尚劍宇 鄧志紅 付夢印,2 汪順亭

制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量技術(shù)研究進(jìn)展與展望

尚劍宇1鄧志紅1付夢印1,2汪順亭1

制導(dǎo)炮彈是由常規(guī)火炮發(fā)射,在飛行過程中進(jìn)行搜索、導(dǎo)引和控制,能夠?qū)δ繕?biāo)實施精確點打擊的制導(dǎo)武器.制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速的精確測量是實現(xiàn)精確制導(dǎo)和控制的基礎(chǔ).對制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量技術(shù)進(jìn)行了綜述,首先,論述了制導(dǎo)炮彈的發(fā)展現(xiàn)狀,接著分析了制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的必要性,并且闡述了制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的特點;然后,對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速測量的方法和手段加以總結(jié),并指出了適用于制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速測量及信息處理方法,包括利用磁阻傳感器和高動態(tài)振動陀螺測量制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速的原理以及關(guān)鍵技術(shù);最后,指出了制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量技術(shù)今后的研究方向和研究重點.

制導(dǎo)炮彈,高動態(tài),轉(zhuǎn)速測量,磁阻傳感器,高動態(tài)振動陀螺

近年來,隨著制導(dǎo)炮彈、常規(guī)炮彈制導(dǎo)化的發(fā)展[1],炮彈的打擊精度和總體作戰(zhàn)效能顯著提高,令身管火炮邁入了低成本精確打擊時代,是美、俄等發(fā)達(dá)國家陸軍武器發(fā)展的方向.制導(dǎo)炮彈由制導(dǎo)組件、戰(zhàn)斗部和控制部分構(gòu)成[2],不需要特殊的發(fā)射平臺,借助常規(guī)火炮平臺即可完成發(fā)射[3?4],極大地縮短了武器研發(fā)周期、降低了系統(tǒng)成本.制導(dǎo)炮彈飛行過程中依靠鴨舵或者尾翼進(jìn)行實時彈道修正,而控制系統(tǒng)要求它們的運動頻率與彈丸的轉(zhuǎn)速相匹配.因此,制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速的精確測量是實現(xiàn)精確制導(dǎo)、控制的基礎(chǔ).由于制導(dǎo)炮彈結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用環(huán)境的特殊性,決定了其轉(zhuǎn)速測量方法有別于常規(guī)炮彈和精確制導(dǎo)導(dǎo)彈.本文主要對制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和綜述.

1 制導(dǎo)炮彈的發(fā)展現(xiàn)狀

制導(dǎo)炮彈由常規(guī)火炮發(fā)射,卻能像導(dǎo)彈一樣精確打擊目標(biāo),實現(xiàn)了常規(guī)火炮由面打擊到點打擊的升級.由于不需要研制專門的武器發(fā)射平臺,且采用低成本的導(dǎo)航、制導(dǎo)組件,使得制導(dǎo)炮彈相比較導(dǎo)彈有非常明顯的優(yōu)勢.尤其對于第二世界的國家而言,昂貴的導(dǎo)彈遠(yuǎn)沒有低成本、高精度的制導(dǎo)炮彈需求性強.

到目前為止,制導(dǎo)炮彈的發(fā)展過程主要分為兩個階段[5].第一個階段主要是在上世紀(jì)70年代,美、俄兩國研制的激光照射型半主動末制導(dǎo)炮彈為代表,例如美國的155mm XM712型激光半主動末制導(dǎo)炮彈“銅斑蛇”(Copperhead)[6]和俄羅斯的152mm激光半主動末制導(dǎo)炮彈“紅土地”(Krasnopol).這兩種半主動制導(dǎo)炮彈均由身管火炮發(fā)射,精度高、性能優(yōu)良,在當(dāng)時的戰(zhàn)場上發(fā)揮了巨大的作用,引起了其他國家的重視.然而半主動式制導(dǎo)炮彈也存在固有的缺陷,即需要外部激光照射器照射目標(biāo),進(jìn)而導(dǎo)引頭才能定位目標(biāo).這種導(dǎo)引方式不僅操作復(fù)雜,更容易暴露操作激光照射器的士兵,并不能實現(xiàn)制導(dǎo)炮彈“打了不用管”的特性.此外,其他型號和國家的激光半主動式制導(dǎo)炮彈主要有:

美國的 127mm 激光半主動末制導(dǎo)炮彈、203mm激光半主動末制導(dǎo)炮彈[7]、坦克炮射毫米波/激光半主動增程智能彈藥(Tank extended range munition,TERM)、橡樹棍(Shillelagh)[8]激光末制導(dǎo)炮彈.

俄羅斯將紅土地移植到了120mm、122mm、155mm 火炮上,并推出了整裝式“紅土地-M”[9].俄羅斯還有155mm“紅土地-M2”、152mm“蒂梅特”30F48、152mm “米尺”、125mm “斯維利”、125mm“反射/斯維利河”9M119、122mm“捕鯨者-2M”、122mm“基托洛夫-2”、120mm“格拉”、120mm “捕鯨者-2”、120mm “晶面”、115mm“舍克斯納河”9M117、100mm“巴斯基昂”、100mm“棱堡”9M177、240mm“斯梅爾察克”、240mm“勇敢者”等激光半主動末制導(dǎo)炮彈[8,10?11].

