CN105675905B - 一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法。使用本发明能够提高旋转炮弹转速提取精度。本发明首先在炮弹内部安装单轴磁阻传感器，单轴磁阻传感器的敏感轴垂直于炮弹纵对称轴，在炮弹头部安装与弹头锥面共形的GPS天线阵；然后选取一个测量窗口，提取该测量窗口内单轴磁阻传感器在其敏感轴上的投影信号Fb(t)的频率，该频率作为所述测量窗口中心时刻ts的炮弹转速然后计算炮弹在中心时刻ts的转速测量误差补偿值Δf(ts)；最后利用误差补偿值Δf(ts)对ts时刻的炮弹转速进行误差补偿，获得炮弹在ts时刻的实际转速。

Description

一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法
技术领域
本发明涉及炮弹制导技术领域，具体涉及一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法。
背景技术
常规炮弹制导能显著提高炮弹的打击精度和总体作战效能，使其更加适应未来信息化战争。炮弹转速的精确测量是实现精确制导控制的基础，也是当前的一个难点问题。磁阻传感器可用于炮弹转速的测量，尤其是在高旋转、高过载等高动态炮射环境下优势更为明显。基于地磁信息的旋转炮弹转速测量原理建立在：当炮弹高速旋转飞行时，当地地磁场矢量在炮弹径向磁阻传感器敏感轴上的投影信号其频率与炮弹转速近似相等。例如申请号为201310410889.6和201320561880.0的两个测量旋转炮弹转速的专利申请都认为磁电子芯片输出的正弦波信号中的一个周期就表示炮弹旋转一周。然而，针对制导炮弹，其出炮口后转速由于尾翼的打开而减小到10r/s以内。此时，由于转速相对较低，炮弹径向的磁阻传感器输出信号的频率与炮弹转速并不完全近似相等，两者之间存在误差。如果采用传统的转速测量方法而忽略此误差的影响，则导致磁阻传感器测量的炮弹转速误差较大。目前，相关领域针对磁测转速的误差补偿仍缺乏深入细致的研究。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法，能够提高旋转炮弹转速提取精度。
本发明的基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，在炮弹内部安装单轴磁阻传感器，单轴磁阻传感器的敏感轴垂直于炮弹纵对称轴；在炮弹头部安装与弹头锥面共形的GPS天线阵；
步骤2，选取一个测量窗口，提取该测量窗口内单轴磁阻传感器在其敏感轴上的投影信号Fb(t)的频率，该频率作为所述测量窗口中心时刻ts的炮弹转速
步骤3，计算炮弹在中心时刻ts的转速测量误差补偿值Δf(ts)；
其中，
为炮弹发射处的当地地磁场矢量F在导航坐标系下的投影；ψ(ts) 为ts时刻炮弹的偏航角；θ(ts)为ts时刻炮弹的俯仰角；ψ(ts)和θ(ts)由GPS天线阵测量获得 的炮弹速度计算获得；Δt为单轴磁阻传感器输出信号的采样间隔时间；
步骤4，对ts时刻的炮弹转速进行误差补偿：f(ts)为炮弹在ts时刻的实际转速；
步骤5，移动测量窗口，按照步骤2～步骤4的方法，即得到炮弹任意时刻的转速。
进一步地，所述步骤2中，炮弹转速的提取方法具体如下：所述测量窗口为包含M个连续采样点的测量窗口，t0为测量窗口内的第一个采样点对应的时间；将内的采样点的值(即测量窗口内单轴磁阻传感器投影信号Fb(t)的采样点输出信号的幅值，单位是nT)乘以长度为M的Blackman窗函数，得到利用线性调频Z变换提取的频率，记为作为炮弹在中心时刻ts的转速。
进一步地，所述M为奇数且采样长度大于或等于3T，T为投影信号Fb(t)的周期。
有益效果：
(1)利用磁阻传感器测量炮弹转速时，传统的方法认为磁阻传感器输出信号的频率即为炮弹转速，但实际两者间存在误差。本发明对磁测转速误差进行了补偿，可以获得高精度的转速信息，进而提高炮弹的制导精度。
