基于磁传感器和磁机械陀螺构建的新型姿态探测系统

基于磁传感器和磁机械陀螺构建的新型姿态探测系统

0用微机械作为第一目标的姿态测量系统目前，国际总部战争的结果表明，在现代战争中正确的弹药使用发挥了重要作用。然而,精确打击弹药成本太高,大量的装备部队目前还不太现实。因而,常规兵器的制导化,制导武器的小型化成为未来武器系统的发展趋势,效费比高的灵巧弹药和智能弹药成为各国争相研究的热点,而弹体的姿态测量系统是这些弹药的重要组成部件。国内曾提出了一种利用一个微机械陀螺和三轴磁传感器测量弹丸姿态的方法,该方案通过陀螺测量滚转角来实现,但是微机械陀螺不能精确测量高速变化的滚转角,因此不适用于高转速的特点。本文针对此问题,提出一种基于MEMS陀螺、磁传感器解算弹丸姿态角的测量方案。1弹体姿态测量任何物体的运动都是相对的,其运动方式是相对于某个参考系而言。通常,弹箭的飞行姿态通过地理坐标系与弹体坐标系相互转化可得。设地理系由{Xn,Yn,Zn}表示,坐标原点为弹箭的发射点,Xn沿经线指向北,Yn沿纬线指向东,Zn按照右手法则指向地球中心。弹体坐标由{Xb,Yb,Zb}表示,原点为弹箭的重心,Xb沿弹体纵轴方向,Yb沿弹体横轴指向右,Zb按照右手法则指向下。如图1所示。其中,ψ为偏航角,θ为俯仰角,ϕ为滚转角,弹体坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵Cbn为:Cbn=[cosψcosθsinψcosθ-sinθcosψsinθsinϕ-sinψcosϕsinψsinθsinϕ+cosψcosϕcosθsinϕcosψsinθcosϕ+sinψsinϕsinψsinθcosϕ-cosψsinϕcosθcosϕ](1)Cbn=⎡⎣⎢cosψcosθcosψsinθsinϕ−sinψcosϕcosψsinθcosϕ+sinψsinϕsinψcosθsinψsinθsinϕ+cosψcosϕsinψsinθcosϕ−cosψsinϕ−sinθcosθsinϕcosθcosϕ⎤⎦⎥(1)利用一个单轴陀螺和三轴磁传感器组合测量弹体姿态,设Q为弹体系到地面系坐标变换四元数:Q=[q0q1iq2jq3k](2)Q=[q0q1iq2jq3k](2)则弹体三轴磁场矢量HD到地面系投影为:Η=QΗD(3)H=QHD(3)通过三角变换可得,弹体的三轴姿态可由滚转角和三轴磁传感器的输出求得,其中滚转角是通过MEMS陀螺测得。但是MEMS陀螺不能测量高速旋转下弹体的滚转角,所以该方法只用于非高速旋转弹体的姿态探测。2轴方向一致、y方向z轴在上述分析的基础上,我们利用一个三轴磁传感器和两个单轴陀螺构建弹体姿态测量系统,其中传感器的配置方式如图2所示。三轴磁传感器的三个轴分别与弹体坐标系的三个轴方向一致,用于测量地磁场在弹体坐标系中的分量,即Hbx,Hby,Hbz。两个单轴陀螺的敏感轴分别与三轴磁传感器的Y,Z轴重合,用于测量弹体Y轴和Z轴角速度,即q,r。磁传感器的带宽很宽(一般为MHz级),完全满足弹箭高转速(大于200r/s)情况下的滚转姿态的测量。而弹箭的Y轴角速度和Z轴角速度一般小于10(°)/s,变化频率0～300Hz之间,这些均在目前MEMS商品化陀螺的量程内。因此,磁强计和陀螺的组合满足高转速的弹箭姿态测量的要求。3模拟分析3.1弹弓的姿态优化在这里建立一个地磁场坐标系{Xm,Ym,Zm},设Cmn为地理坐标系到地磁场坐标系的方向余弦矩阵,其中三个欧拉角为(ψmn,θmn,ϕmn),Cbm为地磁场坐标系到弹体坐标系的方向余弦矩阵,其中三个欧拉角为(ψbm,θbm,ϕbm),则:Ηm=Τ(4)Hm=T(4)用方向余弦矩阵Cbm将Hm转换到弹体坐标中,得到以下三个方程:Ηbx=-sinθbm(5)Ηby=cosθbmsinϕbm(6)Ηbz=cosθbmcosϕbm(7)式中,Hbx,Hby,Hbz为弹体三轴磁场强度,可由三轴磁传感器HMC1043与弹体固连测量而得,故根据式(5)—式(7)可解算出地磁场坐标系相对于弹体系的俯仰角θbm,滚转角ϕbm。由推导可看出,仅采用三轴磁传感器不能解算出完整的弹箭的姿态角,必须采用其他传感器辅助得到弹箭的偏航角ψbm。设弹体系相对于地理系的欧拉角速度矢量为ω=[p,q,r]T,由坐标转换得:[˙ϕbm˙θbm˙ψbm]=[1sinϕbmtanθbmcosϕbmtanθbm0cosϕbm-sinϕbm0sinϕbmcosθbmcosϕbmcosθbm][pqr]可得:˙ψbm(t)=q(t)sin[ϕbm(t)]+r(t)cos[ϕbm(t)]cos[θbm(t)](8)由上述推导可知,只要能够实时测量得到弹体的角速度q(t)、r(t),便可求得偏航角ψbm。