CN110595426A - 一种弹载着角测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹载着角测量系统及测量方法。本发明采用三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路、无线通讯单元和信号接收计算机；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当制导弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉断信号触发导线，触发三轴地磁传感器和无线通讯单元开始工作；三轴地磁传感器采集地磁分量，经信号处理电路得到地磁分量，通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机，计算得到弹体的磁偏角ψ和俯仰角θ；本发明实现了低成本、小体积、误差小、鲁棒性好的实时测量和总体分析，为弹药的毁伤评估提供数据支撑。

Description

一种弹载着角测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种弹药的姿态测量技术，具体涉及一种弹药在爆炸位置的弹载着角测量系统及测量方法。

背景技术

在实战中，弹药通过移动的落速和落脚攻击目标。弹药的毁伤能力与弹药定性的静爆威力不同，主要涉及对爆炸破片场空间分布的影响和毁伤能力的可靠性。弹药在炸点与目标的接触夹角是决定爆炸场分布的重要因素。对弹药炸点位置与目标接触夹角的实时测量，进行分析弹药毁伤性能，目前在工程上还未实现。

发明内容

针对弹药在爆炸位置与目标接触夹角的探测问题，本发明提出了一种弹药在爆炸位置的弹载着角测量系统及测量方法，以解决对弹药炸点的实时测量进行分析弹药毁伤性能的工程难题。

本发明的一个目的在于提出一种弹载着角测量系统。

本发明的弹载着角测量系统包括：三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路、无线通讯单元和信号接收计算机；其中，三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路和无线通讯单元均固定安装在弹药内；信号触发装置，安装在弹药的弹体头部，通过信号触发导线连接至集成信号处理电路；三轴地磁传感器固定在弹药的质心位置；三轴地磁传感器的三个敏感轴分别沿着弹药体坐标系的三个轴方向；无线通讯单元连接在弹药的弹体尾部；三轴地磁传感器连接至集成信号处理电路；集成信号处理电路连接至无线通讯单元；无线通讯单元与信号接收计算机进行无线传输；三轴地磁传感器和无线通讯单元分别通过电磁开关连接至集成信号处理电路；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电磁开关断开，集成信号处理电路不对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，此时集成信号处理电路被激励，产生脉冲分别至三轴地磁传感器和无线通讯单元，设置在集成信号处理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，电磁开关导通，集成信号处理电路对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元工作；三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至集成信号处理电路；信号处理电路对地磁信号进行放大并转换成数字信号，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D，计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ。

信号触发装置为一个惯性质量块。

弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

集成信号处理电路包括：电源管理电路、运放电路、A/D转换电路、第一电阻和单片机；其中，三轴地磁传感器连接至运放电路；运放电路连接至A/D转换电路；A/D转换电路连接至单片机；单片机的一对输入输出引脚与无线通讯单元连接；电源管理电路分别连接至运放电路、A/D转换电路和单片机，提供工作电压；单片机的另一对输入输出引脚与连接导线相连，电源管理电路、电阻和单片机通过连接导线构成闭合回路，信号触发导线连接至连接导线；电源管理电路分别通过电磁开关连接至三轴地磁传感器和无线通讯单元；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电源管理电路、电阻与单片机为闭合回路，单片机有通过连接导线的电流通过，此时单片机的状态标志为1，连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关断开，不对其供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，信号触发导线将连接导线拉断，断开单片机通过连接导线与电源管理电路的连接，单片机无连接导线的电流通过，单片机的电流变小，此时单片机的状态标志为0，单片机产生激励脉冲信号至电源管理电路，电源管理电路发出脉冲信号至连接三轴地磁传感器和无线通讯单元的电磁开关，电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，此时连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关闭合，开始供电；三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至运放电路，进行信号放大；放大后的信号传输至A/D转换电路转换成数字信号，传输至单片机，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；单片机将地磁分量通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ。

设定地磁坐标系为ONED，弹药体坐标系为Ox₁y₁z₁；地磁坐标系的ON轴指向地磁的北极，OE轴平行于地面且与ON轴垂直并指向右，OD轴垂直指向地面。三轴地磁传感器分别安装在弹药体坐标系的三个轴方向，即Ox₁y₁z₁方向。弹药在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ分别为：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

进一步，本发明还包括锁存器，连接在运放电路与单片机之间，锁存器通过电阻与A/D转换电路连接；电源管理电路为锁存器供电；地磁分量经运放电路放大后，传输至锁存器锁存，模拟信号的锁存结果传输至单片机存储中；地磁分量经运放电路放大后传输至A/D转换电路，转换为数字信号，数字信号经电阻分压后，传输至锁存器锁存，便于对弹药在与目标炸点位置的整个接触过程的动态信号存储，便于后续的整体分析。

本发明的另一个目的在于提供一种弹载着角测量系统的测量方法。

本发明弹载着角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电磁开关断开，集成信号处理电路不对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；

2)当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，此时集成信号处理电路被激励，产生脉冲分别至三轴地磁传感器和无线通讯单元，设置在集成信号处理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，电磁开关导通，集成信号处理电路对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元工作；

