彈載傳感器測試法.

外測法是指利用彈丸外部設備測量彈丸轉速[26].例如高速攝影法[27?28]、無線電引信法[29]、短波信號法[30]、多普勒雷達法[31?33]等,這些外測法采用的外部測量設備包括狹縫高速攝影機、無線電引信彈道監測設備、彈道監測雷達.由于外測法依賴于靶場外部測量設備,轉速信息的解算也在彈丸外部進行,其本質上仍不能實現彈載自主測量和制導功能.

遙測法是指在彈丸上安裝速率傳感器,通過彈上發射裝置將速率傳感器輸出信號或者處理后的信號發送到地面接收站[34?35].雖然遙測法在彈丸內部安裝了轉速測量傳感器,相比較外測法設備簡單、成本低、測試精度高,但是轉速信息解算過程在地面接收站完成,無法實時提供給彈丸控制系統轉速信息,因此遙測法僅適用于無控炮彈的轉速測量.

由于制導炮彈需要實時進行彈道修正,其轉速測量傳感器以及轉速信息解算部分都需要在彈丸內部,而外測法和遙測法都不能直接提供給彈丸控制系統轉速信息,不適用于制導炮彈.近年來,隨著測試技術和傳感器制造技術的發展,外測法和遙測法逐漸被彈載傳感器測試法所取代.彈載傳感器測試法的轉速測量傳感器以及轉速信息解算部分都在彈丸內部,完全不依賴于外部測量設備,可以真正實現彈丸打出去后不用管的目標,且可靠性高、精度高、成本低、體積小、功耗低、操作簡單,最主要能夠實現模塊化、批量化生產.典型的彈載傳感器測試法有以下幾種:

1)線圈式地磁傳感器法:利用薄膜線圈傳感器測量高旋彈丸轉速時,傳感器輸出的曲線呈現正余弦狀,其波動周期即為彈丸旋轉一周的時間[36],再利用零點檢測法或極值檢測法[37]即可獲得轉速.

2)加速度計法:Schuler等[38]于1967年提出利用加速度計測量載體旋轉運動的方法.利用加速度計測量飛行彈丸的法向加速度可以得到轉速,但是由于炮彈在高動態飛行過程中存在進動和章動,其法向加速度會受到空氣升力的影響發生變化,影響轉速測量精度.此外,該方法需要配置多個加速度計,例如三加速度計法、六加速度計法和九加速度計法[39]等測試方案.多個加速度計必然需要更大的安裝空間,這對于彈載空間有限的制導炮彈而言,不太現實.

3)太陽方位角傳感器法[40?41]:利用太陽方位角數據可以直接測得彈丸的轉速、章動角和進動角信息,且能夠抗1.8×104g的炮射過載[34].但是太陽方位角傳感器安裝難度大、容易受氣象條件影響,要求有太陽光時才可使用,且最好避開陰雪天.

4)陀螺儀法:常規陀螺儀可以測量彈丸轉速,但其體積大、抗過載能力弱,很難適應常規彈藥制導化過程中面對的高過載、高旋轉的惡劣炮射環境.新型MEMS(Microelectromechanical system)速率陀螺儀相比較傳統的機械陀螺儀由于沒有活動部件、體積小和價格低而得到廣泛應用.MEMS速率陀螺儀能夠適應高g值發射環境,可以實現偏航角速率和俯仰角速率測量.針對高速旋轉彈丸的滾轉角速率測量,需要大量程的MEMS速率陀螺儀,然而量程大的角速率陀螺儀分辨率往往較低.新型的激光陀螺儀、光纖陀螺儀成本太高,不適用于低成本制導彈藥.

此外,偏航探頭(Yawsonde)、基于哥氏加速度的固態速率傳感器等轉速測量傳感器也可用于彈丸轉速測量.下面對一些典型旋轉彈的轉速測量方法和手段進行詳細闡述.

美國的155mm激光半主動末制導炮彈“銅斑蛇”,采用正常式氣動布局,即彈翼位于彈丸的中部而尾翼位于彈丸的尾部[8].利用155mm榴彈炮發射銅斑蛇時,彈丸在閉氣環的作用下轉速由250r/s迅速下降到出炮口時的15r/s;彈丸出炮口后,尾翼在離心力的作用下立即展開,而且與平衡位置存在2°的偏斜,使彈丸在順時針方向保持6～8r/s的轉速,以達到避免彈丸產生滾轉共振的目的[42].銅斑蛇采用滾轉控制回路,使得彈丸在1s之內停止旋轉來保證彈丸在制導階段處于不旋轉狀態[42].滾轉控制回路的滾轉速率信號最開始由姿態基準陀螺提供,后期采用一種基于哥氏加速度的固態速率傳感器提供,這種固態速率傳感器中存在兩個熱敏電阻,其中連續噴射的氣體會引起熱敏電阻阻值的變化[6].當彈丸滾動時產生哥氏加速度,氣流會偏轉到一側,使得兩個熱敏電阻的阻值之間發生變化,進而得到轉速.這種速率傳感器相比較姿態基準陀螺而言,由于沒有旋轉和活動的部件而使用壽命較長,且成本較低.