此外,德國研制了“布薩得”120mm激光半主動/紅外或毫米波成像末制導(dǎo)迫擊炮彈[10]和35mm口徑激光波束制導(dǎo)炮彈.法國研制了120mm被動紅外尋的末制導(dǎo)迫擊炮彈“螺旋”[10].以色列的軍隊裝備有坦克炮射激光半主動末制導(dǎo)炮彈“拉哈特”(Laser homing anti-tank,LAHAT)[12]、155mm CLAMP型坦克炮射激光半主動末制導(dǎo)炮彈及120mm激光制導(dǎo)半主動迫擊炮彈(Laser guided mortar bomb,LGMB)[11].

第二個階段始于80年代初期,各國紛紛開始研制真正“打了不用管”的制導(dǎo)炮彈.例如美國陸軍的155mm XM982制導(dǎo)炮彈“神劍”(Excalibur)[13]采用GPS/INS組合制導(dǎo)方式實現(xiàn)了全程自主式制導(dǎo),并于2007年裝備部隊.此外,其他型號的自主精確制導(dǎo)炮彈還有:

美國海軍的 127mmEX-171火箭助推增程制導(dǎo)炮彈 (Extended-range guided munition,ERGM)[14]、120mm XM395 GPS/INS/激光復(fù)合制導(dǎo)迫擊炮彈 (Precision guided mortar munition,PGMM)[15]、120mm GPS制導(dǎo)迫擊炮彈 (Accelerated precision mortar initiative, APMI)[11]、155mm ASP型紅外/毫米波末制導(dǎo)炮彈、155mm雙色紅外末制導(dǎo)炮彈(Conventional geometry smart projectile,CGSP)及“快看”制導(dǎo)炮彈(Quicklook)[12]等.

法國的自主精確制導(dǎo)炮彈有155mm的增程制導(dǎo)炮彈“鵜鶘”和155mm AD-C型毫米波自尋的末制導(dǎo)炮彈.德國研制了155mm毫米波制導(dǎo)炮彈“意普”和155mm毫米波/紅外末制導(dǎo)炮彈“伊夫拉姆”(EPHRAM)[16].意大利研制了155mm“火山”(Volcano)系列遠(yuǎn)程制導(dǎo)炮彈、127mm 52倍口徑輕型艦炮發(fā)射的增程彈及76mm制導(dǎo)炮彈“飛鏢”(DART).此外,瑞典的120mm“林號鳥”(Strix)紅外末制導(dǎo)迫擊炮彈[12]、155mm紅外制導(dǎo)炮彈“斯特里克斯”及155mm毫米波末制導(dǎo)炮彈(BOSS);英國的155mm GPS制導(dǎo)炮彈“長桿斧”、81mm毫米波末制導(dǎo)迫擊炮彈“莫林”(Merlin)[12,16];北約研制的155mm自主精確制導(dǎo)炮彈(Autonomous precision guided munition,APGM)[8]及155mm XMR21毫米波或紅外/毫米波制導(dǎo)炮彈等都實現(xiàn)了自主精確制導(dǎo).

縱觀制導(dǎo)炮彈的發(fā)展歷程,與每個時代的傳感器制造技術(shù)密不可分.新原理、新結(jié)構(gòu)的傳感器往往會給制導(dǎo)炮彈的研制帶來革新.

2 制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的必要性

制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速信息十分重要,是實現(xiàn)制導(dǎo)與控制的基礎(chǔ).首先,一些制導(dǎo)炮彈,例如美國的“銅斑蛇”制導(dǎo)炮彈,在激活段需要進(jìn)行滾動控制,使得彈丸在極短的時間內(nèi)停止?jié)L動,為后續(xù)的制導(dǎo)做準(zhǔn)備.制導(dǎo)炮彈進(jìn)行滾轉(zhuǎn)控制時,滾轉(zhuǎn)控制回路需要得到當(dāng)前彈丸的滾轉(zhuǎn)角速率.這個滾轉(zhuǎn)角速率信號由陀螺或者非陀螺原理的速率傳感器提供.其次,制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量是實現(xiàn)其飛行穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ).而且,制導(dǎo)炮彈的滾轉(zhuǎn)角速率的獲得是進(jìn)行滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角解算的先決條件.此外,對制導(dǎo)炮彈飛行過程中轉(zhuǎn)速信息的分析,可以為彈丸結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù).

