基于组合测量的弹箭图像末修技术

论文摘要

为提高单兵武器对目标的打击精度和我方人员在战场上的生存概率,本文以单兵火箭弹为平台,研究了基于组合测量的弹箭图像末修技术。基于组合测量的弹箭图像末修技术以弹载CCD为目标探测器,利用地磁计和MEMS陀螺组合测量弹丸姿态,由微处理计算弹道偏差,并在弹道末段对弹丸进行脉冲修正。该技术不但可以用于单兵火箭弹,还可以用于其它野战火箭弹及各种炮兵弹药上。本文的主要研究内容有:1.以单兵火箭为研究背景,详细阐述了基于组合测量的图像末修弹药的系统组成和工作原理。通过对系统的三个关键子系统进行分析,重点研究了图像测量系统的目标测量原理、测量精度和姿态测量系统中的MEMS陀螺误差补偿方法。根据单兵火箭的运动特点,建立了适用于快速、准确计算的质点弹道方程和带修正的4自由度弹道方程。利用Simulink和6自由度弹道方程对某型单兵火箭弹进行了外弹道模型仿真。2.研究了利用CCD测量弹目相对位置的方法。根据弹丸运动方程和CCD成像特点,建立了弹丸运动时弹目相对运动方程和目标点在CCD上的成像轨迹方程;研究了利用CCD测量目标相对位置的估测方法,同时设计了利用单个CCD测量弹目相对位置的方法;分析了由于弹丸旋转对弹目测量所造成的误差;对各模型进行了Matlab仿真及转台实验验证。仿真及实验结果表明,利用文中模型可在一定条件下较准确测量弹目相对位置,但测量精度受姿态及基线距离测量精度的影响较大。3.研究了组合测量弹丸姿态的方法。针对单兵武器平台的弹丸运动特点,结合地磁矢量在弹体坐标系内的投影规律,利用椭圆拟合方法,建立了计算弹丸运动条件下的姿态角模型;通过引入中位数和修正系数,将中位法、UKF和椭圆理论相结合,提出了改进的椭圆参数拟合方法,提高了在奇异值干扰下的弹丸滚转角计算精度;设计了基于伺服稳定平台的弹丸姿态角测量方法;利用三轴地磁计和MEMS陀螺组成磁-陀螺系统,建立了组合测量模型,并进行了转台仿真实验。从对实验数据的处理结果可以得出:利用椭圆理论计算弹丸滚转角能得到较好的精度,而且实用性很强,但计算其余两姿态角的精度不高;磁-陀螺测量系统可互补磁强计和陀螺测量中的不足,测量弹丸姿态能得到较高的精度。4.以验证组合测量弹目相对位置模型为目的,设计了弹载测试系统和实验方案,并完成了用弹载测试系统组合测量弹目相对方位和弹丸姿态的原理性演示飞行实验。实验结果表明,本次实验较成功的测得了弹丸的姿态角和目标相对弹丸方位的变化规律,测量结果与文中仿真结果比较接近。5.研究了基于单兵火箭平台的修正策略。利用前文测量方法计算求取弹目相对偏差作为弹道修正量,将修正量分为距离偏差和角度偏差分别求取;根据某型脉冲发动机和单兵火箭运动特点,建立了弹道修正过程中的弹道变化模型;利用最优控制理论和弹道修正量,设计了以冲量为最优控制量的距离偏差、角度偏差的修正律;分析了修正过程中弹丸转速对修正的影响,提出了使弹丸保持稳定的方法,并计算出了本文修正方案的修正效率;最后设计了脉冲修正点火方案;并进行了仿真计算和转台实验进行验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 概念描述
• 1.2.1 弹道修正弹
• 1.2.2 基于组合测量的弹箭图像末修技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 弹道修正弹国外研究情况
• 1.3.2 弹道修正弹国内研究状况
• 1.3.3 修正机构的国内外研究现状
• 1.3.4 图像制导弹药国内外发展现状
• 1.4 基于图像导引的弹道修正技术存在的问题
• 1.4.1 弹目相对位置的测量技术
• 1.4.2 姿态测量技术
• 1.4.3 脉冲修正技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 系统总体方案及关键技术设计
• 2.1 系统组成及工作原理
• 2.1.1 系统组成
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 系统关键技术分析
• 2.2.1 图像测量技术
• 2.2.2 姿态测量技术
• 2.2.3 脉冲发动机技术
