CN104501770A - 不受弹体姿态影响的激光引信定高方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种不受弹体姿态影响的激光引信定高方法。所述方法所需的装置由三个激光测距单元与一个运算处理单元组成，安装于弹体内。三个测距单元发射的窄波束激光相交某点O，并向弹体下侧发射，其发出的三束激光窄波束不共面，两两夹角为θ，激光束在地面投射的光斑点分别为A、B、C，利用实测距离为OA、OB、OC以及四面体OABC的空间几何约束条件即可求得弹体距离地面的高度h。

Description

不受弹体姿态影响的激光引信定高方法

技术领域

本发明涉及武器弹药引战系统技术领域，具体来说就是一种空对面、面对面武器弹药上激光引信实时测高技术。

背景技术

激光引信定高技术是以激光测距为基础，实时确定武器弹药的飞行高度，在子母弹定高开舱、云爆弹定高起爆及对地导弹定高起爆等方面应用广泛。

为达到最佳杀伤效果，弹药的引信必须严格控制引爆的高度，通常的做法是在弹体飞行中朝向地面一测安装激光测距装置，测量弹体距地的高度。但是武器弹药在飞行或降落过程中其姿态受气流影响，使得激光测距装置发射的光束不能与地面垂直，从而导致激光的光程大于其高度值，进而使引爆高度较设定高度降低。南京理工大学张孝云，江小华针对伞降空炸子母弹，提出了激光测距与MEMS三轴加速度传感器测姿相结合修正激光引信测高值的方法(《弹箭与制导学报》，第32卷第2期，《基于倾角的激光引信定高修正方法》)。南京理工大学沈娜，张祥金针对无动力飞行器提出了一种激光脉冲测距与重力加速度传感器复合测高的解决方案(《强激光与粒子束》，第23卷第12期，《引信用激光与加速度传感器复合定高技术》)。以上两种方法，都是采用加速度传感器测量弹体姿态从而修正激光测距值，但加速度传感器测量弹体姿态的精度不高，导致测高精度仅能达到2.5米，不能满足作战需求。张翼飞等人针对弹道导弹定 高起爆的需求，提出一种基于弹体旋转的多光路测高算法(《制导与引信》，第25卷第1期，《弹道导弹激光引信测高算法研究》)。国外有些学者提出采用GPS技术进行弹体高度测量(1、《Performance of laser and radar ranging devices in adverse environmental condition》[J].《Journal of Field Robotics》,2009,26(9):712-727；2、《Effect of target surfaces orientation on the range precision of laser detection and ranging systems》[J].《Journal of Applied Remote Sensing》,2009,3(33):559-564.)，但这种测高方法输出为海拔高度，必须依赖地理信息才能够转化为相对高度，由此会引起较大误差。

以上引信测高方法中，张翼飞等人提出的多光路测高算法与本发明的技术最为接近，这种测高方法采用多路共面激光束对地面照射，但是其缺点明显：根据文献《弹道导弹激光引信测高算法研究》中公式(4)，必须要预知弹道导弹再入倾角，即弹轴与地面的夹角，且必须在导弹发射前将其预置在引信的控制器中。对于常规的空对面导弹、伞降空炸子母弹、无动力灵巧炸弹而言，弹轴与地面夹角并不能在发射前确定，所以该方法适用面较窄。本发明采用多路非共面窄波束激光脉冲对地面照射，可以实时测量武器弹药据地面的相对高度，及弹轴与地面的夹角。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能够在弹体姿态不确定的情况下，完成激光引信的精确测高，实现对地攻击弹药定高起爆的不受弹体姿态影响的激光引 信定高方法。

为达到上述目的，本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，包括激光测高装置，所述激光测高装置包括设置在所述弹体内的三个激光测距单元，以及运算处理单元；

