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基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法
申请号 CN202111520078.2 申请日 2021-12-13 公开(公告)号 CN116263312A 公开(公告)日 2023-06-16
申请人 北京理工大学; 发明人 范世鹏; 杨启帆; 王江; 毛宁; 胡少勇; 刘经纬;
摘要 本发明公开了一种基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，对径向陀螺测得的俯仰角速率数据进行处理，获得初始的弹体滚转角，进而根据径向陀螺测得的滚转角速率获得其它时刻弹体的滚转角。本发明公开的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，无需安装地磁传感器等元件，利用较少的信息便解决了高动态的滚转角对准问题，可适应滚转通道的高动态，能够为滚转弹组合导航提供良好的初始条件。
权利要求

1.一种基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，对径向陀螺测得的俯仰角速率数据进行处理，获得初始的弹体滚转角，进而根据轴向陀螺仪测得的滚转角速率获得其它时刻弹体的滚转角。

2.根据权利要求1所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、预处理原始惯性陀螺数据，获得精准径向角速度陀螺数据；

S3、根据精准径向角速率陀螺数据获得滚转角初值；

S4、根据滚转角初值和滚转角速率获取不同时间的滚转角。

3.根据权利要求2所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，在S3中，通过下式获得滚转角初值：

其中，ωby、ωbz代表预处理后的精准径向陀螺数据，Δγ代表弹体一段时间后相对于初始弹体系已经过的滚转角，可通过径向陀螺直接检测获得；θy代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Y轴的投影，θz代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Z轴的投影，γ0代表积分区间初始时刻的滚转角，t表示一段时间；所述一段时间是指从初始时刻到采集到径向陀螺值时刻之间的时间。

4.根据权利要求2所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，在S1中，对一段时间的惯性陀螺进行采样，获取原始径向陀螺数据，对原始径向陀螺数据进行带通滤波，消除弹体特征频率ωc所带来的分量及安装误差带来的低频分量。

5.根据权利要求3所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，所述带通滤波通过快速傅里叶变换方法实现。

6.根据权利要求2所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，在S4中，通过对一段时间的轴向陀螺数据进行积分处理获得滚转角速率。

7.根据权利要求6所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，将一段时间分为多个区间，从初始时刻开始到第k个积分区间，经过的滚转角Δγ(kT)表示为：k表示第k个积分区间，i∈[1,k]，T为陀螺采样周期，ωx表示测量得到的滚转角速率。

8.根据权利要求7所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，γ主代表通过反正切函数得到的滚转角数值。

9.根据权利要求2所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，在S3之前，还具有步骤S2、径向陀螺数据有效性确认，判断惯性陀螺测量值是否异常。

10.根据权利要求1所述的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，其特征在于，仅利用惯性陀螺的数据，无需地磁传感器数据。
说明书全文

基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种滚转飞行器相控阵雷达导引头波束控制方法，属视飞行器控制领域。

背景技术

[0002] 滚转弹是一类比较特殊的弹药，在飞行过程中，弹体绕其自身纵轴周期性滚转。滚转弹可以降低外界干扰、气动结构不对称及质量偏心带来的影响，在静不稳定弹上起到陀螺稳定效果，具有多方面优势而被广泛应用。
[0003] 激光末制导炮弹是一种使用最广泛的精确打击武器，末制导武器落点散布随射程的增大而显著增大，这给中末制导交接班带来了困难。为此，必须实现高精度导航，在飞行中段修正弹道。
[0004] 修正弹道需要初始姿态对准，末制导炮弹在发射前通常会承受较大的载荷，且内弹道滚转通道呈现高动态运动，转速可达每秒上千转，惯导系统无法提前工作，无法在发射时利用初始对准获取初始姿态，需要在发射后利用惯性陀螺、加速度计、卫星导航数据或地磁等弹上信息对准，而滚转弹由于转速高，滚转角在空中对准速度慢、且难以精确对准，导致初始姿态获取速度慢，降低了命中精准度。
[0005] 因此，有必要研究一种能够解决上述技术问题的滚转弹滚转角初值获取方法。

