CN112815790B - 一种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法，涉及水雷弹道控制技术领域，能够实现目标信息向弹道控制系统的传递与信息同步，应用于具有弹道控制功能的垂直系留主动攻击水雷，有效提高了水雷打击精度和打击半径等性能。本发明的技术方案包括如下步骤：利用针对水雷目标的目标探测系统，获取水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标探测信息。将水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系下。将磁罗盘体坐标系下的目标信息转换到惯导体坐标系。将惯导体坐标系下的目标信息转换到导航坐标系。将导航坐标系下的目标信息传输至弹道控制系统。

Description

一种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法

技术领域

本发明涉及水雷弹道控制技术领域，具体涉及一种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法。

背景技术

此前垂直系留主动攻击水雷的攻击弹道均为无控上浮弹道，当目标通过，探测系统识别定位目标，预测目标从正上方打击范围内通过，确定攻击时机并适时发出点火攻击指令。

随着对水雷攻击半径以及打击精度的要求越来越高，上述攻击方式存在如下主要问题：1)弹道无法纠偏，弹着点存在较大的散布误差；2)理想弹道为垂直上浮弹道，打击半径小，弹道精度需要较高工艺要求的战斗载荷弹体来保证。

因此，如何在垂直系留主动攻击水雷水中晃动状态下保证目标定位信息的传递和信息有效同步，是目前亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法，能够实现目标信息向弹道控制系统的传递与信息同步，应用于具有弹道控制功能的垂直系留主动攻击水雷，有效提高了水雷打击精度和打击半径等性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

利用针对水雷目标的目标探测系统，获取水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标探测信息。

将水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系下。

将磁罗盘体坐标系下的目标信息转换到惯导体坐标系。

将惯导体坐标系下的目标信息转换到导航坐标系。

将导航坐标系下的目标信息传输至弹道控制系统。

进一步地，磁罗盘参考坐标系为o′₀x′₀y′₀z′₀：目标探测系统的磁罗盘参考坐标系与地球固连，原点o′₀为磁罗盘中心位置；o′₀z′₀轴、o′₀y′₀轴在水平面内，o′₀z′₀轴指向地磁北向，o′₀y′₀轴指向地磁东向，o′₀x′₀铅垂向上，o′₀x′₀y′₀z′₀满足右手定则。

进一步地，磁罗盘体坐标系为o′₁x′₁y′₁z′₁：磁罗盘体坐标系的原点o′₁为磁罗盘中心位置；o′₁y′₁轴正方向指向水雷头盖组的1#定位换能器安装孔，o′₁x’₁轴正方向指向水雷雷头，磁罗盘体坐标系定义满足右手定则。

进一步地，惯导体坐标系为o_bx_by_bz_b：o_bx_b轴与水雷雷体的纵轴重合，指向雷头；o_by_b轴位于水雷的战斗载荷的纵对称面内，与o_bx_b轴垂直并指向与水雷的干燥器孔座同向的尾翼；o_bz_b轴垂直于o_bx_by_b平面，o_bz_b轴的指向按右手直角坐标系确定。

进一步地，导航坐标系为o_nx_ny_nz_n：导航坐标系与地球固连，导航坐标系原点o_n与初始时刻水雷的战斗载荷体坐标系原点重合；其o_nx_n轴垂直向上；o_nz_n轴为初始时刻o_bz_b轴在水平面内的投影；o_ny_n轴指向按右手法则确定。

进一步地，将水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系下，具体为：

根据磁罗盘输出角定义可得到目标探测系统磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的变换关系：

其中磁罗盘输出角包括：磁罗盘方位角γ_x、磁罗盘俯仰角γ_y、磁罗盘横滚角γ_z；

为磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的变换矩阵；

目标探测系统完成针对水雷目标识别定位后，得到磁罗盘参考坐标系下的目标信息，包括磁罗盘参考坐标系中的目标位置[s′_x0 s′_y0 s′_z0]^t、磁罗盘参考坐标系中的目标速度[0 v′_y0 v′_z0]^t；则将磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系中，得到磁罗盘体坐标系中的目标位置为[s′_x1 s′_y1 s′_z1]^t、目标速度为[v′_x1 v′_y1 v′_z1]^t：

