陳勝政，楊 波，宋宇航，張 意

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

彈體姿態(tài)信息作為制導(dǎo)炮彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)中十分重要的信息之一，承擔(dān)著控制指令分解、制導(dǎo)信號(hào)坐標(biāo)變化、姿態(tài)增穩(wěn)控制、捷聯(lián)慣性中制導(dǎo)以及捷聯(lián)末制導(dǎo)過程中的導(dǎo)引信號(hào)姿態(tài)解耦等重要任務(wù)，其測(cè)量精度直接影響制導(dǎo)炮彈的命中精度。因而，自制導(dǎo)炮彈問世以來，彈體姿態(tài)測(cè)量技術(shù)一直作為一項(xiàng)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)而被各個(gè)國(guó)家的彈藥設(shè)計(jì)師所重視，并發(fā)展起來了多種測(cè)量技術(shù)，促進(jìn)了制導(dǎo)炮彈的持續(xù)發(fā)展。

與導(dǎo)彈、火箭彈相比，制導(dǎo)炮彈特殊的使用環(huán)境和使用方式對(duì)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)和要求，導(dǎo)致成熟運(yùn)用于導(dǎo)彈、火箭彈的姿態(tài)測(cè)量技術(shù)無法直接移植到炮彈上。本文對(duì)制導(dǎo)炮彈的姿態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初步探討，以為相關(guān)技術(shù)人員提供一定的啟發(fā)和借鑒。

1 制導(dǎo)炮彈概述

制導(dǎo)炮彈是一種在無控炮彈的基礎(chǔ)上，通過采用精確制導(dǎo)技術(shù)、加裝精確制導(dǎo)系統(tǒng)或修正系統(tǒng)[1]而發(fā)展起來一類低成本精確打擊彈藥。由于使用了精確制導(dǎo)技術(shù)，其命中精度大幅度提高，大大提高了火炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。此外，通過進(jìn)一步采用火箭助推、滑翔增程控制以及復(fù)合增程技術(shù)等手段來大幅度拓展制導(dǎo)炮彈射程[2]，使火炮平臺(tái)進(jìn)一步具備遠(yuǎn)程甚至超遠(yuǎn)程的精確打擊能力，從而使得火炮武器的作戰(zhàn)使用更加靈活，戰(zhàn)術(shù)地位更加鞏固?；诖耍茖?dǎo)炮彈一經(jīng)問世，便作為一類十分重要的精確打擊彈藥而迅速發(fā)展起來。目前，制導(dǎo)炮彈已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)龐大的家族，從口徑上分，包括57、76、100、105、120、125、127、130、152、155、240 mm[3]等主流口徑，平臺(tái)涵蓋防空高炮、迫擊炮、坦克炮、中大口徑榴彈炮等，射程從幾百米至超過一百八十公里，并且在伊拉克、阿富汗、車臣反恐等局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮過重要作用，獲得了國(guó)際上主流軍事大國(guó)的廣泛認(rèn)可。典型型號(hào)有前蘇聯(lián)的152 mm紅土地/米尺/紅土地M激光制導(dǎo)炮彈，100 mm/105 mm坦克炮射導(dǎo)彈，120 mm“晶面”制導(dǎo)迫彈等，美國(guó)“銅斑蛇”155 mm末制導(dǎo)炮彈，XM982“神劍”155 mm制導(dǎo)炮彈[4]，海軍127mm艦炮增程制導(dǎo)彈藥(ERGM)[5]，120 mm精確增程迫擊炮彈等，以及以色列120 mm拉哈特炮射導(dǎo)彈等。

2 制導(dǎo)炮彈對(duì)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的能力需求及技術(shù)難點(diǎn)