所述的激光引信定高方法包括：三个所述的激光测距单元向弹体下侧发射三束窄波束激光，所述的三束激光束不在同一平面内，且所述的三束激光束相交于O点，所述的三束激光束在地面投射的光斑点分别为A点、B点、C点，两两所述的激光束之间的夹角为θ；

三个所述激光测距单元分别测得O点至A点的距离数据OA、O点至B点的距离数据OB以及O点至C点的距离数据OC，所述的激光测距单元将测得的所述的距离数据输出至所述运算处理单元，所述运算处理单元基于四面体OABC的空间几何约束条件，运算处理单元确定弹体距离地面的高度h。

进一步地，确定弹体距离地面的高度h的方法具体包括如下步骤：

计算由三束激光束在地面上的三个光斑点A点、B点、C点连线形成的三角形ABC面积，计算公式如下：

$S_{\mathrm{\ΔABC}}={\left[\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)\right]}^{\frac{1}{2}}$

其中，ρ＝(c₁+c₂+c₃)/2，c₁＝AB、c₂＝BC、c₃＝CA，由以下关系式确定

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1=\sqrt{x^2+y^2-2\mathrm{xy}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_2=\sqrt{y^2+z^2-2\mathrm{yz}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_3=\sqrt{z^2+x^2-2\mathrm{zx}\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.$

其中，x＝OA、y＝OB、z＝OC；

计算四面体OABC的体积，计算公式如下：

$V_{\mathrm{OABC}}=\frac{1}{6}\mathrm{xy}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\left(z\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-{(z\cos \mathrm{\θ}\·\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2})}^2};$

计算弹体距离地面的高度h，计算公式如下：

$h=h_0+h^{*}=\frac{{3V}_{\mathrm{OABC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}=\frac{\mathrm{xyz}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}{\tan }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}}{2\sqrt{\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)}}+h^{*}$

其中，h₀为三束激光光束交点O到地面的垂直距离；

h^*为常数是弹体质心与O点在垂直方向的偏差，通过三个测距单元在弹体上的安装位置所确定，O点若在质心之上方，则该偏差为正，O点若在质心之下方，则该偏差为正在为负。

进一步地，每两束激光光束之间的夹角θ大小由弹体的俯仰角、滚动角、测距单元性能以及弹体的结构确定。

进一步地，三个所述的激光测距单元发射的激光为窄波束高重复频率脉冲激光；激光发射角小于1°，三个测距单元采取同步工作或者错时循环工作。

进一步地，所需的运算处理单元，运算处理单元为电子计算机，安装于弹体内，所述电子计算机为以下具有运算控制功能的微型计算机、单片机、DSP、FPGA、CPLD、嵌入式系统。

有益效果： 

(1)本发明不需要预先知道弹体的姿态。

(2)本发明避免了加速度计测姿过程中弹体自身机动产生的加速度对测姿的影响。

(3)本发明测高精度较高，当激光测距单元发出光束的中轴线两两夹角θ在30°～60°范围内，激光测距误差为0.5米时，40米高度以内的测高精度不大于0.7米。

附图说明

图1是本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法的激光测距单元布局示意图；

图2是本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高装置的结构组成示意图；

图3是本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法的实施例的激光测距单元布局示意图；

图4是本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法的实施例的弹体高度与高度误差的此较图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

一、硬件框架 

如附图2所示，将窄波束高重频激光脉冲测距装置作为测距单元，由电子计算机(可以但不限于以下具有运算控制功能的器件构成：微型计算机、单片机、DSP、FPGA、CPLD、嵌入式系统)作为运算处理单元。依据附图1确定的布局确定测距单元的相对位置。三个测距单元作为一体或者分开安装在弹体内下侧，沿弹体纵轴方向可以在质心位置，也可以在其他位置，而三个测距单元发出光束的中轴线相交于空间某点O，所述的三条中轴线两两夹角θ大小以及组成的空间体相对于弹体的空间姿态，是由弹体的姿态范围、测距单元性能 以及弹体的结构决定，其决定原则是在弹体距地面一定的高度范围内，三个测距单元对地面都能够实现有效地测距。