进一步地，将磁罗盘体坐标系下的目标信息转换到惯导体坐标系，具体为：

预先标定磁罗盘与惯导之间的三个安装误差角Δ1、Δ2和Δ3，Δ1、Δ2和Δ3分别为磁罗盘体坐标系的三轴安装误差；

由此得到磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换关系：

其中

为磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换矩阵；

磁罗盘在水雷上安装后，磁罗盘与惯导沿雷体纵向距离为ΔL，即磁罗盘体坐标系原点在惯导体坐标系中的位置为[ΔL 0 0]^t；

针对惯导体坐标系下的目标信息，包括：惯导体坐标系中的目标位置[s_xb s_yb s_zb]^t、目标速度[v_xb v_yb v_zb]^t，得到：

进一步地，将惯导体坐标系下的目标信息转换到导航坐标系，具体为：

其中，

为惯导体坐标系到导航坐标系的转换矩阵

其中t为时间变量；θ_t、ψ_t以及

为t时刻惯导体坐标系相对导航坐标系的角位置关系，包括t时刻的偏航角ψ_t，t时刻的俯仰角θ_t，t时刻的横滚角

有益效果：

本发明根据磁罗盘及惯导输出角定义，分别得到磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的方向余弦矩阵、惯导体坐标系至导航坐标系方向余弦矩阵，根据预先装订的磁罗盘与惯导之间安装误差角及标定方法，得到磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的方向余弦矩阵，由上述方向余弦矩阵可实现将目标探测系统的目标位置和速度信息传递至弹道控制系统。

本发明根据磁罗盘和惯导安装关系及安装误差角建立起目标信息向弹道控制系统传递的链路，通过一系列变换实现目标信息的传递，并采用延时最小策略保证了晃动环境下信息的同步性，为垂直系留主动攻击水雷精确打击目标提供了重要支撑。本发明提供的方法已经得到湖上和海上试验的验证，在起爆点火时刻战斗载荷的位置与理论攻击点位置的距离小于5米(1σ)，制导控制精度满足指标要求。

附图说明

图1为磁罗盘输出角；

图2为惯导输出角；

图3为目标信息传递及同步流程框图；

图4为目标探测系统和弹道控制系统数据同步示意图；

图5为水雷头盖组1#定位换能器～3#换能器的位置。

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。

目标探测系统提供磁罗盘参考坐标系下的目标位置和速度等信息，这些信息需要转换至弹道控制系统的导航坐标系中，才能作为弹道控制系统导引计算的有效的信息。

1)坐标系定义

磁罗盘参考坐标系o′₀x′₀y′₀z′₀：目标探测系统磁罗盘参考坐标系与地球固连，原点o′₀为磁罗盘中心位置，o′₀z′₀轴、o′₀y′₀轴在水平面内，o′₀z′₀轴指向地磁北向，o′₀y′₀轴指向地磁东向，o′₀x′₀铅垂向上，o′₀x′₀y′₀z′₀满足右手定则。

磁罗盘体坐标系o′₁x′₁y′₁z′₁：磁罗盘体坐标系的原点o′₁为磁罗盘中心位置；磁罗盘体坐标系的o′₁y′₁轴正方向指向水雷头盖组的1#定位换能器安装孔(具体位置如图5所示，图5中示出了水雷头盖组1#定位换能器～3#换能器的位置)，o′₁x’₁轴正方向指向水雷雷头，坐标系定义满足右手定则。磁罗盘体坐标系。

惯导体坐标系o_bx_by_bz_b：，原点是惯导中心，o_bx_b轴与雷体的纵轴重合指向雷头；o_by_b轴位于水雷上战斗载荷的纵对称面内，与o_bx_b轴垂直并指向与干燥器孔座同向的尾翼；o_bz_b轴垂直于o_bx_by_b平面，指向按右手直角坐标系确定。

导航坐标系定义o_nx_ny_nz_n：导航坐标系与地球固连，坐标系原点与初始时刻惯导体坐标系原点重合。其o_nx_n轴垂直向上；o_nz_n轴为初始时刻o_bz_b轴在水平面内的投影；o_ny_n轴指向按右手法则确定。

