引信滾轉姿態測量抗電機干擾補償方法

陳 超，李小平，雷瀧杰

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

二維彈道修正引信是在常規引信基礎上增加導航、制導、控制功能，實現彈丸軌跡修正，可顯著提高打擊精度，是一種實現常規彈藥低成本精確打擊的有效途徑[1-2]。姿態測量模塊是二維彈道修正引信的必要組成部件，常見的姿態測量原理包括太陽方位角法[3]、衛星定位天線測量法[4]、慣性測量法[5]、組合測量法[6-8]等。由于目前制導彈藥多具備衛星定位彈道測量裝置，可以充分利用衛星定位測速信息首先進行俯仰角和偏航角解算，然后再利用其他慣性器件組合進行滾轉姿態測量，因此基于衛星定位與慣性測量組合的姿態測量方法被廣泛采用，但應用中應根據實際工況對影響測量精度的因素進行識別和分析，提出相對應的補償方法，以滿足使用需要。

在某二維彈道修正引信中，采用衛星定位、磁傳感器和陀螺組合測量滾轉姿態，采用乒乓舵機進行引信滾轉穩定控制。由于引信體積小，舵機和姿態測量模塊相對位置較近，舵機由電機驅動，工作過程中的電機分布磁場對磁傳感器的輸出信號產生干擾，導致磁傳感器信號失真，影響滾轉姿態解算精度。

為了解決上述問題，提出一種二維彈道修正引信姿態測量模塊抗電機干擾補償方法。通過對舵機和姿態測量模塊的應用工況分析，利用舵機位置開關提供的反饋信號識別舵機工作狀態，在不同狀態下分別進行補償，以實現足夠的滾轉姿態測量精度。

1 滾轉姿態測量原理與應用工況分析

1.1 滾轉姿態測量原理

二維彈道修正引信修正組件相對彈丸整體減旋，采用衛星定位與磁傳感器及陀螺組合測量引信滾轉姿態，測量原理如圖1所示。

圖1 基于衛星定位與磁傳感器及陀螺組合的引信滾轉姿態測量原理Fig.1 The principle of fuze rolling attitude measurement based on the combination of satellite positioning, magnetic sensor and gyroscope

利用衛星定位裝置測量的速度信息解算俯仰角和偏航角，如式(1)所示。

(1)

式(1)中，?和φ分別為引信俯仰角和偏航角。

利用俯仰角、偏航角信息，結合當地磁場信息，通過磁傳感器測量信號解算引信滾轉角，如式(2)所示。

(2)

式(2)中，k1=-mxgsin ?cosφ+mygcos ?+mzgsin ? sinφ；k2=mxgsinφ+mzgcosφ；mxg、myg、mzg為地磁場分量在引信坐標系三個方向上的投影；kzy為磁傳感器Z軸和Y軸靈敏度之比；vy為磁傳感器Y軸測量電壓；vZ為磁傳感器Z軸測量電壓；ybias為磁傳感器Y軸零偏；zbias為磁傳感器Z軸零偏。

1.2 舵機工作對磁傳感器的影響分析

乒乓舵機采用直線音圈電機進行驅動，音圈電機由定子磁芯和動子線圈構成。線圈在驅動電流的作用下，產生直線往復運動，線圈連接傳動機構將直線運動轉化為舵面轉動，運動到位時，通過機械限位裝置使舵面角度固定在所需位置；同時，為了識別舵機工作狀態，設置位置開關，當舵面處于正向或反向極限位置時，對應的位置開關閉合，當舵面處于換向過程中時，位置開關斷開。電機與磁傳感器的相對位置關系如圖2所示。

圖2 電機與磁傳感器的相對位置關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative position relationship between motor and magnetic sensor

電機產生的磁場主要包括兩部分：一是定子磁芯產生的分布磁場，由于定子磁芯與磁傳感器的相對位置關系固定，其產生的分布磁場對磁傳感器的影響是固定的，可通過標定予以消除；二是動子線圈產生的磁場，由于線圈與磁傳感器的相對位置關系不固定，且其分布磁場與線圈電流有關，因此需對應實際工況研究有針對性的補償方法。由以上可知，電機工作時主要是對磁傳感器信號產生干擾，對陀螺傳感器沒有影響。

2 抗電機干擾補償方法

2.1 工作狀態識別

根據第1章的應用工況分析，將電機的工作狀態定義為靜態和動態兩種狀態。靜態定義為電機處于正向或反向極限位置時的狀態，狀態標識為對應的位置開關信號閉合；動態定義為電機處于換向過程中的狀態，狀態標識為位置開關斷開。