二、软件计算 

探测单元将获得的测距值交给运算处理单元，运算处理单元根据前述弹体离地面的高度的计算方法进行计算，即可获得测距单元的安装点O距离地面的高度h₀，及弹体距地面的高度h。

本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，所需的装置由安装于弹体内的三个激光测距单元和一个运算处理单元组成。所述方法包括：

三个测距单元向弹体下侧发射三束窄波束激光，三束激光所在三条直线不共面，且相交于空间某点O，两两夹角为θ，三束激光束在地面投射的光斑点分别为A、B、C。由三个测距单元实测的距离OA、OB、OC以及四面体OABC的空间几何约束条件，经运算处理单元即可得到弹体距离地面的高度h。

具体来说，弹体离地面的高度的计算方法具体包括如下步骤：

计算由三束激光束在地面上的三个光斑点连线形成的三角形ABC面积，计算公式如下：

$S_{\mathrm{\ΔABC}}={\left[\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)\right]}^{\frac{1}{2}}$

其中，ρ＝(c₁+c₂+c₃)/2，c₁＝AB、c₂＝BC、c₃＝CA，由以下关系式确定

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1=\sqrt{x^2+y^2-2\mathrm{xy}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_2=\sqrt{y^2+z^2-2\mathrm{yz}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_3=\sqrt{z^2+x^2-2\mathrm{zx}\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.$

其中，x＝OA、y＝OB、z＝OC分别是由三个激光测距单元实测的距离与结构尺寸之和，θ为三条激光束的两两夹角。

计算四面体OABC的体积，计算公式如下：

$V_{\mathrm{OABC}}=\frac{1}{6}\mathrm{xy}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\left(z\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-{(z\cos \mathrm{\θ}\·\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2})}^2}$

计算弹体距离地面的高度h，计算公式如下：

$h=h_0+h^{*}=\frac{{3V}_{\mathrm{OABC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}=\frac{\mathrm{xyz}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}{\tan }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}}{2\sqrt{\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)}}+h^{*}$

其中，h₀为三束激光光束交点O到地面的垂直距离，h^*为常数，是弹体质心与O点在垂直方向的偏差，由三个测距单元在弹体上的安装位置所决定，O点在质心之上为正，反之为负。

本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，所需的三个测距单元，三个测距单元都为激光测距装置，安装在弹体内下侧，每两束光束之间的夹角θ大小由弹体的俯仰角、滚动角、测距单元性能以及弹体的结构决定，其决定原则是在弹体距地面一定的高度范围内，三个测距单元对地面都能够实现有效地测距。

本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，所需的三个测距单元，测距单元发射的激光为窄波束高重复频率脉冲激光。激光发射角小于1°，原则上发射的激光波束越窄，测距精度越高。脉冲重复频率大小应满足测距的实时性要求，弹速越大，脉冲重复频率应越高。三个测距单元采取同步工作或者错时循环工作。

本发明不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，所需的运算处理单元，其特征在于：运算处理单元由电子计算机构成，安装于弹体内任意位置，硬件可以但不限于采用以下具有运算控制功能的器件实现：微型计算机、单片机、DSP、FPGA、CPLD、嵌入式系统等。

实施例

设导弹的速度为200～1000m/s，弹体质心离地面高度小于40m，弹体俯仰角为-15°～-45°，滚动角为-15°～+15°，偏航角无限制。在这样的弹体姿态动态范围条件下，选择或者设计三个脉冲激光测距单元，三个测距单元发射的激光束散角为0.5°，有效探测距离大于50m，最大测距误差±0.5m，脉冲重频率20K，三个测距单元循环工作。运算处理单元选择DSP芯片。