2)磁罗盘及惯导输出角定义

目标探测系统磁罗盘参考坐标系与磁罗盘体坐标系的角位置关系用磁罗盘输出角表示，如附图1所示，其转动顺序(逆时针为正)为：

磁罗盘方位角γ_x：磁罗盘的o′z′轴在水平面的投影与地磁北的夹角；

磁罗盘俯仰角γ_y：磁罗盘的o′z′轴与水平面的夹角；

磁罗盘横滚角γ_z：磁罗盘的o′x′轴与通过o′z′轴的铅垂面的夹角。(注：磁罗盘水平放置时，铅垂方向为o′x′轴)。

惯导体坐标系相对导航坐标系的角位置关系可用偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角

来表示，如附图2所示，其转动顺序(逆时针为正)为：

3)信息传递及同步

目标探测系统提供磁罗盘参考坐标系下的目标位置和速度等信息，这些信息需要转换至弹道控制系统的导航坐标系中，才能作为弹道控制系统导引计算的有效的信息。根据磁罗盘及惯导输出角定义，分别得到磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的方向余弦矩阵、惯导体坐标系至导航坐标系方向余弦矩阵，根据预先装订的磁罗盘与惯导之间安装误差角及标定方法，得到磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的方向余弦矩阵，由上述方向余弦矩阵可实现将目标探测系统的目标位置和速度信息传递至弹道控制系统。

水雷的水中系留过程处于一种晃动状态，目标探测系统的识别定位周期为250ms，弹道控制系统制导计算周期为20ms。针对以上因素采用延时最小策略实现目标信息与水雷晃动姿态等信息的同步性，保证水雷对目标实施制导攻击的精度。

目标信息传递及同步流程见附图3，包括如下步骤：

步骤1目标信息从磁罗盘参考坐标系变换至磁罗盘体坐标系

根据磁罗盘输出角定义可得到目标探测系统磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的变换关系：

其中

目标探测系统完成针对水雷目标识别定位后，得到磁罗盘参考坐标系下的目标信息，包括磁罗盘参考坐标系中的目标位置[s′_x0 s′_y0 s′_z0]^t、磁罗盘参考坐标系中的目标速度[0 v′_y0 v′_z0]^t；则将磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系中，得到磁罗盘体坐标系中的目标位置为[s′_x1 s′_y1 s′_z1]^t、目标速度为[v′_x1 v′_y1 v′_z1]^t：

步骤2目标信息从磁罗盘体坐标系变换至惯导体坐标系；

预先标定磁罗盘与惯导之间的三个安装误差角Δ1、Δ2和Δ3，Δ1、Δ2和Δ3分别为磁罗盘体坐标系的三轴安装误差，通过这三个角度可得到磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换关系：

其中

为磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换矩阵；

(二者均安装在雷体上的非刚性连接的两个平台上)在雷上安装后磁罗盘与惯导沿雷体纵向距离为ΔL，可认为磁罗盘体坐标系原点在弹道控制系统惯导体坐标系中的位置为[ΔL 0 0]^t。计算位置信息时，在公式(4)的基础上需进一步对坐标系原点不重合进行补偿。设需要计算的惯导体坐标系中的目标位置[s_xb s_yb s_zb]^t、目标速度[v_xb v_yb v_zb]^t，得到：

步骤3目标信息从惯导体坐标系变换至导航坐标系，

根据惯导输出角定义可得到惯导体坐标系变换至导航坐标系的变换关系：

其中，

为惯导体坐标系到导航坐标系的转换矩阵

其中t为时间变量；θ_t、ψ_t以及

为t时刻惯导体坐标系相对导航坐标系的角位置关系，包括t时刻的偏航角ψ_t，t时刻的俯仰角θ_t，t时刻的横滚角

本发明实施例通过如下数据对本发明提供的种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法进行具体说明：

目标探测系统每Δt_d1＝250ms输出一帧定位数据，其中检测目标噪声信号和接收磁罗盘信息所需时间t_Δ约为50ms，如图4。从图中可看出，目标探测系统t₀时刻开始检测，t₀+Δt_d1时刻输出目标在磁罗盘参考坐标系中的坐标位置和磁罗盘角度，t₀+Δt_d1时刻的数据实际上反映了目标和战斗载荷t₀+Δt_d1-200ms以前的状态。弹道控制系统的惯导每Δt_d2＝10ms完成一次数据更新，在目标探测系统一个定位周期内，惯导的时间系列设为t₀、t₁、…、t₂₅。选择t₃时刻惯导输出角计算，该时刻相对检测到目标噪声信号时刻的时延最小，能较好的同步目标运动状态及雷体运动状态。