3 制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的特點

制導(dǎo)炮彈由常規(guī)火炮發(fā)射,必然要經(jīng)歷高動態(tài)炮射環(huán)境,這使得制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速測量難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈.此外,彈載空間、制造成本、錐形運動等也都是影響制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的因素.制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量具有以下特點:

1)高過載

制導(dǎo)炮彈軸向所受發(fā)射過載較大,一般可達(dá)1×104g以上. 例如美國的“銅斑蛇”末制導(dǎo)炮彈在不同裝藥情況下最大軸向發(fā)射過載達(dá)到了1.436×104g[17].某型艦炮制導(dǎo)炮彈,在發(fā)射初速為550m/s左右時,所受軸向過載為1×104g;發(fā)射初速為900m/s時,所受軸向過載不小于3×104g[18].由于軸向的過載加速度較大,彈載速率傳感器可能失效或者損壞.為了解決這個問題,可以采用以下兩種手段:一種是對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行抗高過載防護(hù),即篩選質(zhì)量等級高、可靠性高的元器件,并采用性能良好的灌封材料對電路板進(jìn)行灌封;同時,對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行沖擊隔離,耗散沖擊能量[18].另外一種是可以選用抗高過載性能強的速率傳感器,這也從本質(zhì)上改善了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的抗高過載性能.

2)高速旋轉(zhuǎn)

由于制導(dǎo)炮彈要考慮制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的響應(yīng)頻率,要求彈丸轉(zhuǎn)速不能太高,因此在火炮膛內(nèi)采用相應(yīng)的減旋裝置使得彈丸在出炮口時的轉(zhuǎn)速降為每秒幾十轉(zhuǎn)[19].雖然制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速比常規(guī)炮彈的轉(zhuǎn)速(每分鐘上萬轉(zhuǎn))小很多,但是每秒幾十轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速對于大多數(shù)速率傳感器來說依然很高,對速率傳感器的量程和分辨率都是一個考驗.

3)彈載空間受限

制導(dǎo)炮彈由常規(guī)身管火炮發(fā)射,對彈徑、彈長和彈重都有嚴(yán)格要求.相同的口徑下,制導(dǎo)炮彈由于引入了導(dǎo)航、制導(dǎo)組件,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比常規(guī)炮彈更為復(fù)雜,留給各組件的空間有限[20].因此,在設(shè)計導(dǎo)航系統(tǒng)時,應(yīng)盡量選擇尺寸較小的速率傳感器.

4)低成本

相對于高精度制導(dǎo)導(dǎo)彈,制導(dǎo)炮彈最大的優(yōu)點在于低成本.在常規(guī)炮彈的基礎(chǔ)上,對彈丸進(jìn)行制導(dǎo)化改造,再利用常規(guī)火炮發(fā)射,改造成本比導(dǎo)彈的研發(fā)、制造成本低很多,且大大提高了炮彈射擊精度.既然制導(dǎo)炮彈的優(yōu)勢在于低成本,那么對用于轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器的成本也有所限制.

5)錐形運動

旋轉(zhuǎn)炮彈在飛行過程中由于軸向存在自旋角速率而產(chǎn)生錐形運動[21?22],這也是旋轉(zhuǎn)彈特有的運動特征.彈體將繞速度軸作周期性劃圓運動[23],表現(xiàn)為進(jìn)動和章動的耦合運動.一般情況下,由于制導(dǎo)炮彈處于高旋和高馬赫飛行狀態(tài),彈體也會產(chǎn)生錐形運動.此時的偏航角速率和俯仰角速率呈現(xiàn)不規(guī)則的正弦振蕩形式[24?25],這將導(dǎo)致測量出的軸向角速率值并非真值,而是耦合了錐形運動引起的附加信息.

4 旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速測量方法和手段

目前國內(nèi)外針對旋轉(zhuǎn)炮彈的轉(zhuǎn)速測量方法主要有三類:外測法、遙測法和彈載傳感器測試法.

外測法是指利用彈丸外部設(shè)備測量彈丸轉(zhuǎn)速[26].例如高速攝影法[27?28]、無線電引信法[29]、短波信號法[30]、多普勒雷達(dá)法[31?33]等,這些外測法采用的外部測量設(shè)備包括狹縫高速攝影機(jī)、無線電引信彈道監(jiān)測設(shè)備、彈道監(jiān)測雷達(dá).由于外測法依賴于靶場外部測量設(shè)備,轉(zhuǎn)速信息的解算也在彈丸外部進(jìn)行,其本質(zhì)上仍不能實現(xiàn)彈載自主測量和制導(dǎo)功能.

遙測法是指在彈丸上安裝速率傳感器,通過彈上發(fā)射裝置將速率傳感器輸出信號或者處理后的信號發(fā)送到地面接收站[34?35].雖然遙測法在彈丸內(nèi)部安裝了轉(zhuǎn)速測量傳感器,相比較外測法設(shè)備簡單、成本低、測試精度高,但是轉(zhuǎn)速信息解算過程在地面接收站完成,無法實時提供給彈丸控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信息,因此遙測法僅適用于無控炮彈的轉(zhuǎn)速測量.

