旋转弹体背景磁场模型和地磁姿态测试方法研究

论文摘要

随着对弹药射击精度要求的不断提高及各种智能弹药的研制,迫切需要掌握弹体飞行的规律。精确测量弹体的飞行姿态参数成了刻不容缓的研究任务。准确测试旋转弹体的飞行姿态数据以提高各种武器性能,对我国国防科技发展有着重要的现实意义。利用地磁场测量来实现弹体的姿态测试具有无源、无辐射、全天时、全天候、能耗低的优良特征,已经成为弹箭姿态信息获取方法的发展趋势。目前所有利用地磁来进行飞行体姿态测量的方法都面临背景磁场的干扰问题,且仅测量地磁场三轴分量无法得到姿态角的全部信息,使得该技术在载体姿态测量中还处于辅助测量的地位。本文对旋转弹体背景磁场的干扰机理和特性进行分析,建立了背景磁场的数学模型,进行了弹上地磁场测量的模型化补偿技术的研究。采用全磁传感器组合,寻求合理的布阵方式及解算方法,设计了基于地磁探测的旋转弹体姿态角测量方案。在此基础上完成了测试系统的软硬件设计,对研制的测量装置进行了半实物仿真实验,验证了所设计方案的有效性。论文具体包括以下内容：(1)在分析背景磁场的组成及其干扰机理的基础上,研究了旋转弹体背景磁场的数学建模,并结合磁传感器自身误差特性,建立了地磁场测量综合补偿模型,提出了弹上地磁测量的模型化补偿方法。(2)设计了补偿模型系数分离求解的方法。对比研究了四种静态模型系数估计算法的优劣性。对动态涡流补偿系数的估计算法进行了优化设计。利用仿真和实验验证了模型系数估计方法的有效性和可靠性。(3)提出了基于三正交比值法的旋转弹体测姿方法,并结合弹上地磁分量测量的模型化补偿技术设计了一种全磁传感器组合的旋转弹体姿态修正方案。该方案适用于旋转弹体的姿态测量,具备全天时、全天候的测量能力。(4)设计了一套以FPGA为主控制微处理器的地磁场测量采集存储系统。该系统采用数据存储、事后回收的模式,同时适用于转台实验和弹载测试。(5)对全磁组合测姿系统半实物装置进行了研制。利用三轴转台进行了半实物验证实验,结果表明姿态解算误差在±1°以内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.1.1 选题的背景
• 1.1.2 选题的意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 惯性导航系统的发展研究概况
• 1.2.2 无陀螺惯性测量系统的发展研究概况
• 1.2.3 基于地磁测量的导航测姿技术发展研究概况
• 1.2.4 载体磁测量补偿技术的发展研究概况
• 1.3 本论文的研究内容与结构
• 2 基于地磁测量的弹体姿态测试原理
• 2.1 引言
• 2.2 姿态测试中的坐标系与姿态矩阵
• 2.2.1 常用坐标系
• 2.2.2 姿态角与姿态矩阵
• 2.3 惯导系统的基本姿态更新算法
• 2.4 地磁场的基本理论
• 2.4.1 地磁场的组成特点和要素
• 2.4.2 地磁场的解析模式
• 2.4.3 地磁差异及应用分析
• 2.5 基于三轴磁传感器的测姿基本方法与数值仿真
• 2.5.1 基于载体三轴地磁分量测量的姿态算法原理
• 2.5.2 基于载体三轴地磁分量测量的姿态算法的数值仿真
• 2.6 本章小结
• 3 弹体背景磁场理论分析与建模
• 3.1 引言
• 3.2 弹体材料特性简介
• 3.3 弹体背景磁场原理分析
• 3.3.1 固定剩余磁场原理
• 3.3.2 磁化感应磁场原理
• 3.3.3 涡流感应磁场原理
• 3.4 磁传感器测量坐标系下的弹体背景磁场建模
• 3.4.1 弹载磁传感器测量坐标系简介
• 3.4.2 地磁、固定、磁化磁场建模
• 3.4.3 涡流磁场建模
• 3.4.4 磁传感器测量坐标系下弹体背景磁场总模型
• 3.4.5 背景干扰磁场原理实验研究
• 3.5 弹上地磁测量综合补偿模型
• 3.5.1 磁传感器输出模型
• 3.5.2 地磁测量综合补偿模型
• 3.5.3 背景磁场引起的姿态角测量误差分析
• 3.5.4 数值仿真
• 3.6 本章小结
• 4 地磁测量补偿模型系数的辨识技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 地磁测量补偿模型系数的特点与分类
• 4.3 静态补偿系数辨识方法研究
• 4.3.1 椭球几何变换拟合法
• 4.3.2 十二位置不对北法
• 4.3.3 基于线性支持向量机SVM的参数估计
• 4.3.4 线性神经网络参数辨识
• 4.3.5 静态补偿参数各种算法的比较
• 4.4 动态涡流补偿系数辨识方法研究
• 4.4.1 不同运动状态下载体地磁三分量变化率分析
• 4.4.2 动态涡流补偿系数的辨识实验设计
• 4.4.3 涡流补偿参数的求解及分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于全磁传感器组合的姿态测试方案设计
• 5.1 引言
• 5.2 基于磁传感器特征比值的姿态角初步估计算法
• 5.2.1 旋转弹体飞行姿态特点简介
• 5.2.2 磁传感器组合布阵方式
• 5.2.3 零交叉法
• 5.2.4 极值比值法
• 5.2.5 三正交比值法
• 5.3 三种特征比值的姿态算法的对比与仿真
• 5.3.1 三种算法的比较
• 5.3.2 数值仿真分析
• 5.4 基于全磁传感器组合与模型化补偿技术的姿态角修正方案
• 5.4.1 基于模型化补偿技术的姿态角修正算法
• 5.4.2 算法数值仿真分析
• 5.5 全磁定姿算法的适用性分析
• 5.5.1 姿态角误差范围分析
• 5.5.2 测量盲区的分析
• 5.6 本章小结
• 6 全磁姿态测量系统的软硬件设计
• 6.1 引言
• 6.2 姿态测量系统的总体方案分析与设计
• 6.3 姿态测量系统的硬件电路设计
• 6.3.1 磁传感器调理电路设计
• 6.3.2 FPGA最小系统电路设计
• 6.3.3 AD转换电路设计
• 6.3.4 数据存储电路设计
• 6.3.5 USB通讯电路设计
• 6.3.6 电源电路设计
• 6.4 姿态测量系统的软件设计
• 6.4.1 数据采集存储程序设计
• 6.4.2 USB通讯程序设计
• 6.5 系统软硬件抗干扰设计
• 6.6 本章小结
• 7 旋转弹体地磁定姿的半实物实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 全磁传感器组合的弹体测姿系统半实物装置的设计
• 7.2.1 半实物装置机械结构的设计
• 7.2.2 PCB电路板结构设计
• 7.2.3 半实物样机测量系统的其他配件
• 7.3 系统半实物装置的硬件电路调试
• 7.3.1 磁传感器硬件电路性能测试
• 7.3.2 数采存储电路性能测试
• 7.4 地磁分量测试信号预处理方法研究
• 7.4.1 小波消噪技术
• 7.4.2 地磁信号小波消噪实验分析
• 7.5 姿态算法转台验证实验及结果分析
• 7.5.1 转台实验系统简介
• 7.5.2 转台实验结果分析
• 7.6 马歇特锤冲击实验
• 7.7 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 创新点归纳
• 8.3 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录