CN113959279B - 一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法，包括：利用三轴磁传感器对弹丸所处的磁场信息进行频域特性分析，得到所述弹丸的转速和角速度；利用动压和静压测量信息，得到弹丸的空速，根据预先装订的地面风速信息，确定弹丸在全过程的速度标量大小；将速度标量、弹丸转速、角速度信息作为观测量，由三轴加速度计获得的三轴加速度信息作为系统输入量，以弹丸弹道环境特征参数信息作为系统状态量，进行扩展卡尔曼滤波，从而得到弹道特征参数。与直接将过载值作为解保量相比，在频域上提取出特征点的做法，具有更高的安全性和可靠性，本方法消耗的计算资源更小，而且能够消除只用加速度信息进行计算带来的累积误差。

Description

一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法
技术领域
本发明涉及火炮引信安全系统解保环境辨识技术领域，尤其是涉及一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法。
背景技术
弹道环境特征辨识对于炮弹、导弹等武器弹药具有重要意义，主要用作电子安全与解除保险装置(Electronic Safety and Arming Devices，ESAD)的环境信息输入。ESAD根据辨识出的环境信息确定是否需要解除保险，使电子引信处于待发状态。现有的引信解保环境信息是加速度值，依靠加速度是否达到阈值，以及达到阈值之后持续的时间来判断是否应该解除保护处于待发状态。此外弹道环境特征辨识还能用在弹道修正引信中，实时得到弹道环境特征参数，为阻力修正机构提供修正信息。
我国在引信技术方面仍存在一些尚待解决的问题，现有的ESAD仍利用加速度计作为传感器，其解保方式基于加速度阈值以及时间窗等来设计实现的，如采用的是“阈值+时间窗+时间域”方式，这种方式存在一定的隐患，仍有膛炸事故、勤务处理误炸的风险，这造成危害是相当严重的。
弹道修正引信能够实时感知弹体状态，获得弹道环境特征参数，从而控制阻力修正机构进行落点修正。但是现有的弹道修正引信获得弹道环境特征参数的手段均在时域下进行的，通过求解弹丸运动方程组以及弹丸弹道方程得到的，这种方法求解过程复杂，而且由于方程是非线性的，只能通过求解数值解的方式进行计算，这会造成计算误差。此外，还有累积误差的存在，这也会影响求解到的参数的正确性，最终影响弹丸落点的准确性。现有弹道修正引信主要依据动压、静压传感器，实时检测弹丸在运动过程中的速度，基于速度——时间序列的关系，利用最小二乘法拟合得到弹丸出炮口初速，进而代入弹道方程得到射程和落点的估计。这种方法很难适用于有风的情况，而且不能描述弹丸在运动过程中的章动现象。
现有的弹道修正引信提取弹道环境特征参数的手段，均是在线实时求解弹丸质心运动方程和弹丸弹道方程，这需要消耗极大的计算资源，而且求解得到的数值解误差较大。此外，这种方法缺少一种校正的手段，不能消除累积误差。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法，基于多传感器信息融合的引信环境辨识方法，本发明的适用范围是低速旋转弹箭的引信电子安全系统与解除保险装置的解保环境信息输入以及弹道环境特征的提取。
低速旋转弹箭在飞行过程中会出现的姿态振荡现象，可以用弹箭的章动和进动现象进行描述，这一运动现象是勤务处理中不可能出现的，选用这个弹道环境特征作为ESAD的解保环境信息，能够大大提高ESAD的安全性能，从根源上杜绝了引信误解保的风险，用以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法，该方法包括：利用三轴磁传感器对弹丸所处的磁场信息进行频域特性分析，得到所述弹丸的转速和角速度；利用动压和静压测量信息，得到弹丸的空速，根据预先装订的地面风速信息，确定弹丸在全过程的速度标量大小；将速度标量、弹丸转速、角速度信息作为观测量，由三轴加速度计获得的三轴加速度信息作为系统输入量，以弹丸弹道环境特征参数信息作为系统状态量，进行扩展卡尔曼滤波，从而弹丸姿态信息、速度和角速度的运动特征。
进一步的，所述弹丸弹道环境特征参数信息包括：速度、弹丸姿态和章动特征。
进一步的，所述三轴磁传感器采集到的弹丸所处磁场信息之后，经过滤波后得到平滑的磁场变化情况，利用快速傅里叶变换得到磁场信息在频域下的特征点，从而得到弹丸的转速。
进一步的，所述快速傅里叶变换选择的数据采用滑动时间窗口的方式，每采集一次数据即进行一次快速傅里叶变换。
进一步的，由所述三轴加速度计获得所述弹丸的法向轴加速度，经过快速傅里叶变换之后，得到弹丸的转速和章动频率，通过与所述三轴磁传感器得到的转速进行比较得到章动频率。