由于制導(dǎo)炮彈需要實時進(jìn)行彈道修正,其轉(zhuǎn)速測量傳感器以及轉(zhuǎn)速信息解算部分都需要在彈丸內(nèi)部,而外測法和遙測法都不能直接提供給彈丸控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信息,不適用于制導(dǎo)炮彈.近年來,隨著測試技術(shù)和傳感器制造技術(shù)的發(fā)展,外測法和遙測法逐漸被彈載傳感器測試法所取代.彈載傳感器測試法的轉(zhuǎn)速測量傳感器以及轉(zhuǎn)速信息解算部分都在彈丸內(nèi)部,完全不依賴于外部測量設(shè)備,可以真正實現(xiàn)彈丸打出去后不用管的目標(biāo),且可靠性高、精度高、成本低、體積小、功耗低、操作簡單,最主要能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化、批量化生產(chǎn).典型的彈載傳感器測試法有以下幾種:

1)線圈式地磁傳感器法:利用薄膜線圈傳感器測量高旋彈丸轉(zhuǎn)速時,傳感器輸出的曲線呈現(xiàn)正余弦狀,其波動周期即為彈丸旋轉(zhuǎn)一周的時間[36],再利用零點檢測法或極值檢測法[37]即可獲得轉(zhuǎn)速.

2)加速度計法:Schuler等[38]于1967年提出利用加速度計測量載體旋轉(zhuǎn)運動的方法.利用加速度計測量飛行彈丸的法向加速度可以得到轉(zhuǎn)速,但是由于炮彈在高動態(tài)飛行過程中存在進(jìn)動和章動,其法向加速度會受到空氣升力的影響發(fā)生變化,影響轉(zhuǎn)速測量精度.此外,該方法需要配置多個加速度計,例如三加速度計法、六加速度計法和九加速度計法[39]等測試方案.多個加速度計必然需要更大的安裝空間,這對于彈載空間有限的制導(dǎo)炮彈而言,不太現(xiàn)實.

3)太陽方位角傳感器法[40?41]:利用太陽方位角數(shù)據(jù)可以直接測得彈丸的轉(zhuǎn)速、章動角和進(jìn)動角信息,且能夠抗1.8×104g的炮射過載[34].但是太陽方位角傳感器安裝難度大、容易受氣象條件影響,要求有太陽光時才可使用,且最好避開陰雪天.

4)陀螺儀法:常規(guī)陀螺儀可以測量彈丸轉(zhuǎn)速,但其體積大、抗過載能力弱,很難適應(yīng)常規(guī)彈藥制導(dǎo)化過程中面對的高過載、高旋轉(zhuǎn)的惡劣炮射環(huán)境.新型MEMS(Microelectromechanical system)速率陀螺儀相比較傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀由于沒有活動部件、體積小和價格低而得到廣泛應(yīng)用.MEMS速率陀螺儀能夠適應(yīng)高g值發(fā)射環(huán)境,可以實現(xiàn)偏航角速率和俯仰角速率測量.針對高速旋轉(zhuǎn)彈丸的滾轉(zhuǎn)角速率測量,需要大量程的MEMS速率陀螺儀,然而量程大的角速率陀螺儀分辨率往往較低.新型的激光陀螺儀、光纖陀螺儀成本太高,不適用于低成本制導(dǎo)彈藥.

此外,偏航探頭(Yawsonde)、基于哥氏加速度的固態(tài)速率傳感器等轉(zhuǎn)速測量傳感器也可用于彈丸轉(zhuǎn)速測量.下面對一些典型旋轉(zhuǎn)彈的轉(zhuǎn)速測量方法和手段進(jìn)行詳細(xì)闡述.

美國的155mm激光半主動末制導(dǎo)炮彈“銅斑蛇”,采用正常式氣動布局,即彈翼位于彈丸的中部而尾翼位于彈丸的尾部[8].利用155mm榴彈炮發(fā)射銅斑蛇時,彈丸在閉氣環(huán)的作用下轉(zhuǎn)速由250r/s迅速下降到出炮口時的15r/s;彈丸出炮口后,尾翼在離心力的作用下立即展開,而且與平衡位置存在2°的偏斜,使彈丸在順時針方向保持6～8r/s的轉(zhuǎn)速,以達(dá)到避免彈丸產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)共振的目的[42].銅斑蛇采用滾轉(zhuǎn)控制回路,使得彈丸在1s之內(nèi)停止旋轉(zhuǎn)來保證彈丸在制導(dǎo)階段處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[42].滾轉(zhuǎn)控制回路的滾轉(zhuǎn)速率信號最開始由姿態(tài)基準(zhǔn)陀螺提供,后期采用一種基于哥氏加速度的固態(tài)速率傳感器提供,這種固態(tài)速率傳感器中存在兩個熱敏電阻,其中連續(xù)噴射的氣體會引起熱敏電阻阻值的變化[6].當(dāng)彈丸滾動時產(chǎn)生哥氏加速度,氣流會偏轉(zhuǎn)到一側(cè),使得兩個熱敏電阻的阻值之間發(fā)生變化,進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速.這種速率傳感器相比較姿態(tài)基準(zhǔn)陀螺而言,由于沒有旋轉(zhuǎn)和活動的部件而使用壽命較長,且成本較低.