• 2.2.4 导引头消旋技术
• 2.3 弹道修正中常用坐标系
• 2.3.1 常用坐标系
• 2.3.2 坐标转换
• 2.4 弹丸的运动特性
• 2.4.1 弹丸的质心运动方程
• 2.4.2 弹丸的围绕质心运动方程
• 2.4.3 带修正的4D质点弹道运动方程
• 2.5 软件仿真与半实物仿真
• 2.5.1 仿真平台
• 2.5.2 外弹道模型的建模及参数
• 2.6 本章小结
• 3 弹目相对位置测量方法
• 3.1 目标点在CCD上的成像轨迹
• 3.1.1 轨迹方程
• 3.1.2 目标点成像坐标的频率特性
• 3.2 利用CCD估测弹目相对位置的方法
• 3.2.1 估测原理
• 3.2.2 估测误差分析
• 3.3 单CCD测量弹目相对位置的方法
• 3.3.1 测量原理
• 3.3.2 测量误差分析
• 3.4 软件仿真及半实物仿真实验
• 3.4.1 目标点成像轨迹软件仿真和半实物仿真实验
• 3.4.2 CCD与MEMS陀螺组合估测弹目相对参数软件仿真及半实物仿真实验
• 3.4.3 CCD与磁-MEMS陀螺组合估测弹目相对参数半实物仿真实验
• 3.4.4 单CCD测量弹目相对位置方法软件仿真及半实物仿真实验
• 3.5 滚转角误差对弹目方位测量精度的影响
• 3.5.1 滚转角误差产生的测量误差模型
• 3.5.2 软件仿真
• 3.5.3 半实物仿真实验
• 3.5.4 实验结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 姿态测量及其融合算法
• 4.1 地磁探测技术以及相关理论基础
• 4.1.1 地磁场概述
• 4.1.2 国际地磁参考场
• 4.1.3 载体系中地磁矢量的测量
• 4.2 椭圆拟合理论
• 4.2.1 椭圆拟合基础理论
• 4.2.2 B2AC
• 4.2.3 UKF滤波
• 4.2.4 奇异值的检测
• 4.2.5 改进的椭圆拟合算法
• 4.3 姿态测量方法
• 4.3.1 滚转角的解算
• 4.3.2 低伸弹道滚转角的解算
• 4.3.3 基于三轴磁强计的姿态角解算
• 4.3.4 姿态角的另一种测量方法
• 4.4 磁一陀螺系统组合测量弹丸姿态
• 4.4.1 MEMS陀螺测量弹丸姿态模型
• 4.4.2 四元数求解姿态矩阵
• 4.4.3 姿态角的组合测量
• 4.4.4 半实物仿真实验
• 4.5 本章小结
• 5 基于图像的组合测量飞行实验
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 实验总体方案设计
• 5.1.2 弹载测试系统设计
• 5.2 原理样机实弹飞行实验
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 实验结果
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 弹道偏差的计算及修正策略
• 6.1 修正参数的计算
• 6.1.1 弹道参数的估算
• 6.1.2 修正量的计算
• 6.1.3 仿真
• 6.2 脉冲修正
• 6.2.1 脉冲发动机参数及结构安排
• 6.2.2 质心附近修正/脉冲修正弹的空间运动
• 6.2.3 仿真
• 6.3 修正律
• 6.3.1 修正律及弹道优化
• 6.3.2 基于修正距离的修正律
• 6.3.3 基于修正角度的修正律
• 6.3.4 脉冲修正参数的确定
• 6.3.5 脉冲修正点火条件
• 6.4 脉冲修正的影响
• 6.4.1 低转速下脉冲修正的效能
• 6.4.2 脉冲修正对弹丸姿态的影响
• 6.4.3 弹丸飞行稳定性的必要条件
• 6.5 修正系统软件仿真及半实物仿真实验
• 6.5.1 软件仿真
• 6.5.2 半实物仿真实验
• 6.5.3 软件仿真及半实物仿真实验结果分析
• 6.6 本章小结
• 7 结束语及展望
• 7.1 本文所做主要工作
• 7.2 创新点
• 7.3 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附表 A
• 作者在读博期间撰写的相关论文