进一步的，所述法向加速度和轴向加速度经过快速傅里叶变换之后互相校正所述章动频率，从而得到更加精确的弹丸章动特征。
进一步的，用于获得所述动压和静压测量信息的所述动静压传感器安装在弹头，并在弹头上开设引流孔，该引流孔能够增强弹丸的章动现象。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明在通过在弹体上安装的三轴加速度计、三轴磁传感器、动压静压传感器，对数据进行傅里叶变换，提取出弹丸加速度和弹丸磁场信息在频域内的特征点，得到弹丸的旋转转速和角速度，从而减小在时域下求解非线性运动方程带来的计算误差。
利用经过频域变换得到的转速和角速度，以及动压静压解算得到的速度和高度作为观测量，令弹丸姿态角度、运动特性等信息作为状态量，进行扩展卡尔曼滤波，从而消除只利用加速度计解算姿态的累积误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法中的系统算法框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1所示，本实施例提供了一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法，三轴磁传感器采集到的弹丸所处磁场信息之后，经过滤波后可以得到较为平滑的磁场变化情况，然后利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到磁场信息在频域下的特征点，从而得到弹丸的转速。快速傅里叶变换选择的数据采用滑动时间窗口的方式，每采集一次数据即进行一次FFT。
法向轴加速度经过快速傅里叶变换之后，能够得到弹丸的转速和章动频率，通过与三轴磁传感器得到的转速进行比较可以得到章动频率。法向和轴向加速度经过快速傅里叶变换之后可以互相校正章动频率，从而得到更加精确的弹丸章动特征。
经过验证，FFT在单片机中运行一次的时间很短，不会造成程序阻塞、内存崩溃等不良影响。据此可以得到比在时域下解算弹丸转速、角速度等更加有效的方式。
动压静压传感器可以测出弹丸轴向的空速信息，利用事先装订好的地面风速信息进行校正，可以得到弹丸在运动过程中的速度标量大小。同时利用静压信息，还能根据气压变化特性解算出弹丸高度信息。动压静压传感器需要在弹头开小孔，这在弹丸在空中运动过程中会引起一定的攻角偏差，进而增强了弹丸的章动现象。试验证明，动压静压传感器所开的孔，对于弹丸的运动稳定性影响几乎没有。
低速旋转弹药的运动可分解为弹丸质心的运动、弹丸绕弹轴的转动、弹丸弹轴绕着速度矢量的转动，以往进行弹道环境特征参数求解的时候，仅利用加速度信息，这就会造成非线性方程求解的误差，并且会存在累积误差，增加三轴磁力计的频域信息和动压静压信息结算出来的特征量作为系统观测量，对加速度计信息进行校正，利用扩展卡尔曼滤波器求解系统状态量，从而得到更精确的弹道环境特征参数。
本发明采用扩展卡尔曼滤波方法将加速度信息和磁场信息进行信息融合，能够消除计算过程中的累积误差，得到更加精确的数值解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种利用多传感器信息融合的弹道环境特征辨识方法，其特征在于，该方法包括：利用三轴磁传感器对弹丸所处的磁场信息进行频域特性分析，得到所述弹丸的转速和角速度；利用动压和静压测量信息，得到弹丸的空速，根据预先装订的地面风速信息，确定弹丸在全过程的速度标量大小；将速度标量、弹丸转速、角速度信息作为观测量，由三轴加速度计获得的三轴加速度信息作为系统输入量，以弹丸弹道环境特征参数信息作为系统状态量，进行扩展卡尔曼滤波，从而弹丸姿态信息、速度和角速度的运动特征；
所述弹丸弹道环境特征参数信息包括：速度、弹丸姿态和章动特征；
所述三轴磁传感器采集到的弹丸所处磁场信息之后，经过滤波后得到平滑的磁场变化情况，利用快速傅里叶变换得到磁场信息在频域下的特征点，从而得到弹丸的转速；
所述快速傅里叶变换选择的数据采用滑动时间窗口的方式，每采集一次数据即进行一次快速傅里叶变换；
由所述三轴加速度计获得所述弹丸的法向轴向加速度，经过快速傅里叶变换之后，得到弹丸的转速和章动频率，通过与所述三轴磁传感器得到的转速进行比较得到章动频率；
所述法向加速度和轴向加速度经过快速傅里叶变换之后互相校正所述章动频率，从而得到更加精确的弹丸章动特征；
用于获得所述动压和静压测量信息的动静压传感器安装在弹头，并在弹头上开设引流孔，该引流孔能够增强弹丸的章动现象。
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