美國的自主式海軍支援炮彈(Autonomous naval support round,ANSR)是一款127mm口徑的炮射末制導(dǎo)炮彈,采用GPS/INS復(fù)合制導(dǎo)和火箭增程.ANSR采用鴨式氣動布局,其一對鴨舵位于彈丸的前部,且在外彈道的旋轉(zhuǎn)速度大約為10～20Hz[43].ANSR制導(dǎo)炮彈采用無陀螺(Accelerometer-only,A/O)捷聯(lián)慣導(dǎo)測量單元(Inertial measurement unit,IMU),這種A/O IMU含有6個加速度計和一個三軸磁強計.加速度計和磁強計均可用來測量炮彈轉(zhuǎn)速,但是磁強計用來提供由加速度計測得的轉(zhuǎn)速的積分的初始條件以及校準(zhǔn)加速度計測得的轉(zhuǎn)速誤差[43].

美國海軍的127mm EX-171火箭助推增程制導(dǎo)炮彈,采用GPS/INS組合制導(dǎo)方式.ERGM同樣采用鴨式氣動布局,出炮口轉(zhuǎn)速為25r/s;彈丸出炮口后尾翼迅速展開在一秒內(nèi)使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1r/s左右[44].ERGM采用微機(jī)械慣性傳感器組件(Micro-mechanical inertial sensor assembly, MMISA),包含三個加速度計和三個陀螺.ERGM采用陀螺測量彈丸轉(zhuǎn)速,但是文獻(xiàn)[44]提到陀螺可能存在間斷問題.

美國陸軍的155mm XM982神劍制導(dǎo)炮彈,采用GPS/INS組合制導(dǎo)方式.Excalibur采用鴨式氣動布局且有兩對鴨舵,出炮口轉(zhuǎn)速為8 r/s左右[1].由于Excalibur采用了外彈道診斷引信(Aeroballistic diagnostic fuze,DFuze)[45],其利用加速度計、磁強計和光學(xué)傳感器測量轉(zhuǎn)速.此外,美國的120mm XM395精確制導(dǎo)迫擊炮彈也采用DFuze,其轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)同樣可由加速度計、磁強計和光學(xué)傳感器提供.

文獻(xiàn)[46]中采用Yawsonde[41]和SCSA50磁傳感器測量M483A1式反裝甲殺傷子母彈的轉(zhuǎn)速.

此外,我國的遠(yuǎn)程70km簡易制導(dǎo)火箭彈[47]采用地磁傳感器測量轉(zhuǎn)速信息.我國某型號制導(dǎo)火箭彈采用線圈式地磁傳感器測量全彈道轉(zhuǎn)速,測試結(jié)果較為良好[48].

5 制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量及信息處理方法

結(jié)合制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速測量特點來看,其轉(zhuǎn)速測量方法不僅要適應(yīng)高過載、高旋轉(zhuǎn)的惡劣炮射環(huán)境,還要求進(jìn)行高精度測量,而現(xiàn)有的彈載傳感器測試方法存在一定的局限性.對于過載在1×104g以上的炮射環(huán)境,普通的速率傳感器或失效、或損壞.然而能夠適應(yīng)高過載環(huán)境的速率傳感器測試精度又不高,例如大量程MEMS速率陀螺儀[49?50].因此,針對過載在1×104g以上、轉(zhuǎn)速在10r/s以上的制導(dǎo)炮彈,迫切需要能夠滿足彈丸工作環(huán)境和性能要求的速率測量裝置.基于此,高動態(tài)制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量裝置可以從兩方面展開研究,一種是采用非陀螺原理的速率傳感器,例如磁阻傳感器;另一種是研究適用于高過載環(huán)境下的大量程、高精度陀螺儀,例如高動態(tài)振動陀螺.

5.1 磁阻傳感器

磁阻傳感器通過測量地磁場矢量信息來實現(xiàn)彈丸轉(zhuǎn)速測量,其封裝體積小、抗過載能力強、量程大、靈敏度高、成本低,是用于制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的一種很好的選擇[51?52].利用磁阻傳感器測量彈丸轉(zhuǎn)速時,針對于磁阻傳感器輸出信號的鑒頻技術(shù)是關(guān)系到轉(zhuǎn)速測量精度的關(guān)鍵技術(shù)之一.

目前,磁阻傳感器制造技術(shù)已經(jīng)成熟,國內(nèi)外相關(guān)研究單位紛紛開展了磁測轉(zhuǎn)速的研究.Rouger[53]提出利用磁阻傳感器對發(fā)射過載超過1.5×104g的120mm坦克炮進(jìn)行滾轉(zhuǎn)角速率估計,與視頻跟蹤法得到的轉(zhuǎn)速作對比,兩者間的最大誤差為1/3r/s.馬國梁等[54]在2012年介紹了利用磁阻傳感器測量某型火箭彈滾轉(zhuǎn)角速率的方法,得到的滾轉(zhuǎn)角速率最大相對誤差不超過7‰.

利用磁阻傳感器測量飛行彈丸轉(zhuǎn)速時,假設(shè)在炮彈的射程范圍內(nèi)當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶康拇笮『头较蚴呛愣ǖ?即發(fā)射點處的當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶颗c彈丸飛行過程中的當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶肯嗤?如圖1所示.