受發(fā)射平臺(tái)及作戰(zhàn)使用方式的限制，制導(dǎo)炮彈用姿態(tài)測(cè)量技術(shù)與導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈相比有較大差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 要求具備很高的抗發(fā)射過載的能力。制導(dǎo)炮彈具有很高的發(fā)射過載，一般迫擊炮彈、中大口徑榴彈最大過載達(dá)到10 000～20 000g，而部分小口徑制導(dǎo)炮彈最大過載甚至達(dá)到30 000g以上。而導(dǎo)彈、火箭彈過載一般僅幾十到幾百g的水平。制導(dǎo)炮彈很高的發(fā)射過載對(duì)姿態(tài)測(cè)量器件提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)：在高過載沖擊后，測(cè)量器件不僅不能損壞，其工作性能以及可靠性還要求與沖擊前相當(dāng)。目前，一般通過選用具備抗高過載能力的器件、艙段灌封以及巧妙的抗高過載彈體設(shè)計(jì)等手段，來綜合提高測(cè)量系統(tǒng)的抗過載能力。然而，實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，一般慣性器件在受到?jīng)_擊后，其測(cè)量精度往往都會(huì)下降，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差變大。因此，制導(dǎo)炮彈姿態(tài)測(cè)量既要具備抗高過載能力又要具備較高的測(cè)量精度，這是最主要的技術(shù)難點(diǎn)之一。

2) 制導(dǎo)炮彈無方位裝填、發(fā)射后上電的作戰(zhàn)使用模式，要求姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具備空中初始對(duì)準(zhǔn)的能力。制導(dǎo)炮彈總體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到作戰(zhàn)的便利性以及對(duì)現(xiàn)有裝填系統(tǒng)和現(xiàn)有火炮的適應(yīng)能力，其裝填方式往往要求設(shè)計(jì)成與無控炮彈一致，即無方位裝填的裝填方式。此外，為了最大限度簡(jiǎn)化作戰(zhàn)流程，提高作戰(zhàn)使用的快速性，也為了提高彈上電子部件的抗發(fā)射過載能力，制導(dǎo)炮彈往往設(shè)計(jì)成發(fā)射后上電的工作模式。在無方位裝填、發(fā)射后上電的作戰(zhàn)使用模式下，彈上姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是沒有初始基準(zhǔn)的，因而要求姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具備在空中初始對(duì)準(zhǔn)的能力。由于制導(dǎo)炮彈在空中飛行時(shí)，其姿態(tài)、位置持續(xù)變化，要實(shí)現(xiàn)高精度的初始對(duì)準(zhǔn)，難度很大。

3) 適應(yīng)彈上火工品沖擊的能力。為了適應(yīng)管式發(fā)射，起飛前的制導(dǎo)炮彈尾翼、舵翼均需折疊在彈身內(nèi)部，起飛后利用火工品產(chǎn)生的解鎖力而實(shí)現(xiàn)定時(shí)張開。此外，為了對(duì)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)施加保護(hù)，一般末制導(dǎo)炮彈彈體前端還帶有頭錐。頭錐的分離動(dòng)作也是利用火工品的沖擊力來實(shí)現(xiàn)。彈上火工品作用時(shí)，將產(chǎn)生較大的沖擊載荷，導(dǎo)致測(cè)量器件不僅僅需要承受發(fā)射過載沖擊，還需要多次承受彈上的火工品帶來的沖擊力，這對(duì)姿態(tài)測(cè)量器件的抗沖擊能力和安裝方式提出了更高的要求。

4) 滾轉(zhuǎn)通道測(cè)量要求高?？紤]到大多數(shù)無控炮彈本身是旋轉(zhuǎn)彈，為了降低成本，設(shè)計(jì)師們一般仍將制導(dǎo)炮彈彈體設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)的。由于制導(dǎo)炮彈全程速度跨度大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速范圍較寬，最大轉(zhuǎn)速高，這要求測(cè)量系統(tǒng)具備對(duì)滾轉(zhuǎn)通道的大量程、高精度的測(cè)量能力。

3 姿態(tài)測(cè)量器件發(fā)展現(xiàn)狀

目前，制導(dǎo)炮彈的姿態(tài)測(cè)量器件主要有機(jī)械式慣性陀螺儀、地磁傳感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)等。

3.1 機(jī)械式慣性陀螺儀

機(jī)械式慣性陀螺儀是早期的制導(dǎo)炮彈廣泛使用的姿態(tài)測(cè)量器件。典型產(chǎn)品有俄羅斯的100 mm/105 mm坦克炮射導(dǎo)彈、152 mm“紅土地”激光末制導(dǎo)炮彈等。

100 mm/105 mm炮射導(dǎo)彈采用一個(gè)帶重力擺的三自由度機(jī)械式陀螺儀，實(shí)時(shí)測(cè)量彈體的滾轉(zhuǎn)角信息，通過重力擺建立起滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的初始對(duì)準(zhǔn)及持續(xù)測(cè)量，測(cè)量精度小于4°(20 s)。