美國的自主式海軍支援炮彈(Autonomous naval support round,ANSR)是一款127mm口徑的炮射末制導炮彈,采用GPS/INS復合制導和火箭增程.ANSR采用鴨式氣動布局,其一對鴨舵位于彈丸的前部,且在外彈道的旋轉速度大約為10～20Hz[43].ANSR制導炮彈采用無陀螺(Accelerometer-only,A/O)捷聯慣導測量單元(Inertial measurement unit,IMU),這種A/O IMU含有6個加速度計和一個三軸磁強計.加速度計和磁強計均可用來測量炮彈轉速,但是磁強計用來提供由加速度計測得的轉速的積分的初始條件以及校準加速度計測得的轉速誤差[43].

美國海軍的127mm EX-171火箭助推增程制導炮彈,采用GPS/INS組合制導方式.ERGM同樣采用鴨式氣動布局,出炮口轉速為25r/s;彈丸出炮口后尾翼迅速展開在一秒內使得轉速穩定在1r/s左右[44].ERGM采用微機械慣性傳感器組件(Micro-mechanical inertial sensor assembly, MMISA),包含三個加速度計和三個陀螺.ERGM采用陀螺測量彈丸轉速,但是文獻[44]提到陀螺可能存在間斷問題.

美國陸軍的155mm XM982神劍制導炮彈,采用GPS/INS組合制導方式.Excalibur采用鴨式氣動布局且有兩對鴨舵,出炮口轉速為8 r/s左右[1].由于Excalibur采用了外彈道診斷引信(Aeroballistic diagnostic fuze,DFuze)[45],其利用加速度計、磁強計和光學傳感器測量轉速.此外,美國的120mm XM395精確制導迫擊炮彈也采用DFuze,其轉速數據同樣可由加速度計、磁強計和光學傳感器提供.

文獻[46]中采用Yawsonde[41]和SCSA50磁傳感器測量M483A1式反裝甲殺傷子母彈的轉速.

此外,我國的遠程70km簡易制導火箭彈[47]采用地磁傳感器測量轉速信息.我國某型號制導火箭彈采用線圈式地磁傳感器測量全彈道轉速,測試結果較為良好[48].

5 制導炮彈轉速測量及信息處理方法

結合制導炮彈的轉速測量特點來看,其轉速測量方法不僅要適應高過載、高旋轉的惡劣炮射環境,還要求進行高精度測量,而現有的彈載傳感器測試方法存在一定的局限性.對于過載在1×104g以上的炮射環境,普通的速率傳感器或失效、或損壞.然而能夠適應高過載環境的速率傳感器測試精度又不高,例如大量程MEMS速率陀螺儀[49?50].因此,針對過載在1×104g以上、轉速在10r/s以上的制導炮彈,迫切需要能夠滿足彈丸工作環境和性能要求的速率測量裝置.基于此,高動態制導炮彈轉速測量裝置可以從兩方面展開研究,一種是采用非陀螺原理的速率傳感器,例如磁阻傳感器;另一種是研究適用于高過載環境下的大量程、高精度陀螺儀,例如高動態振動陀螺.

5.1 磁阻傳感器

磁阻傳感器通過測量地磁場矢量信息來實現彈丸轉速測量,其封裝體積小、抗過載能力強、量程大、靈敏度高、成本低,是用于制導炮彈轉速測量的一種很好的選擇[51?52].利用磁阻傳感器測量彈丸轉速時,針對于磁阻傳感器輸出信號的鑒頻技術是關系到轉速測量精度的關鍵技術之一.

目前,磁阻傳感器制造技術已經成熟,國內外相關研究單位紛紛開展了磁測轉速的研究.Rouger[53]提出利用磁阻傳感器對發射過載超過1.5×104g的120mm坦克炮進行滾轉角速率估計,與視頻跟蹤法得到的轉速作對比,兩者間的最大誤差為1/3r/s.馬國梁等[54]在2012年介紹了利用磁阻傳感器測量某型火箭彈滾轉角速率的方法,得到的滾轉角速率最大相對誤差不超過7‰.

