CN112344965B - 磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法 - Google Patents

磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及旋转弹药的制导化改造技术，具体是一种磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法。本发明解决了传统的标定补偿方法无法对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿的问题。磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：步骤一：在弹体外弹道飞行过程中实时采集磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm；步骤二：估计出弹体的滚转周期T内任一时刻t的滚转角度γ；步骤三：得到拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz；步骤四：求解出磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall；步骤五：得到弹体坐标系下的三轴地磁场矢量信号Hb。本发明适用于旋转弹药的制导化改造。

Description

磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法
技术领域
本发明涉及旋转弹药的制导化改造技术，具体是一种磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法。
背景技术
在旋转弹药的制导化改造过程中，需要根据磁测信号(即磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号)解算出弹体的滚转角。在解算过程中，滚转角的解算精度不仅受到磁测系统的测量精度影响，还受到磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角影响。
磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角来源于两个方面：
一方面，在将磁测系统安装到弹体上时，由于安装不准确，使得磁测系统坐标系与弹体坐标系之间存在安装误差角，安装误差角会导致磁测信号与弹体坐标系不匹配，由此导致磁测信号与弹体坐标系之间存在姿态失准角。
另一方面，在弹载飞行过程中，当磁测系统受到强磁干扰后，需要对磁测系统的零点、灵敏度进行在线重新标定，在线重新标定同样会导致磁测信号与弹体坐标系不匹配，由此导致磁测信号与弹体坐标系之间存在姿态失准角。
因此，为了进一步提高滚转角的解算精度，不仅需要对磁测系统的测量精度进行标定补偿，还需要对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿。而传统的标定补偿方法(例如基于高精度无磁转台的多位置标定补偿法、基于三维椭球拟合的无基准标定补偿法)由于自身原理所限，只能对磁测系统的测量精度进行标定补偿，却无法对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿，由此导致滚转角的解算精度无法进一步提高。
基于此，有必要发明一种磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，以解决传统的标定补偿方法无法对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿的问题。
发明内容
本发明为了解决传统的标定补偿方法无法对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿的问题，提供了一种磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：将磁测系统安装到弹体上，并在弹体外弹道飞行过程中实时采集磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm；磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm表示如下：
Figure BDA0002781881460000021
式(1)中：
Figure BDA0002781881460000022
分别表示磁测系统输出的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号；
步骤二：将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行滑动滤波处理，并根据该信号的斜率识别出该信号的峰谷值，然后根据该信号的峰谷值得出弹体的滚转周期T；假设滚转角在短时间内匀速变化，估计出弹体的滚转周期T内任一时刻t的滚转角度γ；具体估计公式如下：
ω＝1/T (2)；
γ＝ωt (3)；
式(2)～(3)中：ω表示滚转角的角速率；
步骤三：根据拟合公式将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行曲线拟合，由此得到拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz；具体拟合公式如下：
Figure BDA0002781881460000031
Figure BDA0002781881460000032
Figure BDA0002781881460000033
步骤四：根据拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz求解出磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall；具体求解公式如下：
Figure BDA0002781881460000034
αx＝tanθ2 (8)；
αy＝-az/ax (9)；
αz＝ay/ax (10)；
Figure BDA0002781881460000035
Figure BDA0002781881460000036
Figure BDA0002781881460000037
式(7)～(13)中：αx、αy、αz分别表示磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的x轴安装误差角、y轴安装误差角、z轴安装误差角；
Figure BDA0002781881460000038
分别表示发射坐标系下的y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号，且
Figure BDA0002781881460000039
均为已知量；
步骤五：根据磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall补偿磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm，由此得到弹体坐标系下的三轴地磁场矢量信号Hb；具体补偿公式如下：
Figure BDA00027818814600000310
式(14)中：
Figure BDA00027818814600000311
分别表示弹体坐标系下的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号。
所述弹体坐标系的X轴指向弹体的发射方向、Y轴和Z轴均位于弹体的质心横切面内、Z轴垂直于X轴指向右、Y轴垂直于XOZ平面指向下。