152 mm“紅土地”激光末制導(dǎo)炮彈亦采用機(jī)械式三自由度陀螺儀，如圖1所示。利用彈道滑翔段和末制導(dǎo)段的彈道特性，在彈道頂點(diǎn)附件完成初始對(duì)準(zhǔn)，在彈道降弧段以后，同時(shí)進(jìn)行俯仰、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量，為制導(dǎo)炮彈中制導(dǎo)、末制導(dǎo)控制提供滾轉(zhuǎn)角和俯仰角信息。

機(jī)械式慣性陀螺可靠性高、成本低、抗干擾性好、發(fā)射過載和彈上環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，其缺點(diǎn)是體積大、重量重、工作時(shí)間短、使用條件受限等，主要應(yīng)用于早期的末制導(dǎo)炮彈，目前已經(jīng)較少使用。

圖1 152 mm末制導(dǎo)炮彈陀螺儀Fig.1 152 mm TGP gyro

3.2 地磁傳感器

地磁傳感器測(cè)姿，是利用旋轉(zhuǎn)彈箭飛行區(qū)域內(nèi)的地磁場(chǎng)矢量在旋轉(zhuǎn)彈箭彈體坐標(biāo)系下的投影分量與地面坐標(biāo)系下的投影分量之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系[6]，建立關(guān)于三個(gè)歐拉角的聯(lián)立方程組來進(jìn)行的。地磁場(chǎng)同重力場(chǎng)一樣，是一種全球性的基本物理場(chǎng)[7]。地球表面任意一點(diǎn)的地磁場(chǎng)為一個(gè)矢量B，為已知信息。地磁場(chǎng)矢量B可通過檢索當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)數(shù)據(jù)庫或由世界地磁場(chǎng)模型[8](world magnetic model，WMM)計(jì)算得出，也可采用三軸磁強(qiáng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到。記B在北天東坐標(biāo)系下的分量為(Bx、By、Bz)，與彈體系固聯(lián)的三軸磁傳感器輸出的B的三分量記為(Bx1、By1、Bz1)。二者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系及公式見圖2，其中ψs為射向與北向的夾角，定義為北向角，(γ,?,ψ)為彈體系與發(fā)射系的三個(gè)歐拉姿態(tài)角[9]。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系及轉(zhuǎn)換公式Fig.2 The ralationship and fomula of coordinate transformation

由圖2可見，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以建立起關(guān)于三個(gè)歐拉角的姿態(tài)解算關(guān)系矩陣，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算。姿態(tài)解算關(guān)系矩陣見式(1)。

(1)

但值得注意的一點(diǎn)是，式(1)中形式上可以建立三個(gè)方程，但其實(shí)只有2個(gè)是獨(dú)立的，因此僅靠該式無法實(shí)現(xiàn)3個(gè)歐拉角的同時(shí)解算，也就是說無法僅通過1套三軸地磁傳感器來實(shí)現(xiàn)三個(gè)姿態(tài)的同時(shí)測(cè)量。目前，一般將地磁傳感器與衛(wèi)星定位儀組合起來用，進(jìn)行制導(dǎo)炮彈/修正炮彈的滾轉(zhuǎn)角初始對(duì)準(zhǔn)[10]及持續(xù)解算。

地磁傳感器具有成本低、體積小、抗過載能力強(qiáng)、信號(hào)處理簡(jiǎn)單、算法容易實(shí)現(xiàn)[11-12]等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)際上低成本制導(dǎo)/修正炮彈最主要的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量手段，典型應(yīng)用如美國(guó)的120 mm精確增程迫擊炮彈、以色列的衛(wèi)星修正迫彈等。缺點(diǎn)是精度偏低，最大測(cè)量誤差達(dá)到10°左右，且易受干擾。主要用于滾轉(zhuǎn)角精度要求不高的低成本彈藥，或作為輔助測(cè)姿使用。

3.3 MEMS器件

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS) 在20世紀(jì)80年代隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來，是微電子加工技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[13]。MEMS器件按基材分，可分為硅基器件和石英基器件兩類。其中硅基器件抗過載能力強(qiáng)，是當(dāng)前制導(dǎo)炮彈廣泛使用的器件。MEMS器件的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、工作時(shí)間長(zhǎng)，適于大批量加工，且成本極低。