彈丸飛行過程中,將當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶窟M(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)換即可投影到載體坐標(biāo)系中進(jìn)而被磁阻傳感器所敏感.此時,捷聯(lián)于彈丸徑向的磁阻傳感器輸出呈正弦形式振蕩的信號.根據(jù)理論推導(dǎo)顯示,磁阻傳感器輸出信號的頻率與彈丸轉(zhuǎn)速近似相等,通過提取正弦形式振蕩信號的時頻信息即可得到彈丸任意時刻的轉(zhuǎn)速.由于磁阻傳感器輸出的非平穩(wěn)信號的頻譜是隨時間變化的函數(shù),若要提取磁阻傳感器輸出信號在任意時刻的頻率,需要分析時變非平穩(wěn)信號的時頻分析方法.

目前,常用的時頻信息提取方法主要有兩類:時域分析方法和時頻域分析方法.時域分析方法,例如峰值檢測法[55?56]和過零點檢測法[57?60],算法簡單、實時性強,適用于彈上實時數(shù)據(jù)處理,但其受噪聲、零點漂移、采樣頻率等影響較大.時頻域分析方法,例如短時傅里葉變換[61?63]、滑動窗口CZT (Chirp Z transform)時頻分析方法[61,64?65]、滑動窗口Wigner-Ville時頻分析法[66?68]和滑動窗口S變換法[66,69?71],受噪聲、零點漂移和采樣頻率的影響小、精度高,但是其運算量大、實時性弱,適用于數(shù)據(jù)的事后處理.因此,針對磁阻傳感器輸出信號的時間–頻率信息提取方法,應(yīng)該綜合考慮實時性和精度,選擇一種適合工程應(yīng)用的方法.

磁阻傳感器測量炮彈轉(zhuǎn)速也存在局限性:炮彈外殼由鐵磁性材料制成,會對磁阻傳感器造成磁屏蔽,因此在彈丸上安裝磁阻傳感器時,應(yīng)尋找“磁潔凈區(qū)”來減小磁屏蔽效應(yīng).此外,在炮彈飛行過程中,磁阻傳感器有可能進(jìn)入“磁盲區(qū)”,此時當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶吭诖抛鑲鞲衅髅舾休S上的投影較為微弱甚至消失,這將給轉(zhuǎn)速的測量引入誤差.因此,應(yīng)該盡量避免在炮彈飛行過程中可能進(jìn)入“磁盲區(qū)”的射向下發(fā)射制導(dǎo)炮彈.

其次,制導(dǎo)炮彈發(fā)射時,膛內(nèi)的高過載和高沖擊環(huán)境,會對磁阻傳感器的特性參數(shù)產(chǎn)生影響,例如標(biāo)度因數(shù)、零偏等,如何在后續(xù)解算中對由此引起的磁阻傳感器輸出的誤差進(jìn)行補償是可以繼續(xù)研究的方向.此外,制導(dǎo)炮彈旋轉(zhuǎn)飛行過程中,彈體會切割地磁場磁力線,引起載體磁場發(fā)生變化,進(jìn)而磁阻傳感器的輸出中包含著實時發(fā)生變化的載體磁場.那么,如何消除這種實時變化的載體磁場對磁阻傳感器輸出的影響也是今后研究的工作之一.

5.2 高動態(tài)振動陀螺

高動態(tài)振動陀螺利用諧振子的振型相對外殼的偏轉(zhuǎn)來測量外殼相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度.諧振子振型偏轉(zhuǎn)角度與外殼相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度關(guān)系為[72]

式中,ψ為諧振子振型偏轉(zhuǎn)角度;K為陀螺的標(biāo)度因數(shù);ω為外殼相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度.

圖1 磁阻傳感器和鐘形振子式角速率陀螺測量彈丸轉(zhuǎn)速示意圖Fig.1 Schematic diagram of spin rate measurement with magnetoresistive sensor and bell-shaped vibratory angular rate gyroscope

通過電容檢測方法確定出諧振子振型偏轉(zhuǎn)角度后,利用式(1)即可解算出外殼相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度ω.

高動態(tài)振動陀螺抗過載能力強、精度高、體積小、壽命長.從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看,能夠適應(yīng)高過載、高旋轉(zhuǎn)環(huán)境下角速率測量的陀螺只有高動態(tài)振動陀螺.例如美國Watson公司研制的PRO-132-3A型圓筒陀螺,能夠抗1×104g的過載,已經(jīng)推廣應(yīng)用于機(jī)器人、穩(wěn)定攝像平臺和短時導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域[51];美國Innalabs公司研制的CVG17型圓筒振動陀螺的抗過載能力達(dá)到了2×104g[73].

