CN105674815A - 一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，包括提供工作电压的电源输入模块、电路底板、两个两轴传感器、中间嵌入板、将传感器信号转换为数字信号的A/D转换模块；所述电路底板一面设置第一两轴传感器，棱面设置中间嵌入板，所述第二两轴传感器设置于中间嵌入板上；所述第一两轴传感器的测量坐标系原点在第二两轴传感器测量坐标系上的投影与第二两轴传感器测量坐标系原点重合。

Description

一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置

技术领域

本发明涉及一种大地磁场强度测量技术，特别是一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置。

背景技术

目前国内外对于弹体飞行姿态参数，可采用的技术很多，如太阳方位角传感器法、惯性测量组合是通过测量弹丸的角速度来解算弹丸的姿态角；无陀螺惯性测量组合是通过测量弹丸的加速度来解算弹丸的姿态角，这几种方法仅就弹箭的滚转角测试而言是完全可以的，但是如果要作为像火箭弹、炮射导弹这样一些低成本的压制性弹药的配套设备来说，将需要昂贵的成本,并且对于高旋弹来说，目前的惯性器件还不能在量程和精度上达到要求。因此，研制能有效提高弹体姿态探测精度，微小体积、低成本、抗高过载，并能充分利用现有弹药的方法及组件迫在眉睫。

在测量方法方面：

(1)太阳方位角传感器测试法

太阳光经过一针形孔在由惯性旋转的感光胶片上产生一系列光点，这些光点的位置反映了偏航状态。由于太阳光线在某一时刻有一精确的射角，可作为测量的基准方向。弹体的太阳方位角定义为弹轴与弹质心到太阳边线的夹角。该角可用光敏感器件缝隙的简单几何排列法测量。由于导弹在飞行中旋转运动，当太阳位于狭缝视场时，其光敏器件接收到光能，并输出一脉冲信号。由各光敏器件依次获取的时间间隔可得到弹体的转动周期，进而求取转速。

太阳方位角传感器测试法原理简单，适用于旋转飞行体的滚转角速度测试。缺点是使用受到了气候条件的限制，且精度不是很高。

(2)惯性测量组合

惯性测量组合的基本原理是利用惯性器件(主要包括加速度计和陀螺)测量载体运动参数(包括加速度和角速度)。惯性测量组合完全依靠自身设备工作，与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。早期用于姿态测量的捷联式陀螺姿态仪适用于短时间姿态的测试，因为受弹上体积的限制不可能加装校正系统，与大地坐标系的关系靠初始姿态确定。因此，累积积分误差随时间的加长，误差将加大，但是此方法受外界因素影响较小，在过载不太大时应用较方便。而目前微机械陀螺仪的性能与传统的陀螺仪相比还有一定的差距，微陀螺的精度、漂移和抗过载能力还达不到所需要求，国外已有抗高过载的微陀螺仪产品，但造价极高。

陀螺仪的最大缺点是价格昂贵、有累积误差、不能承受高过载，能承受10000g以上的微机械陀螺仪目前未见报道。

(3)无陀螺惯性测量组合

目前研究较多的是三加速度计，六加速度计和九加速度计几种方案，称为无陀螺惯性测量。三加速度计方案是采用三个正交安装的加速度计完成角速度测量。六加速度计方案是在以飞行体纵轴为中心的六面体每个面的中心安装一个加速度计完成角速度测量。九加速度计方案是在飞行体坐标系X、Y、Z轴分别安装4个、2个和3个加速度计完成角速度测量，从算法上看九加速度计方案没有交叉轴误差，计算值精度较高，是目前研究最多的一种方案。用加速度计代替陀螺仪来获取飞行体角速度信息的方案适用于动态范围大、飞行时间短的飞行体。

对于火炮发射的飞行体，发射时需要承受高达30000g的冲击过载，飞行时只有几个g～几十个g，因此为测取飞行时加速度的传感器必需时高过载低量程的传感器，目前国内外尚没有能够抗高过载的高精度低量程加速度计，且无陀螺惯性测量组合算法处理复杂，存在安装误差等。

(4)GPS定姿

美国的“全球定位系统”(GPS)，是目前世界上唯一投入实际运用的卫星导航系统，也是目前世界上应用最广泛的导航定位系统。与自主制导系统相比，GPS制导系统的精度更高，而且不受飞行距离影响，它的抗干扰能力很高。随着GPS接收器的发展，现在有的接收机已经能够输出载波相位测量值。载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法，它的毫米级精度使得利用GPS测量载体姿态成为可能。

弹上使用GPS测量姿态，存在以下几个困难：至少需要三块GPS接收机才能测量弹体的三个姿态角，而弹上的布局空间有限；弹上的姿态测量系统实时性要求很高，而现有的GPS接收机的频率一般在1s，无法满足要求；常规弹的长度比较短，如此短的基线布局，精度无法满足要求。