3.3.1MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀是將MEMS技術(shù)與陀螺儀技術(shù)結(jié)合在一起發(fā)展起來的新型陀螺儀，按測(cè)量原理可分為速率陀螺和角度陀螺兩類，但角度陀螺儀目前尚不成熟。目前一般所指的MEMS陀螺均為MEMS速率陀螺儀。

由于MEMS陀螺儀僅能測(cè)量彈體的姿態(tài)角速率，其輸出信號(hào)可直接用于阻尼回路控制。但作為姿態(tài)導(dǎo)航時(shí)，存在無法初始對(duì)準(zhǔn)的問題，一般將其與衛(wèi)星定位儀或其他測(cè)量器件組合使用，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航解算。應(yīng)用于制導(dǎo)炮彈的MEMS陀螺儀主要性能如下：X軸陀螺量程達(dá)到3 600 (°)/s，Y/Z軸一般達(dá)到300 (°)/s，全溫范圍零偏不大于0.02 (°)/s，非線性0.3‰～0.5‰，通過灌封、減震等措施，不帶電情況下的抗過載能力達(dá)到20 000g以上。

3.3.2MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)用于敏感自身所處位置的比力信息，原則上不屬于姿態(tài)測(cè)量器件。但由于加速度計(jì)是相對(duì)彈體坐標(biāo)系固聯(lián)安裝的，其輸出的比力信息里含有姿態(tài)信息，將其與衛(wèi)星、陀螺等其他信息組合后，可實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航能力。因此，將加速度計(jì)也納入姿態(tài)測(cè)量器件的范疇里。

3.3.3MIMU

微型慣性測(cè)量單元(miniature inertial measurement unit, MIMU)，是一種重要的姿態(tài)測(cè)量裝置，它是由MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)、專用集成電路(ASIC)、嵌入式微機(jī)及相應(yīng)的導(dǎo)航軟件組成，提供運(yùn)動(dòng)載體的位置、速度和姿態(tài)信息。

目前，典型的MIMU是采用三個(gè)陀螺形成三軸MIMU，或三個(gè)陀螺+三個(gè)加速度計(jì)形成六軸MIMU組件[14]。MIMU組件的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，六軸MIMU封裝后的大小僅與一枚硬幣相當(dāng)，與機(jī)械式慣性陀螺相比幾乎可以忽略不計(jì)。

圖3 六軸MIMUFig.3 6 axis MIMU

此外，MEMS器件還具有成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代至今，MEMS器件逐漸成為制導(dǎo)炮彈最廣泛使用的姿態(tài)測(cè)量器件。由于MEMS技術(shù)的廣泛使用，使得制導(dǎo)炮彈逐漸淘汰了機(jī)械式陀螺儀，制導(dǎo)炮彈導(dǎo)航及測(cè)姿進(jìn)入了微慣性時(shí)代。

4 組合導(dǎo)航方式

由以上的論述可見，除機(jī)械式慣性陀螺儀以外，其余測(cè)量器件僅靠自身是難以實(shí)現(xiàn)有效的空中自對(duì)準(zhǔn)以及后續(xù)持續(xù)的姿態(tài)導(dǎo)航解算能力的。因而需要研究組合導(dǎo)航方法，利用多傳感器來構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將多種信息源有效融合，通過先進(jìn)的濾波算法以及數(shù)據(jù)處理方法，來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)以及高精度的姿態(tài)導(dǎo)航方式。MEMS器件和地磁器件作為當(dāng)前主流的導(dǎo)航器件，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者及設(shè)計(jì)師們以其為核心，做了大量研究工作，取得了較多成果，部分成果應(yīng)用于實(shí)際的工程型號(hào)，取得了良好的效果。主要的導(dǎo)航方式有以下幾種。

4.1 地磁+衛(wèi)星組合導(dǎo)航方式

地磁傳感器一般用在衛(wèi)星修正炮彈/制導(dǎo)炮彈[15]上，將地磁信息與衛(wèi)星定位儀信息結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低成本的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角解算要求。這是目前衛(wèi)星修正炮彈/制導(dǎo)炮彈最常用的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量方式。在此種導(dǎo)航模式下，一般要求制導(dǎo)炮彈彈體低速滾轉(zhuǎn)，導(dǎo)航算法利用滾轉(zhuǎn)效應(yīng)消除部分傳感器誤差，從而獲得更高的解算精度。圖4是地磁+衛(wèi)星組合導(dǎo)航方式解算出的滾轉(zhuǎn)角信號(hào)及地磁原始量。