國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中電26所[73]等對高動態(tài)振動陀螺進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定的成果.但是,針對制導(dǎo)炮彈用的能夠適應(yīng)其高過載、高旋轉(zhuǎn)發(fā)射環(huán)境的高動態(tài)振動陀螺較少.最近幾年,北京理工大學(xué)研發(fā)了一種鐘形振子式角速率陀螺[74?75](如圖1和圖2所示),該陀螺采用三維多曲面融合敏感結(jié)構(gòu),整個軸對稱殼由半球面、圓柱面和環(huán)形面融合而成.鐘形振子式角速率陀螺采用抗過載能力強、高Q值的彈性合金制成,能夠承受2×104g的過載;該陀螺具有量程大、體積小、成本低的特點.鐘形振子式角速率陀螺的抗高過載和抗沖擊性能比音叉、振梁、薄殼和梳狀振動陀螺強,而且很好地避免了類似半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜、不利于批量化生產(chǎn)的問題.未來可以研究將這種速率陀螺應(yīng)用于制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速測量,從而解決制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)對速率傳感器的性能要求.

圖2 鐘形振子式角速率陀螺Fig.2 Bell-shaped vibratory angular rate gyroscope

采用高動態(tài)振動陀螺測量制導(dǎo)炮彈滾轉(zhuǎn)角速率時,由于炮彈飛行過程中存在進(jìn)動和章動,軸向陀螺測得的角速率不僅是滾轉(zhuǎn)角速率,而是夾雜了偏航角速率和俯仰角速率的耦合值.如何從軸向角速率中精確解耦出滾轉(zhuǎn)角速率信息是影響制導(dǎo)精度的關(guān)鍵技術(shù)之一.

制導(dǎo)炮彈飛行過程中,彈丸的錐形運動稱為規(guī)則進(jìn)動.規(guī)則進(jìn)動是在經(jīng)典圓錐運動的基礎(chǔ)上疊加一個軸向的常值自轉(zhuǎn)角速率,其三軸角速率表達(dá)式為[76]

式中,ω0是軸向的常值自轉(zhuǎn)角速率;ωc是經(jīng)典圓錐運動的頻率;α為半錐角.當(dāng)ω0=0時,規(guī)則進(jìn)動轉(zhuǎn)化為經(jīng)典圓錐運動.

由式(2)可以看出,彈丸飛行過程中軸向陀螺測量到的角速率為則自旋角速率為

因此,ωc和α的正確求解是解耦自旋角速率的關(guān)鍵步驟.

6 結(jié)論與展望

制導(dǎo)炮彈的轉(zhuǎn)速測量是實現(xiàn)飛行穩(wěn)定性和制導(dǎo)控制的基礎(chǔ),針對于高旋轉(zhuǎn)、高過載和高速度的高動態(tài)炮射環(huán)境,精確地測量彈丸轉(zhuǎn)速是必須要解決的難題之一.目前,適用于此極端環(huán)境下轉(zhuǎn)速測量的傳感器有磁阻傳感器和高動態(tài)振動陀螺,雖然在旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速的測量方面取得了一定的成果,但尚有以下幾個方面值得探索:

1)利用磁阻傳感器測量旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速基于磁阻傳感器輸出的正弦振蕩式非平穩(wěn)信號的頻率與彈丸轉(zhuǎn)速同頻率,然后利用時頻分析方法提取磁阻傳感器輸出信號的頻率進(jìn)而得到彈丸轉(zhuǎn)速,這就需要一種高精度的適用于提取正弦振蕩式非平穩(wěn)信號的時頻信息的方法.因此,研究一種實時性強又精度高的適用于正弦振蕩式非平穩(wěn)信號的時頻信息提取方法是今后研究工作的重點之一.此外,如何解決炮彈外殼對磁阻傳感器形成的磁屏蔽、飛行過程中有可能進(jìn)入“磁盲區(qū)”、炮彈發(fā)射時的膛內(nèi)高過載和高沖擊環(huán)境對磁阻傳感器的特性參數(shù)產(chǎn)生影響以及制導(dǎo)炮彈旋轉(zhuǎn)飛行過程中實時發(fā)生變化的載體磁場是今后研究的工作重點.

2)對于高動態(tài)振動陀螺,仍有很多待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和研究難點.高動態(tài)振動陀螺受溫度影響大,溫度升高后,高動態(tài)振動陀螺的非線性特征變得明顯,應(yīng)研究適用于高動態(tài)振動陀螺的高精度溫度補償方法.此外,研究如何進(jìn)一步提高高動態(tài)振動陀螺的抗高過載能力是擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

3)制導(dǎo)炮彈飛行過程中存在錐形運動,滾轉(zhuǎn)角速率陀螺輸出信號中將會耦合偏航角速率和俯仰角速率信息.由于高動態(tài)振動陀螺不像太陽方位角傳感器一樣可以直接測量彈丸的章動角和進(jìn)動角,因此,如何根據(jù)滾轉(zhuǎn)角速率的量測值,既解算出彈丸真實的滾轉(zhuǎn)角速率又能解算出錐運動引起的附加角速率信息,實現(xiàn)三軸角速率的數(shù)學(xué)解耦,從而滿足炮彈的制導(dǎo)控制需求仍待解決.