由6D外弹道仿真测试数据可得,弹体在Y轴和Z轴产生的角速度远小于滚转角速度,且处于MEMS速率陀螺精确测量范围之内。因此,通过MEMS速率陀螺和三轴磁传感器组合测量可得到地磁坐标系相对弹体系的姿态,再通过坐标转换即可求得弹体系相对与地理系的姿态,即弹箭的三轴姿态。因此,本方案可适用于高转速的弹体环境。Cbn=CbmCmn(9)为了验证模型的正确性和系统的可行性,并考察算法精度,对姿态算法进行仿真分析。在Matlab平台上,用白噪声叠加到标准滚转角速率时间序列上生成仿真的微机械陀螺输出;将白噪声序列叠加到地磁矢量在弹体系上的投影作为磁传感器的输出。白噪声的方差由三轴磁传感器和陀螺的性能指标给出。仿真过程如下:1)以某弹丸为例,由六自由度刚体外弹道仿真程序给出122mm榴弹的角速率序列ω=[p,q,r]T,姿态角序列(ψbn,θbn,ϕbn),将以上结果视为真实弹道参数,作为仿真的原始数据;2)滚转角速率加上白噪声(给定方差的随机数序列)作为滚转陀螺的输出q、r;3)通过(ψbn,θbn,ϕbn)解算得实时的Hbx,Hby,Hbz,通过公式(3)-(6)求得(ψbm,θbm,ϕbm),再根据公式(7),推导出最后的姿态角(ψ,θ,ϕ);4)给出姿态角误差(ψerr,θerr,ϕerr)。3.2姿态误差仿真仿真输入:假设某地区磁场为1gauss,磁场与6D外弹道模型中地面坐标系相关角度为:ψmn=20°,θmn=5°,ϕmn=4°。仿真可得(ψ,θ,ϕ),得出姿态角误差(ψerr,θerr,ϕerr)。如图3—图5所示。如图可见:姿态计算结果具有较小误差,且误差不随时间累积。滚转角误差保持在±2.4°以内,符合高转速下测量姿态的需求,同时俯仰角以及偏航角误差也处于合理范围之内。所以仿真表明:该方案在高转速的弹道环境下,具有良好的精度。4飞行姿态误差的测量误差本文提出了一种利用三轴磁传感器和微机械陀螺复合弹丸测量方法,该方法通过测量弹体三轴磁场强度、双轴角速度,实现姿态探测。仿真结果显示,姿态角的测量误差始终处于合理范围之内,且不随时间累积。该方法具有高精度、低成本的特点,且能应用于高速滚转的弹体飞行姿态的探测。但由于制造工艺和环境等各种因素的影响,系统存在着各种误差,对于系统误差可以进行标定补偿,对于随机误差可以采用样本采样分析确定。另外姿态探测元件本身也存在着各种误差,如微机械陀螺的初始温漂以及安装位置所带来的误差,必须在使用中进行补偿。u2004相关材料熊波,张小枫,尚雅玲,路明(海军航空工程学院,山东烟台264001)摘要:高功率微波对导弹无线电引信的干扰是一个具有重要军事意义的课题。通过计算机仿真能提供机理研究所需要的各个环节的参数,是电磁场效应研究的一种重要手段。以Ansoft软件为仿真平台,对高功率微波干扰线性调频导弹无线电引信的效应仿真表明:在高功率电磁脉冲作用下,进入执行级的电压很低,无法达到启动电压的幅度。仿真得到的天线参数与引信实际天线参数相符,表明仿真结果真实可靠。关键词:高功率微波;线性调频;导弹无线电引信;作用效应中图分类号:TJ43文献标志码:A文章编号:1008-1194(2010)06-0014-04EffectofHPMtoLFMRadioFuzeXIONGBo,ZHANGXiaofeng,SHANGYaling,LUMing(NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001,China)Abstract:Researchoninterferenceofhighpowermicrowave(HPM)tomissileradiofuzehasimportantmilitarymeaning.Computersimulationcouldsimulateparametersofeachtacheofelectromagneticfieldeffecttheoreticalresearch.BasedonAnsoft,theinterferenceeffectofhighpowermicrowavetolinear-frequencymissileradiofuzewasstudied,whichshowedthatthevoltageonexecutorwastoolowtosatisfytheexecutionvoltageunderhighpowerelectro-magneticpulse.Thesimulatedparameterscouldmatchthepracticallytestedonesofrealantenna.Keywords:highpowermicrowave;linearfrequencymodulation;missileradiofuze;actioneffect0高功率微波武器hpm对1400g5和5国际电工委员会(IEC)77分会将入射电场超过100V/m的环境称为高功率电磁环境,目的是为了方便各种保护标准的制定和划分。