由于地磁器件的成本極低且技術(shù)十分成熟，使得此種導(dǎo)航成為國(guó)際上最為廣泛使用的低成本滾轉(zhuǎn)姿態(tài)導(dǎo)航方式。采用該種方式進(jìn)行滾轉(zhuǎn)姿態(tài)導(dǎo)航的典型產(chǎn)品有美國(guó)的PGMM 120 mm修正迫彈、以色列的“匕首”120 mm修正迫彈等。

該種導(dǎo)航方式的缺點(diǎn)是僅能進(jìn)行滾轉(zhuǎn)姿態(tài)導(dǎo)航，且精度不高。

4.2 陀螺+衛(wèi)星組合導(dǎo)航方式

目前，國(guó)內(nèi)外大量科學(xué)家或工程師針對(duì)衛(wèi)星+MEMS陀螺進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)以及后續(xù)的組合導(dǎo)航[16]技術(shù)，開展了大量的基礎(chǔ)性研究，提出了多種算法。圖5是某種算法的數(shù)字仿真結(jié)果，在彈體存在一定錐擺運(yùn)動(dòng)條件下，考慮衛(wèi)星信號(hào)存在一定誤差的情形，利用卡爾曼濾波等先進(jìn)濾波手段，該算法仍能使?jié)L轉(zhuǎn)角解算精度穩(wěn)定在5°以內(nèi)。

圖4 地磁+衛(wèi)星組合導(dǎo)航解算滾轉(zhuǎn)角Fig.4 Rolling angle solution of integrated navigation

圖5 滾轉(zhuǎn)角的解算誤差(考慮彈體錐擺和衛(wèi)星信號(hào)誤差)Fig.5 Rolling angle solution error

通過某型炮彈的搭載飛行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法的可行性。

本組合方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三姿態(tài)的導(dǎo)航解算。但由于陀螺與衛(wèi)星定位儀信號(hào)本身的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，該種算法僅在特定的彈道環(huán)境下效果較好。

4.3 陀螺+加速度計(jì)+衛(wèi)星組合導(dǎo)航方式

在陀螺+衛(wèi)星組合導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入加速度信息，利用加速度計(jì)信息更新快、短時(shí)精度高[17]等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)組合姿態(tài)導(dǎo)航能力。該方法由于引入了加速度及信息，克服了4.2節(jié)所述方法存在的陀螺與衛(wèi)星定位儀信號(hào)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的問題，導(dǎo)航精度大大提高。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)航精度高，且同時(shí)具備彈體質(zhì)心位置坐標(biāo)、彈體三個(gè)姿態(tài)的導(dǎo)航解算能力[18-19]。

目前，國(guó)外多型制導(dǎo)炮彈如美國(guó)海軍的ERGM和陸軍XM-982“神劍”155 mm制導(dǎo)炮彈、法國(guó)的鶉鵬(Pelican)精確增程炮彈均使用了該方法，實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)炮彈的高精度姿態(tài)導(dǎo)航。

4.4 陀螺+地磁組合導(dǎo)航方式

將地磁信號(hào)包含的姿態(tài)信息與陀螺輸出的速率信息進(jìn)行結(jié)合，研究出新的不依賴于衛(wèi)星的姿態(tài)導(dǎo)航方式[20]。目前，該方式尚處于理論研究階段，尚無可以直接使用的成熟算法。

5 結(jié)論

制導(dǎo)炮彈作為一類十分重要的精確打擊彈藥，其姿態(tài)測(cè)量技術(shù)一直被世界各國(guó)所重視。伴隨著制導(dǎo)炮彈的技術(shù)發(fā)展，姿態(tài)測(cè)量技術(shù)也不斷取得長(zhǎng)足進(jìn)步。本文對(duì)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)、測(cè)量器件優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況、組合導(dǎo)航方法等方面進(jìn)行了剖析，可為同行業(yè)的設(shè)計(jì)師、學(xué)者們提供一定的借鑒和參考。