3)三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至集成信号处理电路；

4)信号处理电路对地磁信号进行放大并转换成数字信号，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；

5)通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；

6)信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

本发明的优点：

本发明采用三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路、无线通讯单元和信号接收计算机；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉断信号触发导线，触发三轴地磁传感器和无线通讯单元开始工作；三轴地磁传感器采集地磁分量，经信号处理电路得到地磁分量，通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机，计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ；本发明通过三轴地磁传感器构建制导弹炸点位置的弹载着角测量系统，实现了低成本、小体积、误差小、鲁棒性好的实时测量和总体分析，为弹药的毁伤评估提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明的弹载着角测量系统的整体示意图；

图2为本发明的弹载着角测量系统的结构框图；

图3为本发明的弹载着角测量系统的坐标系变换关系图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的弹载着角测量系统包括：三轴地磁传感器a₂、信号触发装置a₁、信号触发导线、集成信号处理电路a₃、无线通讯单元a₄和信号接收计算机d；其中，三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路和无线通讯单元均固定安装在弹药内；三轴地磁传感器固定在弹药的质心位置；三轴地磁传感器的三个敏感轴分别沿着弹药体坐标系的三个轴方向；无线通讯单元连接在弹药的弹体尾部；三轴地磁传感器连接至集成信号处理电路；集成信号处理电路连接至无线通讯单元；无线通讯单元与信号接收计算机进行无线传输；信号触发装置安装在弹药的弹体头部，经信号触发导线集成信号处理电路；三轴地磁传感器和无线通讯单元分别通过电磁开关连接至集成信号处理电路。弹药a接触毁伤目标b时，产生炸点毁伤扩散云团c。

如图2所示，集成信号处理电路包括：电源管理电路、运放电路、A/D转换电路、第一电阻和单片机；其中，三轴地磁传感器连接至运放电路；运放电路连接至A/D转换电路；A/D转换电路连接至单片机；单片机的一对输入输出引脚与无线通讯单元连接；电源管理电路分别连接至运放电路、A/D转换电路和单片机，提供工作电压；单片机的另一对输入输出引脚与连接导线相连，电源管理电路、第一电阻和单片机通过连接导线构成闭合回路，信号触发导线连接至连接导线；电源管理电路分别通过电磁开关连接至三轴地磁传感器和无线通讯单元；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电源管理电路、第一电阻与单片机为闭合回路，单片机有通过连接导线的电流通过，此时单片机的状态标志为1，连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关断开，不对其供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，信号触发导线将连接导线拉断，断开单片机通过连接导线与电源管理电路的连接，单片机无连接导线的电流通过，单片机的电流变小，此时单片机的状态标志为0，单片机产生激励脉冲信号至电源管理电路，电源管理电路发出脉冲信号至连接三轴地磁传感器和无线通讯单元的电磁开关，电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，此时连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关闭合，开始供电；三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至运放电路，进行信号放大；放大后的信号传输至A/D转换电路转换成数字信号，传输至单片机，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；单片机将地磁分量通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ。锁存器连接在运放电路与单片机之间，锁存器通过第二电阻与A/D转换电路连接；电源管理电路为锁存器供电；地磁分量经运放电路放大后，传输至锁存器锁存，模拟信号的锁存结果传输至单片机存储中；地磁分量经运放电路放大后传输至A/D转换电路，转换为数字信号，数字信号经第二电阻分压后，传输至锁存器锁存。

弹载着角测量系统在弹药与毁伤目标接触时工作，最终弹药产生爆炸，弹载着角测量系统停止工作。

分别建立地磁坐标系ONED，弹药体坐标系Ox₁y₁z₁和弹药轴坐标系Ox₂y₂z₂。地磁坐标系的ON轴指向地磁的北极，OE轴平行于地面且与ON轴垂直并指向右，OD轴垂直指向地面。弹药轴坐标系的原点O取在弹药的质心上，初始时刻，弹药体坐标系与弹药轴坐标系重合，指向弹体头部为正。在弹药炸点位置，弹药会发生俯仰和偏航运动。三轴地磁传感器为两两正交地磁传感器的组合，分别安装在弹药体坐标系的三个轴方向，即Ox₁y₁z₁方向。根据地磁传感器的测量值。实现弹药在炸点位置的俯仰、磁航向角的倾角计算。其中弹药炸点俯仰角定义为本地磁场在地磁坐标面ONE上的投影OX′₁与纵轴Ox1的夹角，下压为正，取值范围为[-π/2，π/2]；地磁航偏角定义为OX′₁与地磁ON轴的夹角。各个坐标系的转换关系如附图3所示。

由于弹药轴坐标系随着弹药体做俯仰和偏航运动，因此利用轴坐标系的相对地磁俯仰角近似弹药相对于地磁俯仰角瞬态值可表示为：

B_N＝|B|cosψcosθ

B_E＝-|B|cosγcosθsinψ+|B|sinγsinθ

B_D＝|B|sinγsinψcosθ+|B|cosγsinθ

根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

本实施例的弹载着角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电磁开关断开，集成信号处理电路不对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；