(5)地磁姿态测量法

地球和近地空间存在的磁场，称为地磁场，是地球的固定资源。由于在一定区域内，地磁场强度和磁倾角、磁偏角均是固定的，故地磁场可以作为测量飞行体飞行姿态的参照依据。随着地磁场模型的日趋完善以及微处理器滤波技术的不断发展和成熟，利用地磁来导航近年来得到迅速发展。通过探测地磁场的特性参数，再结合其他已知条件进行数值计算、误差校正得出载体姿态。利用地磁场探测的方法原理简单，可以全天候工作，抗高过载能力强同时具有好的频响。

在地磁测量的传感器器件方面，现如今最主流的传感器就是Honeywell公司的磁测量传感器。对于相对较小尺寸的三轴传感器HMC1043对中国禁运，市场上很难购买到，而另一款三轴传感器HMC1053市面上价值600元人民币，成本比较昂贵，急需廉价低成本的三轴测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，提出采用地磁为测量方式，采用特殊安装的两个两轴传感器组合为三轴传感器，以三轴地磁传感器、运算放大器、模数转换器为基础，实现对高速旋转弹体姿态角的测量。该测量装置体积小、造价低、可全天候测量等，最大的特点是提出了新的测量方式，并大大的降低了成本。

一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，包括提供工作电压的电源输入模块、电路底板、两个两轴传感器、中间嵌入板、将传感器信号转换为数字信号的A/D转换模块，所述电路底板一面设置第一两轴传感器，棱面设置中间嵌入板，所述第二两轴传感器设置于中间嵌入板上；所述第一两轴传感器的测量坐标系原点在第二两轴传感器测量坐标系上的投影与第二两轴传感器测量坐标系原点重合。

本发明与现有技术相比，实现了姿态测量的新方式，同时大大降低了成本，经实践体积可以缩小到30mm。其测量装置体积小、成本低、全天候、便于移植测量。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是弹丸姿态测量系统结构图。

图2是板子器件摆放图。

具体实施方式

结合图1、图2，一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，包括电源输入模块1、基准电压模块2、信号调理模块4、A/D转换模块5、电路板底板6、中间嵌入板7。电源输入模块1把外接电压转变成恒压5V，基准电压模块2通过基准转换芯片把5V转换成基准电压，提供给放大器和模数转换器。两个两轴传感器8和9分别放置电路板底板6和中间嵌入板7上，构成一个三维坐标，利用两轴地磁传感器8的两轴和9一轴构成相互垂直的三轴传感器。传感器利用磁阻效应产生地磁信息传送给信号调理模块4对信号进行放大，经放大器放大后输送给A/D转换模块5，转换变成数字信号。

所述两轴传感器8、9，一个放置在嵌入板上可测垂直地板方向地磁分量，一个放置在底板背面上，可测底板平面上的两垂直地磁分量，安放时使嵌入板上的地磁传感器对准背面地板上地磁传感器的中心，保证其三轴都在同一原点，测量精度高。

所述的两轴传感器的特殊安装方式可以代替昂贵的三轴传感器，而且灵敏度不受影响，例如采用两个单价为20人民币的HMC1052代替一个单价为600人民币的HMC1053。

所述的地磁测量装置可以全天候、全地域的进行测量。

所述的基准电压转换芯片的噪声纹波不超过5mV，提供精准的电压基准，如TI公司的的REF2940和REF2925。

所述的运算放大器要求输入阻抗高、转换速率快、单位增益带宽积大、噪声小等特点，如TI公司的OPA2188。

所述的模数转换器转换速率快、位数精度高、低功耗和稳定性好，如TI公司的ADS8331。

一种基于地磁传感器姿态角的测量装置，包括输入电源、信号调理电路、A/D转换器、基准电路、二个两轴地磁传感器；所述输入电源为通过连接器从外部输入两路电压：5V。5V电源输入为信号调理电路的电源管脚和A/D转换器的模拟电源管脚相连接，同时5V电压又分别与两路基准电压产生电路的电源输入端口相连接；二个两轴轴地磁传感器，经过特殊安装组合成一个三轴地磁传感器，保证原点在同一位置并相互垂直。信号调理电路由3个同样低噪声可编程增益放大器及相应3路一阶RC滤波器组成。3路放大器的增益设置可根据具体测量值，并通过增益控制跳线器，实现设置不同的增益值。3路放大器的输出分别连接至一阶RC滤波器的3个输入端，RC低通信号截止频率500Hz。A/D转换器采用串行4通道16位模数转换器，采样频率为500KHz。其数据输出端口为SPI口，供控制器(DSP、ARM等)读数据使用。

Claims (3)

1.一种应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，包括提供工作电压的电源输入模块(1)、电路底板(6)、两个两轴传感器(8、9)、中间嵌入板(7)、将传感器信号转换为数字信号的A/D转换模块(5)，其特征在于，

所述电路底板(6)一面设置第一两轴传感器(8)，棱面设置中间嵌入板(7)，所述第二两轴传感器(9)设置于中间嵌入板(7)上；

所述第一两轴传感器(8)的测量坐标系原点在第二两轴传感器(9)测量坐标系上的投影与第二两轴传感器测量坐标系原点重合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个两轴传感器(8、9)的测量坐标有一条轴与弹轴方向相同。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该装置还包括基准电压模块(2)，将工作电压转换成基准电压。