(2)本发明在提取磁阻传感器输出信号的频率时，使用了频率分辨率比傅里叶变换更高的CZT，且利用了具有最大旁瓣泄露的Blackman窗函数，这就从本质上提高了频率提取的精度。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在炮弹内部安装单轴磁阻传感器，保证其敏感轴垂直于炮弹纵对称轴；在弹头处安装锥面共形的GPS天线阵，保证与弹头外壳紧密连接；其中，由于很多炮弹的弹头是锥形的，扇形的GPS天线阵可以紧密围在锥状弹头上，即两者的形状相同。
步骤2，炮弹在其飞行过程中，由于其转速较低(10r/s以内)，炮弹径向的磁阻传感器输出信号的频率与炮弹转速并不完全近似相等，两者之间存在误差。假设磁阻传感器测量到的当地地磁场矢量在其敏感轴上的投影信号为Fb(t)，Fb(t)为正弦信号，其周期为T。
提取测量窗口内磁阻传感器在其敏感轴上的投影信号的频率并作为测量窗口中心时刻ts的含有误差的炮弹转速具体地，定义Fb(t)中一个包含M个连续采样点的测量窗口为其中，t0为测量窗口内的第一个采样点对应的时间，M为采样点个数。本发明选取M为奇数且采样长度大于或等于3T。将内的采样点乘以长度为M的Blackman窗函数后得到再利用CZT(chip z-transform，线性调频Z变换)提取的频率，记为并作为炮弹在测量窗口中心时刻ts(ts＝t0+(M-3)Δt)的含有误差的转速，其中Δt为磁阻传感器输出信号的采样间隔时间。
步骤3，计算炮弹在ts时刻的转速测量误差补偿值Δf(ts)。
根据GPS接收机测量的炮弹速度值推算ts时刻炮弹的偏航角ψ(ts)和俯仰角θ(ts)信息，并代入下式：
其中，为炮弹发射处的当地地磁场矢量F在导航坐标系下的投影。 通过炮弹发射处的经、纬度查表即可得到当地地磁场矢量F、磁偏角D以及磁倾角I，将F投影 到当地地理坐标系中即可获得
则ts时刻的炮弹转速测量误差Δf(ts)为：
步骤4，对ts时刻的炮弹转速进行误差补偿：
将步骤2中由磁阻传感器测得的含有误差的转速与步骤3中的转速误差项Δf(ts)代入下式，得到炮弹在ts时刻的实际转速为f(ts)：
步骤5，移动测量窗口，t0＝t0+Δt，按照步骤2～步骤4的方法，即可得到炮弹任意时刻的高精度转速。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在炮弹内部安装单轴磁阻传感器，单轴磁阻传感器的敏感轴垂直于炮弹纵对称轴；在炮弹头部安装与弹头锥面共形的GPS天线阵；
步骤2，选取一个测量窗口其中，测量窗口包含M个连续采样点，t0为测量窗口内的第一个采样点对应的时间；提取该测量窗口内单轴磁阻传感器在其敏感轴上的投影信号Fb(t)的频率，该频率作为所述测量窗口中心时刻ts的炮弹转速其中，炮弹转速的提取方法具体如下：将内的采样点幅值乘以长度为M的Blackman窗函数，得到利用线性调频Z变换提取的频率，记为 作为炮弹在中心时刻ts的转速；
步骤3，计算炮弹在中心时刻ts的转速测量误差补偿值Δf(ts)；
其中，
为炮弹发射处的当地地磁场矢量F在导航坐标系下的投影；ψ(ts)为ts时刻炮弹的偏航角；θ(ts)为ts时刻炮弹的俯仰角；ψ(ts)和θ(ts)由GPS天线阵测量获得的炮弹速度计算获得；Δt为单轴磁阻传感器输出信号的采样间隔时间；
步骤4，对ts时刻的炮弹转速进行误差补偿：f(ts)为炮弹在ts时刻的实际转速；
步骤5，移动测量窗口，按照步骤2～步骤4的方法，即得到炮弹任意时刻的转速。
2.如权利要求1所述的基于地磁信息的旋转炮弹转速测量误差补偿方法，其特征在于，所述M为奇数且采样长度大于或等于3T，T为投影信号Fb(t)的周期。
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