2)当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，此时集成信号处理电路被激励，产生脉冲分别至三轴地磁传感器和无线通讯单元，设置在集成信号处理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，电磁开关导通，集成信号处理电路对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元工作；

3)三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至集成信号处理电路；

4)信号处理电路对地磁信号进行放大并转换成数字信号，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；

5)通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；

6)信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种弹载着角测量系统，其特征在于，所述弹载着角测量系统包括：三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路、无线通讯单元和信号接收计算机；其中，三轴地磁传感器、信号触发装置、信号触发导线、集成信号处理电路和无线通讯单元均固定安装在弹药内；信号触发装置，安装在弹药的弹体头部，通过信号触发导线连接至集成信号处理电路；三轴地磁传感器固定在弹药的质心位置；三轴地磁传感器的三个敏感轴分别沿着弹药体坐标系的三个轴方向；无线通讯单元连接在弹药的弹体尾部；三轴地磁传感器连接至集成信号处理电路；集成信号处理电路连接至无线通讯单元；无线通讯单元与信号接收计算机进行无线传输；三轴地磁传感器和无线通讯单元分别通过电磁开关连接至集成信号处理电路；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电磁开关断开，集成信号处理电路不对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，此时集成信号处理电路被激励，产生脉冲分别至三轴地磁传感器和无线通讯单元，设置在集成信号处理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，电磁开关导通，集成信号处理电路对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元工作；三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至集成信号处理电路；信号处理电路对地磁信号进行放大并转换成数字信号，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D，计算得到弹体的磁偏角ψ和俯仰角θ。

2.如权利要求1所述的弹载着角测量系统，其特征在于，所述弹体的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)

3.如权利要求1所述的弹载着角测量系统，其特征在于，所述信号触发装置为一个惯性质量块。

4.如权利要求1所述的弹载着角测量系统，其特征在于，所述集成信号处理电路包括：电源管理电路、运放电路、A/D转换电路、第一电阻和单片机；其中，三轴地磁传感器连接至运放电路；运放电路连接至A/D转换电路；A/D转换电路连接至单片机；单片机的一对输入输出引脚与无线通讯单元连接；电源管理电路分别连接至运放电路、A/D转换电路和单片机，提供工作电压；单片机的另一对输入输出引脚与连接导线相连，电源管理电路、第一电阻和单片机通过连接导线构成闭合回路，信号触发导线连接至连接导线；电源管理电路分别通过电磁开关连接至三轴地磁传感器和无线通讯单元；在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电源管理电路、第一电阻与单片机为闭合回路，单片机有通过连接导线的电流通过，此时单片机的状态标志为1，连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关断开，不对其供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，信号触发导线将连接导线拉断，断开单片机通过连接导线与电源管理电路的连接，单片机无连接导线的电流通过，单片机的电流变小，此时单片机的状态标志为0，单片机产生激励脉冲信号至电源管理电路，电源管理电路发出脉冲信号至连接三轴地磁传感器和无线通讯单元的电磁开关，电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，此时连接在电源管理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关闭合，开始供电；三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至运放电路，进行信号放大；放大后的信号传输至A/D转换电路转换成数字信号，传输至单片机，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；单片机将地磁分量通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹药的磁偏角ψ和俯仰角θ。

5.如权利要求1所述的弹载着角测量系统，其特征在于，还包括锁存器，连接在运放电路与单片机之间，锁存器通过第二电阻与A/D转换电路连接；电源管理电路为锁存器供电；地磁分量经运放电路放大后，传输至锁存器锁存，模拟信号的锁存结果传输至单片机存储中；地磁分量经运放电路放大后传输至A/D转换电路，转换为数字信号，数字信号经第二电阻分压后，传输至锁存器锁存。

6.一种如权利要求1所述的弹载着角测量系统的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

1)在弹药与预定的毁伤目标未接触前，电磁开关断开，集成信号处理电路不对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元不工作；

2)当弹药与预定的毁伤目标接触时，信号触发装置在惯性的作用下拉动信号触发导线，此时集成信号处理电路被激励，产生脉冲分别至三轴地磁传感器和无线通讯单元，设置在集成信号处理电路与三轴地磁传感器和无线通讯单元之间的电磁开关受脉冲激励产生吸合的动作，电磁开关导通，集成信号处理电路对三轴地磁传感器和无线通讯单元供电，三轴地磁传感器和无线通讯单元工作；

3)三轴地磁传感器采集地磁分量，传输至集成信号处理电路；

4)信号处理电路对地磁信号进行放大并转换成数字信号，得到在地磁坐标系下沿地磁坐标系的三个轴方向的地磁分量B_N、B_E和B_D；

5)通过无线通讯单元无线传输至信号接收计算机；

6)信号接收计算机根据地磁分量B_N、B_E和B_D计算得到弹体的磁偏角ψ和俯仰角θ：

ψ＝arctan(B_E/B_N)