三个测距单元在弹体上的安装见图3。其中OA、OB、OC为三个测距单元发射的激光束中轴线，两两夹角θ相等，在30°～90°之间取值，交点O位于弹体的质心位置。OB、OC组成的平面OBC垂直于弹体的纵轴Ox，且关于弹体纵向平面xOD对称。

在以上所述的弹体姿态动态范围内，由以上所述性能的激光测距单元和运算处理单元及其安装条件，测距并运算所得的弹体高度见图4(假设地面为理想的水平面)。其中横坐标为测距并运算所得的弹体高度，不受弹体姿态影响，纵坐标为由三个测距单元的最大测距误差±0.5m引起的高度误差，显示也与三个测距单元的安装角度θ的影响，但最大误差不超过0.68m。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，包括激光测高装置，其特征在于：所述激光测高装置包括设置在所述弹体内的三个激光测距单元，以及运算处理单元；

所述的激光引信定高方法包括：三个所述的激光测距单元向弹体下侧发射三束窄波束激光，所述的三束激光束不在同一平面内，且所述的三束激光束相交于O点，所述的三束激光束在地面投射的光斑点分别为A点、B点、C点，两两所述的激光束之间的夹角为θ；

三个所述激光测距单元分别测得O点至A点的距离数据OA、O点至B点的距离数据OB以及O点至C点的距离数据OC，所述的激光测距单元将测得的所述的距离数据输出至所述运算处理单元，所述运算处理单元基于四面体OABC的空间几何约束条件，运算处理单元确定弹体距离地面的高度h。

2.根据权利要求1所述的不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，其特征在于：确定弹体距离地面的高度h的方法具体包括如下步骤：

计算由三束激光束在地面上的三个光斑点A点、B点、C点连线形成的三角形ABC面积，计算公式如下：

$S_{\mathrm{\ΔABC}}={\left[\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)\right]}^{\frac{1}{2}}$

其中，ρ＝(c₁+c₂+c₃)/2，c₁＝AB、c₂＝BC、c₃＝CA，由以下关系式确定

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1=\sqrt{x^2+y^2-2\mathrm{xy}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_2=\sqrt{y^2+z^2-2\mathrm{yz}\cos \mathrm{\θ}}\\ c_3=\sqrt{z^2+x^2-2\mathrm{zx}\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.$

其中，x＝OA、y＝OB、z＝OC；

计算四面体OABC的体积，计算公式如下：

$V_{\mathrm{OABC}}=\frac{1}{6}\mathrm{xy}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\left(z\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-{(z\cos \mathrm{\θ}\·\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2})}^2};$

计算弹体距离地面的高度h，计算公式如下：

$h=h_0+h^{*}=\frac{3V_{\mathrm{OABC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}=\frac{\mathrm{xyz}\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\sin }^2-{\cos }^2\mathrm{\θ}{\tan }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}}{2\sqrt{\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ρ}-c_1)(\mathrm{\ρ}-c_2)(\mathrm{\ρ}-c_3)}}+h^{*}$

其中，h₀为三束激光光束交点O到地面的垂直距离；

h^*为常数是弹体质心与O点在垂直方向的偏差，通过三个测距单元在弹体上的安装位置所确定，O点若在质心之上方，则该偏差为正，O点若在质心之下方，则该偏差为正在为负。

3.根据权利要求1所述的不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，其特征在于：每两束激光光束之间的夹角θ大小由弹体的俯仰角、滚动角、测距单元性能以及弹体的结构确定。

4.根据权利要求1所述的不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，其特征在于：三个所述的激光测距单元发射的激光为窄波束高重复频率脉冲激光；激光发射角小于1°，三个测距单元采取同步工作或者错时循环工作。

5.根据权利要求1所述的不受弹体姿态影响的激光引信定高方法，其特征在于：所需的运算处理单元，运算处理单元为电子计算机，安装于弹体内，所述电子计算机为以下具有运算控制功能的微型计算机、单片机、DSP、FPGA、CPLD、嵌入式系统。