2.2 靜態狀態下的補償方法

2.2.1補償策略

在靜態狀態下，電機線圈與磁傳感器的相對位置關系固定，且線圈電流穩定，因此，線圈產生的分布磁場是可估量的。對于每發產品，可認為電機分布磁場的影響是在磁傳感器輸出信號電壓上疊加了一個基本穩定但數值未知的直流偏置量，通過提前獲取該偏置量，即可對磁傳感器輸出信號進行補償。假設已獲取以下四個偏置量：

Vyp、Vzp為舵面處于正向極限位置時對磁傳感器y軸、z軸電壓信號的產生的偏置；

Vyn、Vzn為舵面處于反向極限位置時對磁傳感器y軸、z軸電壓信號的產生的偏置。

則可以利用實際采集的磁傳感器輸出電壓信號減去該偏置量，得到所需的地磁場測量信號，利用該信號帶入式(2)進行滾轉角解算。

2.2.2偏置量獲取方法

為提升彈載適應性，采取發射后自主標定的方法獲取電機分布磁場對磁傳感器輸出電壓信號影響的偏置量，具體步驟如下：

1)驅動舵機正偏，引信正向轉動0.5 s，采集磁傳感器y軸和z軸輸出電壓信號；

2)驅動舵機反偏，引信反向轉動0.5 s，采集磁傳感器y軸和z軸輸出電壓信號；

3)舵機不工作，引信隨彈丸自由旋轉0.5 s，采集磁傳感器y軸和z軸輸出電壓信號；

4)采用橢圓擬合方法計算步驟1)-3)中的磁傳感器輸出信號零偏[9]；

5)利用式(3)計算所需的偏置量。

(3)

式(3)中，Vyp、Vzp為舵機正向極限位置磁傳感器輸出電壓信號零偏；Vyn、Vzn為舵機反向極限位置磁傳感器輸出電壓信號零偏；Vy0、Vz0為舵機不工作時磁傳感器輸出電壓信號零偏。

2.3 動態狀態下的補償方法

在動態狀態下，電機線圈與磁傳感器間的相對位置關系連續改變，無法進行簡單補償，因此，摒棄磁傳感器測量信號，采用不受干擾的陀螺測量得到的角速率值，通過與時間的積分計算當前滾轉角數值。

令前一時刻t0的滾轉角速率為ω0，滾轉角為γ0，當前時刻t1測得的滾轉角速率為ω1，則當前滾轉角數值按如下公式計算：

(4)

2.4 補償方法流程

通過本節的描述，總結姿態測量模塊抗電機干擾補償方法流程如圖3所示。

圖3 抗電機干擾補償方法流程圖Fig.3 Flow chart of anti motor interference compensation method

3 測試與驗證

通過高精度轉臺對姿態測量裝置的滾轉角測量精度進行驗證。測試時，將引信樣機安裝于轉臺，分別設置轉臺姿態為90°、180°、270°、360°，每種姿態停留5 s，在此期間，舵機隨機換向，姿態測量裝置進行姿態測量，存儲磁傳感器原始信號、補償前的滾轉角解算結果、補償后的滾轉角解算結果。回讀數據，對比補償前后的滾轉角解算結果，如圖4所示。統計每個角度的測量精度，如表1所示。

圖4 補償前后滾轉角測試結果示意圖Fig.4 Test results before and after compensation

表1 滾轉姿態測量結果統計表Tab.1 Roll attitude measurement results

由圖4可以看出，通過采用補償方法后，滾轉角測量噪聲得到明顯抑制。通過表1可以看出，滾轉角測量精度由補償前的20°以上降低至7°以下，該方法效果明顯。

4 結論

本文提出一種引信滾轉姿態測量模塊抗電機干擾補償方法。該方法在彈丸發射后首先自主標定電機分布磁場對磁傳感器信號的干擾偏置量，測量時利用舵機開關提供的位置反饋信號識別舵機“靜態”和“動態”工作狀態。在靜態狀態下，通過標定的干擾偏置量對磁傳感器信號進行補償，利用補償后的磁測量信號解算滾轉角；在動態狀態下，通過陀螺測量的角速率與時間積分計算滾轉角。利用高精度轉臺對補償方法的有效性進行了驗證，可顯著降低測量誤差。該方法已在二維彈道修正引信原型樣機中開展應用，具有良好的適應性。