利用磁阻傳感器測量飛行彈丸轉速時,假設在炮彈的射程范圍內當地地磁場矢量的大小和方向是恒定的,即發射點處的當地地磁場矢量與彈丸飛行過程中的當地地磁場矢量相同,如圖1所示.

彈丸飛行過程中,將當地地磁場矢量進行姿態轉換即可投影到載體坐標系中進而被磁阻傳感器所敏感.此時,捷聯于彈丸徑向的磁阻傳感器輸出呈正弦形式振蕩的信號.根據理論推導顯示,磁阻傳感器輸出信號的頻率與彈丸轉速近似相等,通過提取正弦形式振蕩信號的時頻信息即可得到彈丸任意時刻的轉速.由于磁阻傳感器輸出的非平穩信號的頻譜是隨時間變化的函數,若要提取磁阻傳感器輸出信號在任意時刻的頻率,需要分析時變非平穩信號的時頻分析方法.

目前,常用的時頻信息提取方法主要有兩類:時域分析方法和時頻域分析方法.時域分析方法,例如峰值檢測法[55?56]和過零點檢測法[57?60],算法簡單、實時性強,適用于彈上實時數據處理,但其受噪聲、零點漂移、采樣頻率等影響較大.時頻域分析方法,例如短時傅里葉變換[61?63]、滑動窗口CZT (Chirp Z transform)時頻分析方法[61,64?65]、滑動窗口Wigner-Ville時頻分析法[66?68]和滑動窗口S變換法[66,69?71],受噪聲、零點漂移和采樣頻率的影響小、精度高,但是其運算量大、實時性弱,適用于數據的事后處理.因此,針對磁阻傳感器輸出信號的時間–頻率信息提取方法,應該綜合考慮實時性和精度,選擇一種適合工程應用的方法.

磁阻傳感器測量炮彈轉速也存在局限性:炮彈外殼由鐵磁性材料制成,會對磁阻傳感器造成磁屏蔽,因此在彈丸上安裝磁阻傳感器時,應尋找“磁潔凈區”來減小磁屏蔽效應.此外,在炮彈飛行過程中,磁阻傳感器有可能進入“磁盲區”,此時當地地磁場矢量在磁阻傳感器敏感軸上的投影較為微弱甚至消失,這將給轉速的測量引入誤差.因此,應該盡量避免在炮彈飛行過程中可能進入“磁盲區”的射向下發射制導炮彈.

其次,制導炮彈發射時,膛內的高過載和高沖擊環境,會對磁阻傳感器的特性參數產生影響,例如標度因數、零偏等,如何在后續解算中對由此引起的磁阻傳感器輸出的誤差進行補償是可以繼續研究的方向.此外,制導炮彈旋轉飛行過程中,彈體會切割地磁場磁力線,引起載體磁場發生變化,進而磁阻傳感器的輸出中包含著實時發生變化的載體磁場.那么,如何消除這種實時變化的載體磁場對磁阻傳感器輸出的影響也是今后研究的工作之一.

5.2 高動態振動陀螺

高動態振動陀螺利用諧振子的振型相對外殼的偏轉來測量外殼相對慣性空間的旋轉角速度.諧振子振型偏轉角度與外殼相對慣性空間的旋轉角速度關系為[72]

式中,ψ為諧振子振型偏轉角度;K為陀螺的標度因數;ω為外殼相對慣性空間的旋轉角速度.

圖1 磁阻傳感器和鐘形振子式角速率陀螺測量彈丸轉速示意圖Fig.1 Schematic diagram of spin rate measurement with magnetoresistive sensor and bell-shaped vibratory angular rate gyroscope

通過電容檢測方法確定出諧振子振型偏轉角度后,利用式(1)即可解算出外殼相對慣性空間的旋轉角速度ω.

高動態振動陀螺抗過載能力強、精度高、體積小、壽命長.從國內外研究現狀看,能夠適應高過載、高旋轉環境下角速率測量的陀螺只有高動態振動陀螺.例如美國Watson公司研制的PRO-132-3A型圓筒陀螺,能夠抗1×104g的過載,已經推廣應用于機器人、穩定攝像平臺和短時導航系統等領域[51];美國Innalabs公司研制的CVG17型圓筒振動陀螺的抗過載能力達到了2×104g[73].