设需要计算的导航坐标系中的目标位置[s_xn s_yn s_zn]^t、目标速度[v_xn v_yn v_zn]^t，根据同步策略及公式(7)得到：

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 (4)

1.一种垂直系留主动攻击水雷目标信息传递与同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

利用针对水雷目标的目标探测系统，获取水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息；

将水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系下；

将磁罗盘体坐标系下的目标信息转换到惯导体坐标系；

将惯导体坐标系下的目标信息转换到导航坐标系；

将导航坐标系下的目标信息传输至弹道控制系统；

所述磁罗盘参考坐标系为o′₀x′₀y′₀z′₀：目标探测系统的磁罗盘参考坐标系与地球固连，原点o′₀为磁罗盘中心位置；o′₀z′₀轴、o′₀y′₀轴在水平面内，o′₀z′₀轴指向地磁北向，o′₀y′₀轴指向地磁东向，o′₀x′₀铅垂向上，磁罗盘参考坐标系o′₀x′₀y′₀z′₀满足右手定则；

所述磁罗盘体坐标系为o′₁x′₁y′₁z′₁：磁罗盘体坐标系的原点o′₁为磁罗盘中心位置；o′₁y′₁轴正方向指向水雷头盖组的1#定位换能器安装孔，o′₁x′₁轴正方向指向水雷雷头，磁罗盘体坐标系定义满足右手定则；

所述惯导体坐标系为o_bx_by_bz_b：原点是惯导中心，o_bx_b轴与水雷雷体的纵轴重合，指向雷头；o_by_b轴位于水雷的战斗载荷的纵对称面内，与o_bx_b轴垂直并指向与水雷的干燥器孔座同向的尾翼；o_bz_b轴垂直于o_bx_by_b平面，o_bz_b轴的指向按右手直角坐标系确定；

所述导航坐标系为o_nx_ny_nz_n：导航坐标系与地球固连，导航坐标系原点o_n与初始时刻惯导体坐标系原点重合；其o_nx_n轴垂直向上；o_nz_n轴为初始时刻o_bz_b轴在水平面内的投影；o_ny_n轴指向按右手法则确定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将水雷目标在磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系下，具体为：

根据磁罗盘输出角定义可得到目标探测系统磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的变换关系：

其中磁罗盘输出角包括：磁罗盘方位角γ_x、磁罗盘俯仰角γ_y、磁罗盘横滚角γ_z；

为磁罗盘参考坐标系至磁罗盘体坐标系的变换矩阵；

所述目标探测系统完成针对水雷目标识别定位后，得到磁罗盘参考坐标系下的目标信息，包括磁罗盘参考坐标系中的目标位置[s′_x0 s′_y0 s′_z0]^T、磁罗盘参考坐标系中的目标速度[v′_x0 v′_y0 v′_z0]^T；则将磁罗盘参考坐标系下的目标信息转换到磁罗盘体坐标系中，得到磁罗盘体坐标系中的目标位置为[s′_x1 s′_y1 s′_z1]^T、目标速度为[v′_x1 v′_y1 v′_z1]^T：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将磁罗盘体坐标系下的目标信息转换到惯导体坐标系，具体为：

预先标定磁罗盘与惯导之间的三个安装误差角△1、△2和△3，△1、△2和△3分别为磁罗盘体坐标系的三轴安装误差；

由此得到磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换关系：

其中

为磁罗盘体坐标系至惯导体坐标系的变换矩阵；

磁罗盘在水雷上安装后，所述磁罗盘与惯导沿雷体纵向距离为△L，即磁罗盘体坐标系原点在惯导体坐标系中的位置为[△L 0 0]^T；

针对惯导体坐标系下的目标信息，包括：惯导体坐标系中的目标位置[s_xb s_yb s_zb]^T、目标速度[v_xb v_yb v_zb]^T，得到：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将惯导体坐标系下的目标信息转换到导航坐标系，具体为：

其中，

为惯导体坐标系到导航坐标系的转换矩阵

其中t为时间变量；θ_t、ψ_t以及

为t时刻惯导体坐标系相对导航坐标系的角位置关系，包括t时刻的偏航角ψ_t，t时刻的俯仰角θ_t，t时刻的横滚角

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