发明内容

[0006] 为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，对径向陀螺测得的俯仰角速率数据进行处理，获得初始的弹体滚转角，进而根据轴向陀螺仪测得的滚转角速率获得其它时刻弹体的滚转角。
[0007] 在一个优选的实施方式中，所述方法包括以下步骤：
[0008] S1、预处理原始惯性陀螺数据，获得精准径向角速度陀螺数据；
[0009] S3、根据精准径向角速率陀螺数据获得滚转角初值；
[0010] S4、根据滚转角初值和滚转角速率获取不同时间的滚转角。
[0011] 在一个优选的实施方式中，在S3中，通过下式获得滚转角初值：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 其中，ωby、ωbz代表预处理后的精准径向陀螺数据，Δγ代表弹体一段时间后相对于初始弹体系已经过的滚转角，可通过径向陀螺直接检测获得；θy代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Y轴的投影，θz代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Z轴的投影，γ0代表积分区间初始时刻的滚转角，t表示一段时间；所述一段时间是指从初始时刻到采集到径向陀螺值时刻之间的时间。
[0016] 在一个优选的实施方式中，在S1中，对一段时间的惯性陀螺进行采样，获取原始径向陀螺数据，对原始径向陀螺数据进行带通滤波，消除弹体特征频率ωc所带来的分量及安装误差带来的低频分量。
[0017] 在一个优选的实施方式中，所述带通滤波通过快速傅里叶变换方法实现。
[0018] 在一个优选的实施方式中，在S4中，通过对一段时间的轴向陀螺数据进行积分处理获得滚转角速率。
[0019] 在一个优选的实施方式中，将一段时间分为多个区间，从初始时刻开始到第k个积分区间，经过的滚转角Δγ(kT)表示为：
[0020]
[0021] k表示第k个积分区间，i∈[1,k]，T为陀螺采样周期，ωx表示测量得到的滚转角速率。
[0022] 在一个优选的实施方式中，
[0023] γ主代表通过反正切函数得到的滚转角数值。
[0024] 在一个优选的实施方式中，在S3之前，还具有步骤S2、径向陀螺数据有效性确认，判断惯性陀螺测量值是否异常。
[0025] 根据本发明，仅利用惯性陀螺的数据，无需地磁传感器数据。
[0026] 本发明所具有的有益效果包括：
[0027] (1)无需安装地磁传感器等元件，利用较少的信息便解决了高动态的滚转角对准问题；
[0028] (2)可适应滚转通道的高动态，通过积分过程降低高动态带来的不确定性；
[0029] (3)能够为滚转弹组合导航提供良好的初始条件。

附图说明

[0030] 图1示出根据本发明一种优选实施方式的基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法流程示意图；
[0031] 图2示出滚转弹无控段径向陀螺数据频谱示意图；
[0032] 图3示出本发明坐标系定义示意图；
[0033] 图4示出本发明实施例1中飞行过程中陀螺仪测得的数据；
[0034] 图5示出本发明实施例1中获得的滚转角与理论值的对比。