比如,美国为了避免从事微波工作的人员遭受辐射损伤,专门制定了微波辐射安全标准,规定:在1.5～100GHz微波频段内,对人员的微波辐射能量应小于5mW/cm2。IEC规定:HPM是指微波源的峰值功率为100MW～100GW,工作频率为1～300GHz的无线电电磁波。美国在1991年的海湾战争和1993年的科索沃战争中试用了“试验性战术型微波弹”后,从此标志着高功率微波(HPM)武器的诞生。HPM武器利用大功率微波束来毁坏和干扰敌方武器系统、信息系统和通信链路中的敏感电子部件。HPM武器对器件的破坏原理就像近距离的雷电一样,极强的电磁脉冲通过“前门”和“后门”两种途径进入电子设备。“前门”是指雷达对外开放的通道——天线,强电磁脉冲被直接导向雷达设备,而使其工作性能降低和完全失效。“后门”是指设备的导线、动力电缆、电话线、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞等,驻波能量通过它们耦合进设备内而造成破坏。文献通过实验研究了高功率微波(HPM)对炮弹无线电引信的作用效应。导弹无线电引信与炮弹无线电引信比较,体制更加复杂多样,抗干扰能力也更强。因此,HPM对导弹无线电引信的干扰研究是一个具有重要军事意义的课题。而目前这方面的研究还未见报道。研究HPM的干扰效应,通常采用的方法包括辐照试验和计算机仿真。辐照实验代价高昂、可调参数较少;计算机仿真具有代价低、可重复的特点,并且能提供机理研究所需要的各个环节的参数,是电磁场效应研究的一种重要手段。因此,本文采用计算机仿真对HPM干扰导弹无线电引信的效应进行了研究。1模拟方法1.1thfss简介目前电磁场仿真软件种类繁多,如CST公司的MicroWaveStudio,Agilent公司的ADS软件,Ansoft公司的HFSS、Designer、XFDTD、ANSYS等。AnsoftHFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。AnsoftDesigner是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件,它采用了最新的视窗技术,是第一个将高频电路系统、版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一环境的设计工具。由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案,是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案,提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段,覆盖了高频设计的所有环节,这也是本文采用Ansoft软件的原因。1.2天线的仿真电路设计电磁场的耦合途径分为前门和后门耦合,后门耦合途径一般是通过电缆、缝隙等进入。由于导弹无线电引信处于封闭金属壳体中,其供电和信号电缆一般采用屏蔽线,电缆在导弹上也处于密封状态,后门耦合途径基本上是不存在的,因此本文只考虑前门耦合的情况,即电磁波能量从天线进入。要研究电磁波耦合到天线中的能量就需要对天线进行建模仿真,得到其S参数。在电磁场能量进入电路后,还需要进一步研究电磁波能量在电路上的分布,因此需要对无线电引信的电路进行仿真。如前所述,本文采用AnsoftHFSS来建立引信天线模型,采用AnsoftDesigner来建立引信电路模型。2模拟结果2.1天线带宽仿真以一种连续调频无线电引信来进行仿真建模,在HFSS中建立贴片天线物理模型如图1所示。天线作为单端口进行仿真,扫频得到其S参数如图2所示。S参数最小值对应天线的中心频率,通常取S参数小于-10dB的频带范围作为天线的带宽。仿真得到电压驻波比(VSWR)如图3所示。工程上一般取VSWR小于1.5的频带范围作为天线带宽。在AnsoftDesigner中导入S参数时,无法使用单端口导入,因此天线作为双端口进行仿真得到S11和S12随频率变化的情况如图4所示。2.2引流电路模型将AnsoftHFSS中仿真得到的天线S参数导入AnsoftDesigner建立引信电路模型。引信电路模型包括限幅放大器、混频器、滤波器、视频