4)多轉(zhuǎn)速傳感器信息融合技術(shù)研究.經(jīng)過文章的分析可以看出,目前針對制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量的方法較多,主要包括磁傳感器、加速度計、陀螺儀和太陽方位角傳感器等.采用多傳感器組合測量制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速,如磁阻傳感器+固態(tài)振動陀螺+太陽方位角傳感器、磁阻傳感器+加速度計+太陽方位角傳感器等,能夠克服單傳感器轉(zhuǎn)速測量的缺點,有利于提高轉(zhuǎn)速信息提取的精度以及可靠性.在實際炮彈應(yīng)用環(huán)境中,多個不同原理的轉(zhuǎn)速傳感器原理不同,數(shù)據(jù)處理方法也不同,未來的研究可以著眼于多轉(zhuǎn)速傳感器信息融合技術(shù)的研究,分析不同原理轉(zhuǎn)速測量方法的兼容性與干擾性.

5)全彈道轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)測量技術(shù).全彈道轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)即從膛內(nèi)發(fā)射開始直到彈丸撞擊目標(biāo)爆炸為止的完整轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),對于初始姿態(tài)對準(zhǔn)以及彈丸飛行穩(wěn)定性研究、制導(dǎo)控制都具有十分重要的意義.由于制導(dǎo)炮彈在膛內(nèi)的過載非常高,常規(guī)的慣性轉(zhuǎn)速傳感器,例如陀螺儀,不能在發(fā)射前啟動,只能在出炮口后啟動;磁阻傳感器由于沒有活動部件,抗過載能力很強,能夠承受膛內(nèi)的高過載,但是由于炮膛是鐵磁性材料,會對磁阻傳感器造成磁屏蔽;太陽方位角傳感器在膛內(nèi)由于沒有可見光而無法使用.因此,針對制導(dǎo)炮彈的全彈道轉(zhuǎn)速測量問題,尤其是膛內(nèi)轉(zhuǎn)速的量測是一個值得研究的問題.

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尚劍宇 北京理工大學(xué)自動化學(xué)院博士研究生.主要研究方向為慣性導(dǎo)航,磁傳感器,信號處理.

E-mail:3120130357@bit.edu.cn

(SHANG Jian-Yu Ph.D.candidate at the School of Automation,Beijing Institute of Technology.Her research interest covers inertial navigation,magnetic sensors,and signal processing.)

鄧志紅 北京理工大學(xué)自動化學(xué)院教授.主要研究方向為慣性導(dǎo)航,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn),新型角速率傳感器.本文通信作者.

E-mail:dzh_deng@bit.edu.cn

(DENG Zhi-Hong Professor at the School of Automation,Beijing Institute of Technology. Her research interest covers inertial navigation,transfer alignment for inertial navigation systems,and novel gyro sensor.Corresponding author of this paper.)

付夢印 南京理工大學(xué)教授.主要研究方向為慣性導(dǎo)航,智能導(dǎo)航,新型角速率傳感器.

E-mail:fumy@bit.edu.cn

(FU Meng-Yin Professor at Nanjing University of Science and Technology.His research interest covers inertial navigation,intelligent navigation,and novel gyro sensor.)

汪順亭 北京理工大學(xué)自動化學(xué)院教授.主要研究方向為船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及光纖慣性器件.

E-mail:wstcnt@bit.edu.cn

(WANG Shun-Ting Professor at the School of Automation,Beijing Institute of Technology.His research interest covers marine inertial navigation system and fiber inertial sensor.)

Advance and Perspective on Spin Rate Measurement Technology for Guided Projectile

SHANG Jian-Yu1DENG Zhi-Hong1FU Meng-Yin1,2WANG Shun-Ting1

Guided projectile fired by the conventional artillery is one of the guided weapons which can strike the targets accurately by searching,guiding and controlling during the flight.Accurate spin rate measurement for guided projectile is the key to precise guidance and control.The spin rate measurement technology for guided projectile is summarized as follows.Firstly,the development situation of the guided projectile is discussed,then the necessity of measuring guided projectile spin rate is analyzed and measurement characteristics are explained.After that,spin rate measurement methods for spinning projectile are summarized.Meanwhile,spin rate measurement and information processing methods for guided projectile based on magnetoresistive sensor and high dynamic vibratory gyroscope are described.Finally,future research direction and focus of spin rate measurement technology for guided projectile are suggested.

Guided projectile,high dynamic,spin rate measurement,magnetoresistive sensor,high dynamic vibratory gyroscope

尚劍宇,鄧志紅,付夢印,汪順亭.制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速測量技術(shù)研究進(jìn)展與展望.自動化學(xué)報,2016,42(11):1620?1629

Shang Jian-Yu,Deng Zhi-Hong,Fu Meng-Yin,Wang Shun-Ting.Advance and perspective on spin rate measurement technology for guided projectile.Acta Automatica Sinica,2016,42(11):1620?1629

2016-04-09 錄用日期2016-08-15

Manuscript received April 9,2016;accepted August 15,2016

本文責(zé)任編委孫富春

Recommended by Associate Editor SUN Fu-Chun

1.北京理工大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100081 2.南京理工大學(xué) 南京210094

1.School of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081 2.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094

DOI 10.16383/j.aas.2016.c160323