國內北京航空航天大學、南京理工大學、北京理工大學、國防科學技術大學、哈爾濱工業大學和中電26所[73]等對高動態振動陀螺進行了大量的研究,并取得了一定的成果.但是,針對制導炮彈用的能夠適應其高過載、高旋轉發射環境的高動態振動陀螺較少.最近幾年,北京理工大學研發了一種鐘形振子式角速率陀螺[74?75](如圖1和圖2所示),該陀螺采用三維多曲面融合敏感結構,整個軸對稱殼由半球面、圓柱面和環形面融合而成.鐘形振子式角速率陀螺采用抗過載能力強、高Q值的彈性合金制成,能夠承受2×104g的過載;該陀螺具有量程大、體積小、成本低的特點.鐘形振子式角速率陀螺的抗高過載和抗沖擊性能比音叉、振梁、薄殼和梳狀振動陀螺強,而且很好地避免了類似半球諧振陀螺結構和生產工藝較為復雜、不利于批量化生產的問題.未來可以研究將這種速率陀螺應用于制導炮彈的轉速測量,從而解決制導炮彈轉速測量系統對速率傳感器的性能要求.

圖2 鐘形振子式角速率陀螺Fig.2 Bell-shaped vibratory angular rate gyroscope

采用高動態振動陀螺測量制導炮彈滾轉角速率時,由于炮彈飛行過程中存在進動和章動,軸向陀螺測得的角速率不僅是滾轉角速率,而是夾雜了偏航角速率和俯仰角速率的耦合值.如何從軸向角速率中精確解耦出滾轉角速率信息是影響制導精度的關鍵技術之一.

制導炮彈飛行過程中,彈丸的錐形運動稱為規則進動.規則進動是在經典圓錐運動的基礎上疊加一個軸向的常值自轉角速率,其三軸角速率表達式為[76]

式中,ω0是軸向的常值自轉角速率;ωc是經典圓錐運動的頻率;α為半錐角.當ω0=0時,規則進動轉化為經典圓錐運動.

由式(2)可以看出,彈丸飛行過程中軸向陀螺測量到的角速率為則自旋角速率為

因此,ωc和α的正確求解是解耦自旋角速率的關鍵步驟.

6 結論與展望

制導炮彈的轉速測量是實現飛行穩定性和制導控制的基礎,針對于高旋轉、高過載和高速度的高動態炮射環境,精確地測量彈丸轉速是必須要解決的難題之一.目前,適用于此極端環境下轉速測量的傳感器有磁阻傳感器和高動態振動陀螺,雖然在旋轉彈轉速的測量方面取得了一定的成果,但尚有以下幾個方面值得探索:

1)利用磁阻傳感器測量旋轉彈轉速基于磁阻傳感器輸出的正弦振蕩式非平穩信號的頻率與彈丸轉速同頻率,然后利用時頻分析方法提取磁阻傳感器輸出信號的頻率進而得到彈丸轉速,這就需要一種高精度的適用于提取正弦振蕩式非平穩信號的時頻信息的方法.因此,研究一種實時性強又精度高的適用于正弦振蕩式非平穩信號的時頻信息提取方法是今后研究工作的重點之一.此外,如何解決炮彈外殼對磁阻傳感器形成的磁屏蔽、飛行過程中有可能進入“磁盲區”、炮彈發射時的膛內高過載和高沖擊環境對磁阻傳感器的特性參數產生影響以及制導炮彈旋轉飛行過程中實時發生變化的載體磁場是今后研究的工作重點.

2)對于高動態振動陀螺,仍有很多待解決的關鍵科學問題和研究難點.高動態振動陀螺受溫度影響大,溫度升高后,高動態振動陀螺的非線性特征變得明顯,應研究適用于高動態振動陀螺的高精度溫度補償方法.此外,研究如何進一步提高高動態振動陀螺的抗高過載能力是擴大其應用范圍的關鍵環節.

3)制導炮彈飛行過程中存在錐形運動,滾轉角速率陀螺輸出信號中將會耦合偏航角速率和俯仰角速率信息.由于高動態振動陀螺不像太陽方位角傳感器一樣可以直接測量彈丸的章動角和進動角,因此,如何根據滾轉角速率的量測值,既解算出彈丸真實的滾轉角速率又能解算出錐運動引起的附加角速率信息,實現三軸角速率的數學解耦,從而滿足炮彈的制導控制需求仍待解決.