具体实施方式

[0035] 下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0036] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0037] 需要说明的是，在本发明中为方便描述，将弹体坐标系定义如下：弹体质心为弹体坐标系原点，X轴沿着弹体轴向，前向为正；Y轴在弹体纵向对称面内，垂直与X轴，向上为正；Z轴由X、Y轴构成右手坐标系。
[0038] 本发明提供了一种基于角速率信息的滚转弹无控段滚转角获取方法，仅利用惯性陀螺的数据，快速获取滚转弹无控段的滚转角。
[0039] 所述惯性陀螺为三轴陀螺，包括径向陀螺和轴向陀螺。
[0040] 发明人发现，在无控飞行段，在弹体静稳定力矩作用下，滚转弹的攻角与侧滑角均保持为零，即滚转弹的侧向运动可忽略，俯仰角速率仅与弹道倾角、飞行速度有关，在一小段时间内，弹道倾角、速度变化均较小，可以利用惯性陀螺的信息获取滚转角：
[0041]
[0042] ωz、ωy代表弹体坐标系的旋转角速率在弹体系z、y轴的投影，可通过惯性陀螺测得，γ代表滚转角，代表弹体俯仰角速率。
[0043] 本发明根据无控飞行段重力矢量引起的垂直平面弹道弯曲原理，对径向陀螺测得的俯仰角速率数据进行处理，获得初始的弹体滚转角，进而根据轴向陀螺测得的滚转角速率获得其它时刻弹体的滚转角。
[0044] 根据本发明，如图1、2所示，所述方法包括以下步骤：
[0045] S1、预处理原始惯性陀螺数据，获得精准径向角速度陀螺数据；
[0046] S3、根据精准径向角速率陀螺数据获得滚转角初值；
[0047] S4、根据滚转角初值和滚转角速率获取不同时间的滚转角。
[0048] 由于惯性陀螺在高动态的环境下存在多种误差，包括安装误差角、零偏误差等，径向陀螺会存在一定程度的轴向陀螺的信息；并且陀螺可能会受环境影响存在随机噪声，通过惯性陀螺直接获取的角速率信息并不准确。
[0049] 在本发明中，核心在于如何处理原始惯性陀螺检测到的信息，从而得到准确的反映弹道弯曲角速率的信息，在S1中，通过对惯性陀螺数据进行预处理，获得精准径向角速率陀螺数据，即获得比惯性陀螺直接检测得到的角速率信息更精准的角速率信息。
[0050] 发明人发现，在滚转弹滚转的过程中，角速度信息存在周期性的变化，并且滚转弹具有特有的频谱特征，可以反映角速率陀螺信息，在本发明中将该频谱特征称为弹体特征频率ωc。
[0051] 根据本发明，对一段时间的惯性陀螺进行采样，获取原始径向陀螺数据，对原始径向陀螺数据进行带通滤波，获得滤波径向陀螺数据，消除弹体特征频率ωc所带来的分量及安装误差带来的低频分量。
[0052] 在一个优选的实施方式中，所述带通滤波通过快速傅里叶变换方法实现。
[0053] 所述快速傅里叶变换方法,即利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的，采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著，在本发明中，对FFT具体的计算方法不做赘述。
[0054] 根据本发明优选的实施方式，对一段时间的惯性陀螺进行采样，获取原始径向陀螺数据，对采样获得的值进行快速傅里叶变换处理，即可得原始径向陀螺数据的频谱特性，图2示出了某型号滚转弹无控段飞行时的频谱图。
[0055] 径向角速率陀螺数据除了滚转频率分量，还包含两个分量，是由于弹体特征频率带来的分量，表示为ωc1、ωc2，该分量与弹体滚转频率具有如下关系：
[0056]
[0057] 其中，ω代表弹体滚转频率，ωc代表弹体特征频率，ωc1、ωc2代表反映到径向角速率陀螺数据中的分量，为无用分量，需要后续消除。
[0058] 根据本发明，通过滤波消除上述两个分量，滤波后的陀螺数据仅存与滚转频率相关的分量。
[0059] 进一步地，弹体滚转频率ω通过对轴向陀螺测量值采样得到。
[0060] 在S3中，如图3所示，YOZ代表准载体系，yb0ozb0代表初始时刻弹体坐标系，ybozb代表当前时刻的载体坐标系，通过下式获得滚转角初值：
