高转速弹丸MEMS陀螺/磁强计组合测姿系统设计(2)

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5.2.2地磁辅助测量算法功能47

5.2.3地磁辅助测量算法解算结果48

5.3本章小结58

结论60

致谢61

参考文献.62

1 绪论 1.1 课题背景及意义战争与和平是当今世界的主题，第二次世界大战以来，世界各地呈现总体和平，局部战乱的局面。各国对国防和军事高度重视，各类新式武器层出不穷。其中弹药和导弹的选择和使用备受关注。常规弹药生产成本低，但射程近、打击精度低，而拥有精确打击能力和超远射程的导弹成本动辄百万，上至千万。因此，20 世纪 60 年代以来，常规制导化弹药，即在普通弹药上加装一些制导装置和气动舵面，以一种打击精度高、打击范围广、杀伤威力大、研制成本较低的灵巧弹药的姿态，越来越受到各国关注。弹丸姿态角作为测量弹丸飞行姿态和衡量其飞行稳定性的重要参数，其测量和采集对弹丸设计及其空气动力学研究、掌握弹体飞行规律、引信的选择都具有重要意义，源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/ 可大大缩短新产品研制时间，降低研究成本，辅助分析产品检测过程中的故障和问题[1]。目前来说，在很多制导弹药上应用较为成熟的姿态角探测技术主要是运用惯性组件（如陀螺仪、加速度计）进行姿态角测量。传统的机械陀螺体积较大、结构复杂，不适合在弹丸上使用，而光纤陀螺、MEMS 陀螺等新型陀螺体积小，便于安装，但可靠性差，抗冲击性能有待提高，且具有零漂误差，误差随时间累积，从而影响姿态测量的精度[2]。此外，以地球磁场作为天然的参考基准，通过特定算法辨别姿态信息，具有抗冲击能力强、可靠性高、无累积误差、成本低廉等优点[3]，开展这方面的研究工作具有重要的理论价值与现实意义。本课题出于对高转速弹丸姿态信息的精确测量方法的研究，运用 MEMS 惯性/磁强计组合测姿的方法，结合惯性测姿和地磁测姿的优点，规避各中不足，对高转速弹丸姿态信息进行准确测量、适当修正，从而得到较为精确的弹丸姿态信息和速度、位移信息。本课题研究的进步对提高常规弹药在未来战争中的适应性和作战效能具有重要的意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 惯性姿态测量技术惯性导航技术是一门综合类技术，涵盖机电、光学、力学、数学、控制和计算机等学科，用于确定运动体的姿态和位置信息，且不需要引入外界信息，即可实现对运动体的自主式控制和测量。由于惯性导航技术可实现对目标的自主导航与制导，近年来已经广泛应用于航天、航空、航海等各个军用领域[4]。从结构上讲，惯性导航系统可分为平台式惯性导航系统（Gimbaled Inertial Navigation System，简称 GINS）和捷联式惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，简称 SINS)两大类。其中，平台式惯性导航系统利用陀螺仪的定轴性和进动性搭建一个导航平台，加速度计直接安装在平台上，易于读取载体的速度和姿态信息，但高精度机械平台的搭建使得系统结构复杂化，从而降低了系统的可靠性。而捷联式惯性导航系统无需搭建平台，利用惯性敏感器件的载体运动数据来确定载体的姿态、方位和速度等信息，由计算机搭建虚拟导航平台代替实体机械平台，较平台式惯性导航系统而言，捷联式惯性导航系统的结构简单，惯性组件便于安装和维护，易于实现冗余配置，可直接得到载体的各向运动参数[5]。微型惯性测量组合(Micro Inertia Measurement Unit，简称MIMU)是由微型惯性传感器(主要指微型陀螺仪和微型加速度计)、集成电路、嵌入式微型计算机以及相应导航软件构成，可以输出运动载体的姿态、位置和速度等信息。文献综述其工作原理为：由载体上三轴陀螺仪确定载体的角速度信息，进而解算出姿态角信息，由载体上三轴陀螺仪加速度计测量出载体加速度值，加速度由弹体坐标系转化到地面坐标系后积分得到载体速度，再积分得到载体位移。由于惯性测量系统的自主性，除了对空中载体的测量，还可用海底、地下隧道、深山密林等位置的测量，拥有广阔前景[6]。微惯性测量组合的核心技术主要包括微惯性敏感器和微惯性测量组合技术。微惯性敏感器包括微型陀螺仪和微型加速度计，由微机械加工技术批量生产，具有体积小、成本低廉、易于安装、功耗小和可靠性高、耐冲击、易于实现数字化等特点[7]，是微惯性测量组合的重要组成部分；微惯性测量组合技术主要包括系统结构、信号采集和处理电路、组合测量解算算法和系统的温度控制与补偿等，对系统的性能有着重要的影响。