4)多轉速傳感器信息融合技術研究.經過文章的分析可以看出,目前針對制導炮彈轉速測量的方法較多,主要包括磁傳感器、加速度計、陀螺儀和太陽方位角傳感器等.采用多傳感器組合測量制導炮彈轉速,如磁阻傳感器+固態振動陀螺+太陽方位角傳感器、磁阻傳感器+加速度計+太陽方位角傳感器等,能夠克服單傳感器轉速測量的缺點,有利于提高轉速信息提取的精度以及可靠性.在實際炮彈應用環境中,多個不同原理的轉速傳感器原理不同,數據處理方法也不同,未來的研究可以著眼于多轉速傳感器信息融合技術的研究,分析不同原理轉速測量方法的兼容性與干擾性.

5)全彈道轉速數據測量技術.全彈道轉速數據即從膛內發射開始直到彈丸撞擊目標爆炸為止的完整轉速數據,對于初始姿態對準以及彈丸飛行穩定性研究、制導控制都具有十分重要的意義.由于制導炮彈在膛內的過載非常高,常規的慣性轉速傳感器,例如陀螺儀,不能在發射前啟動,只能在出炮口后啟動;磁阻傳感器由于沒有活動部件,抗過載能力很強,能夠承受膛內的高過載,但是由于炮膛是鐵磁性材料,會對磁阻傳感器造成磁屏蔽;太陽方位角傳感器在膛內由于沒有可見光而無法使用.因此,針對制導炮彈的全彈道轉速測量問題,尤其是膛內轉速的量測是一個值得研究的問題.

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尚劍宇 北京理工大學自動化學院博士研究生.主要研究方向為慣性導航,磁傳感器,信號處理.

E-mail:3120130357@bit.edu.cn

(SHANG Jian-Yu Ph.D.candidate at the School of Automation,Beijing Institute of Technology.Her research interest covers inertial navigation,magnetic sensors,and signal processing.)

鄧志紅 北京理工大學自動化學院教授.主要研究方向為慣性導航,慣性導航系統傳遞對準,新型角速率傳感器.本文通信作者.

E-mail:dzh_deng@bit.edu.cn

(DENG Zhi-Hong Professor at the School of Automation,Beijing Institute of Technology. Her research interest covers inertial navigation,transfer alignment for inertial navigation systems,and novel gyro sensor.Corresponding author of this paper.)

付夢印 南京理工大學教授.主要研究方向為慣性導航,智能導航,新型角速率傳感器.

E-mail:fumy@bit.edu.cn

(FU Meng-Yin Professor at Nanjing University of Science and Technology.His research interest covers inertial navigation,intelligent navigation,and novel gyro sensor.)

汪順亭 北京理工大學自動化學院教授.主要研究方向為船用慣性導航系統及光纖慣性器件.

E-mail:wstcnt@bit.edu.cn

(WANG Shun-Ting Professor at the School of Automation,Beijing Institute of Technology.His research interest covers marine inertial navigation system and fiber inertial sensor.)

Advance and Perspective on Spin Rate Measurement Technology for Guided Projectile

SHANG Jian-Yu1DENG Zhi-Hong1FU Meng-Yin1,2WANG Shun-Ting1

Guided projectile fired by the conventional artillery is one of the guided weapons which can strike the targets accurately by searching,guiding and controlling during the flight.Accurate spin rate measurement for guided projectile is the key to precise guidance and control.The spin rate measurement technology for guided projectile is summarized as follows.Firstly,the development situation of the guided projectile is discussed,then the necessity of measuring guided projectile spin rate is analyzed and measurement characteristics are explained.After that,spin rate measurement methods for spinning projectile are summarized.Meanwhile,spin rate measurement and information processing methods for guided projectile based on magnetoresistive sensor and high dynamic vibratory gyroscope are described.Finally,future research direction and focus of spin rate measurement technology for guided projectile are suggested.

Guided projectile,high dynamic,spin rate measurement,magnetoresistive sensor,high dynamic vibratory gyroscope

尚劍宇,鄧志紅,付夢印,汪順亭.制導炮彈轉速測量技術研究進展與展望.自動化學報,2016,42(11):1620?1629

Shang Jian-Yu,Deng Zhi-Hong,Fu Meng-Yin,Wang Shun-Ting.Advance and perspective on spin rate measurement technology for guided projectile.Acta Automatica Sinica,2016,42(11):1620?1629

2016-04-09 錄用日期2016-08-15

Manuscript received April 9,2016;accepted August 15,2016

本文責任編委孫富春

Recommended by Associate Editor SUN Fu-Chun

1.北京理工大學自動化學院 北京 100081 2.南京理工大學 南京210094

1.School of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081 2.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094

DOI 10.16383/j.aas.2016.c160323