[0061]
[0062] 其中，ωby、ωbz代表预处理后的精准径向陀螺数据中的Y轴分量和Z轴分量，Δγ代表弹体一段时间后相对于初始弹体系已经过的滚转角，可通过轴向陀螺直接检测获得；θy代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Y轴的投影，θz代表一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Z轴的投影，γ0代表积分区间初始时刻的滚转角，t表示一段时间；所述一段时间是指从初始时刻到采集到径向陀螺值时刻之间的时间。
[0063] 在S4中，所述滚转角速率通过轴向陀螺测量值进行积分处理获得。
[0064] 由于滚转弹具有高动态特性，在弹体快速滚转的情况下，径向陀螺测量值很难在每一时刻都得到精确值，发明人发现，通过对一段时间的径向陀螺数据进行积分处理，结合滚转角初值，即可推算出后续每一时刻的滚转角，并且由于径向陀螺信号为周期信号，上述过程还能够减小陀螺零偏的影响。
[0065] 进一步地，在积分过程中，一段时间可以表示为：
[0066] t＝N*T         (四)
[0067] 其中，T为陀螺采样周期，采样点总数为N。
[0068] 根据弹体运动学，滚转角速率 可表示为：
[0069]
[0070] 其中，ωx表示弹体坐标系的旋转角速率在弹体系X轴的投影，为轴向陀螺测量值，ωy代表弹体坐标系的旋转角速率在弹体系Y轴的投影，ωz代表弹体坐标系的旋转角速率在弹体系Z轴的投影，θ代表弹体俯仰角。
[0071] 发明人发现，由于滚转弹的特性，使得弹体滚转角速率较大，俯仰角及径向角速率相对于轴向角速率可以忽略不计，可以将滚转角速率表示为：
[0072]
[0073] 则从初始时刻开始到第k个积分区间，经过的滚转角可表示为：
[0074]
[0075] 其中，k表示第k个积分区间，i∈[1,k]。
[0076] 根据式(七)和式(三)，一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Y轴的投影θy可表示为：
[0077]
[0078] 其中，ωby(kT)代表kT时刻的径向陀螺采样值，N表示积分区间总数，NT为从初始时刻开始到最后采样时刻的总时间。
[0079] 根据式(七)和式(三)，一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Z轴的投影θz可表示为：
[0080]
[0081] 其中，ωby(kT)代表kT时刻的径向陀螺采样值，N表示采样点总数，NT为从初始时刻开始到最后采样时刻的总时间。
[0082] 根据θy、θz即可获得NT时刻滚转角数值：
[0083]
[0084] γ主代表通过反正切函数得到的滚转角数值。
[0085] 进一步地，由于滚转角的取值范围是γ∈[‑180°,180°]，需要通过θy、θz的符号进行滚转角γ的象限判断，进而确定滚转角γ的最终取值。
[0086] 具体地，当θy>0且θz>0时，γ＝γ主‑pi；
[0087] 当θy<0且θz<0时，γ＝γ主；
[0088] 当θy<0且θz>0时，γ＝γ主+pi；
[0089] 当θy>0且θz<0时，γ＝γ主；
[0090] 其中，pi表示π，即180°。
[0091] 在一个优选的实施方式中，在S1之后、S3之前，还具有步骤S2、径向陀螺数据有效性确认。
[0092] 发明人发现，滚转弹的滚转角速率期望与弹体飞行速度成正比，弹体转速服从以滚转角速率期望为标准差的正态分布：
[0093]
[0094] 其中，表示滚转角速率，μ表示滚转角速率期望，σ表示标准差。
[0095] 通过下式获得惯性陀螺检测的滚转角：
[0096]
[0097] 将步骤S1中获得的径向陀螺数据的频谱特性，可以获得对应的滚转角γ频谱，进而对滚转角求导获得惯性陀螺测得的滚转角速率频率，若实际测得的滚转角速率属于95％置信区间的范围内，认为滚转角速率有效，可以按照S3中的方法获取滚转角初值，否则认为惯性陀螺异常，测量结果不准确，无法以惯性陀螺的检测值获取滚转角。