与传统的标定补偿方法相比，本发明所述的磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法通过求解磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵，实现了磁测信号与弹体坐标系的匹配，由此一方面能够对安装误差角所导致的姿态失准角进行在线标定补偿，另一方面能够对在线重新标定磁测系统所导致的姿态失准角进行在线标定补偿，从而进一步提高了滚转角的解算精度。
本发明有效解决了传统的标定补偿方法无法对磁测信号与弹体坐标系之间的姿态失准角进行标定补偿的问题，适用于旋转弹药的制导化改造。
具体实施方式
磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：将磁测系统安装到弹体上，并在弹体外弹道飞行过程中实时采集磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm；磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm表示如下：
Figure BDA0002781881460000041
式(1)中：
Figure BDA0002781881460000042
分别表示磁测系统输出的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号；
步骤二：将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行滑动滤波处理，并根据该信号的斜率识别出该信号的峰谷值，然后根据该信号的峰谷值得出弹体的滚转周期T；假设滚转角在短时间内匀速变化，估计出弹体的滚转周期T内任一时刻t的滚转角度γ；具体估计公式如下：
ω＝1/T (2)；
γ＝ωt (3)；
式(2)～(3)中：ω表示滚转角的角速率；
步骤三：根据拟合公式将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行曲线拟合，由此得到拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz；具体拟合公式如下：
Figure BDA0002781881460000051
Figure BDA0002781881460000052
Figure BDA0002781881460000053
步骤四：根据拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz求解出磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall；具体求解公式如下：
Figure BDA0002781881460000054
αx＝tanθ2 (8)；
αy＝-az/ax (9)；
αz＝ay/ax (10)；
Figure BDA0002781881460000055
Figure BDA0002781881460000056
Figure BDA0002781881460000057
式(7)～(13)中：αx、αy、αz分别表示磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的x轴安装误差角、y轴安装误差角、z轴安装误差角；
Figure BDA0002781881460000058
分别表示发射坐标系下的y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号，且
Figure BDA0002781881460000059
均为已知量；
步骤五：根据磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall补偿磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm，由此得到弹体坐标系下的三轴地磁场矢量信号Hb；具体补偿公式如下：
Figure BDA0002781881460000061
式(14)中：
Figure BDA0002781881460000062
分别表示弹体坐标系下的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号。
所述弹体坐标系的X轴指向弹体的发射方向、Y轴和Z轴均位于弹体的质心横切面内、Z轴垂直于X轴指向右、Y轴垂直于XOZ平面指向下。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：将磁测系统安装到弹体上，并在弹体外弹道飞行过程中实时采集磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm；磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm表示如下：
Figure FDA0002781881450000011
式(1)中：
Figure FDA0002781881450000012
分别表示磁测系统输出的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号；
步骤二：将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行滑动滤波处理，并根据该信号的斜率识别出该信号的峰谷值，然后根据该信号的峰谷值得出弹体的滚转周期T；假设滚转角在短时间内匀速变化，估计出弹体的滚转周期T内任一时刻t的滚转角度γ；具体估计公式如下：
ω＝1/T (2)；
γ＝ωt (3)；
式(2)～(3)中：ω表示滚转角的角速率；
步骤三：根据拟合公式将磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm进行曲线拟合，由此得到拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz；具体拟合公式如下：
Figure FDA0002781881450000013
Figure FDA0002781881450000014
Figure FDA0002781881450000015
步骤四：根据拟合曲线的系数ax、bx、cx、ay、by、cy、az、bz、cz求解出磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall；具体求解公式如下：
Figure FDA0002781881450000021
αx＝tanθ2 (8)；
αy＝-az/ax (9)；
αz＝ay/ax (10)；
Figure FDA0002781881450000022
Figure FDA0002781881450000023
Figure FDA0002781881450000024
式(7)～(13)中：αx、αy、αz分别表示磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的x轴安装误差角、y轴安装误差角、z轴安装误差角；
Figure FDA0002781881450000027
分别表示发射坐标系下的y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号，且
Figure FDA0002781881450000028
均为已知量；
步骤五：根据磁测系统坐标系与弹体坐标系之间的三轴安装误差角矩阵Minstall补偿磁测系统输出的三轴地磁场矢量信号Hm，由此得到弹体坐标系下的三轴地磁场矢量信号Hb；具体补偿公式如下：
Figure FDA0002781881450000025
式(14)中：
Figure FDA0002781881450000026
分别表示弹体坐标系下的x轴地磁场矢量信号、y轴地磁场矢量信号、z轴地磁场矢量信号。
2.根据权利要求1所述的磁测信号与弹体坐标系间姿态失准角的在线标定补偿方法，其特征在于：所述弹体坐标系的X轴指向弹体的发射方向、Y轴和Z轴均位于弹体的质心横切面内、Z轴垂直于X轴指向右、Y轴垂直于XOZ平面指向下。
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