[0098] 进一步优选地，发明人还发现，弹道倾角角速率 服从理论值 作为期望，σθ为标准差的正态分布：
[0099]
[0100] 将ωy作为惯性陀螺检测的弹道倾角角速率 根据S1获得的径向陀螺数据的频谱特性，当径向陀螺数据中ωy的幅值属于95％置信区间的范围内，认为径向陀螺测量值准确，可以按照S3中的方法获取滚转角初值，否则认为惯性陀螺异常，测量结果不准确，无法以惯性陀螺的检测值获取滚转角。
[0101] 实施例
[0102] 实施例1
[0103] 利用某次飞行试验的黑匣子数据，对滚转角进行获取，在黑匣子里存有飞行过程中陀螺仪测得的数据，如图4所示，由于陀螺仪具有大量测量误差，由陀螺仪测量值直接获取的滚转角准确率很低，无法使用。
[0104] 惯性陀螺在弹道最高点解锁，解锁前陀螺轴与弹体轴夹角为0°，当弹体俯仰角小于‑5°时，空间定向陀螺的外框架电位计传感器将输出5°片信号，代表滚转角为0°的时刻。由于在此条件下，滚转角为0°的时间便于获取，通过比较滚转角为0°的理论时间与滚转角获取方法得到的0°滚转角时间比对，便于验证获取方法的效果，在本实施例中选取满足以上条件的28‑34s的时间的理论数据与获取到的滚转角数据进行比对。
[0105] 具体地，通过以下方式对陀螺仪测得的数据进行处理：
[0106] S1、预处理原始惯性陀螺数据，获得精准径向角速度陀螺数据；
[0107] S3、根据精准径向角速率陀螺数据获得滚转角初值；
[0108] S4、根据滚转角初值和滚转角速率获取不同时间的滚转角。
[0109] 在S1中，采用快速傅里叶变换的方法对原始径向陀螺数据进行带通滤波，获得精准径向陀螺数据，其结果如图5所示。
[0110] 在S3中，针对精准径向角速率陀螺数据，根据下式获得滚转角初值：
[0111]
[0112]
[0113]
[0114] 在S4中，在获得滚转角初值后，利用径向陀螺测量值推算后续每一时刻的滚转角。
[0115] 具体地，一段时间的弹道倾角变化量在初始弹体系Y轴的投影θy可表示为：
[0116]
[0117] 弹道倾角变化量在初始弹体系Z轴的投影θz可表示为：
[0118]
[0119]
[0120] 当θy>0且θz>0时，γ0＝γ主‑pi；
[0121] 当θy<0且θz<0时，γ0＝γ主；
[0122] 当θy<0且θz>0时，γ0＝γ主+pi；
[0123] 当θy>0且θz<0时，γ0＝γ主；
[0124] 将获得的滚转角为0°时刻与理论数据滚转角0°时刻比较，结果如表一所示，进一步地，为便于明确具体角度误差，利用滚转角速率将时间误差转化为角度误差，如表一所示。
[0125] 表一
[0126]时间误差s 角度误差°
0.000225 0.426375
‑2.5E‑05 ‑0.04737
‑0.00156 ‑2.96567
‑0.00036 ‑0.69167
0.000265 0.502175
‑0.00037 ‑0.70115
‑3.5E‑05 ‑0.06632
0.000605 1.146475
0.000655 1.241225
0.0014 2.653
[0127] 从表一可以看出，该方法能够获得较为精确的滚转角，滚转角偏差在3°以内。
[0128] 图5示出了获得的滚转角与理论值的对比，横坐标代表处理该次飞行试验数据的时间段，纵坐标代表滚转角，实线代表滚转角辨识算法推算的滚转角，虚线代表滚转角理论值，从图上可以看出，本实施例获得的滚转角与理论值误差较小，精准度较高。
[0129] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0130] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0131] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

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