所属栏目：通信论文范文发布时间：2026-02-11浏览量:507
摘要：针对基于弹丸滚转地磁感应的定距空炸引信，当飞行穿越地磁感应盲区时，产生弹丸滚转信息漏检和计转数误差，从而造成较大定距偏差的问题，提出了一种基于弹丸滚转衰减自适应滑窗检测的盲区识别与转数补偿方法。根据建立的四自由度弹道方程、射击诸元，以及弹丸滚转衰减变化，确定地磁盲区转速辨识阈值和自适应滑窗时间;通过实时检测滑窗内计转数变化，识别盲区以及计算补偿盲区转数。以典型小口径防空弹药为例，通过定距空炸引信模拟弹道环境下地磁感应检测电路的感应信号仿真，验证了该方法的有效性，补偿前后计转数相对误差平均降低了40.54%。
关键词：地磁场;地磁感应盲区;自适应滑窗;定距空炸引信
论文《定距引信地磁感应盲区的自适应辨识与转数补偿》发表在《探测与控制学报》，版权归《探测与控制学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
引言
定距引信主要用于直射武器对于遮蔽物后方有生力量以及末端防空目标的高效能毁伤，是近年来世界各国大力发展的一种先进机电引信，如美国ATK公司的"大蟒蛇"、德国莱茵金属公司的空爆弹药(ABM)、瑞士厄利空公司的AHEAD弹药等。
定距空炸引信定距测量与控制的主要技术路线可分为可编程电子时间和弹丸滚转地磁感应计转两种。前者是根据雷达测量的弹目距离、弹丸的初速与衰减规律，为引信装定时间，到达预定时间时，控制弹丸起爆，缺点是受弹丸初速的跳动以及空气阻力的变化等多种因素影响，带来较大的定距误差;后者是根据线膛炮发射弹丸高速旋转运动与线运动存在一定比例关系的特点，通过引信中安装的磁感应传感器测量弹丸的滚转，实现弹丸的定距起爆控制。美国ATK公司研究了30 mm定距空炸弹药不同射程下两种定距原理的误差情况，提出了电子时间与地磁感应混合定距算法，是提高定距空炸精度的技术路线。因此，弹丸滚转地磁感应检测与精确计转是定距空炸的关键技术。
基于弹丸滚转地磁感应计转的原理是利用弹丸在空中旋转飞行，其内置磁感应传感器在弹丸高速旋转带动下，在地磁场矢量的影响下，产生与弹丸旋转同步的电磁感应信号。由于地磁场是一个相对稳定的静磁矢量场，当定距空炸引信内置的磁感应传感器敏感轴与该点的磁矢量夹角大于一定角度，即磁感应强度大于磁感应传感器的检测灵敏度时，可以检测到弹丸的滚转变化。当磁感应传感器的敏感轴与该空间点地磁矢量平行或夹角小于某角度时，地磁感应检测信号不能辨识出弹丸滚转变化，这种现象称为地磁感应盲区。地磁感应盲区的产生会使弹丸滚转漏检从而影响定距空炸精度，是基于弹丸滚转地磁感应计转实现定距空炸中不可忽视的问题。
现有对定距空炸引信地磁感应盲区处理方法主要有以下几种：
1) 使用组合测试的方式，比如地磁传感器和角速度传感器/GPS/光纤陀螺仪等，用于盲区情况下出现滚转姿态解算不准确时进行替代。
2) 采用周期补偿方法，该方法的基本思想是用定时器对传感器信号的周期进行检测来判断盲区并进行修正。
3) 使用相对于彼此以及相对于弹丸的纵轴以一定角度放置的两个地磁传感器。
4) 通过调整发射方案及弹道修正方案来避免。
以上方法均难以满足小口径弹药的小体积、高过载、低成本等限制，也不能解决连续穿越感应磁感应盲区带来较大误差的问题。本文提出一种定距引信地磁感应盲区分析与自适应检测补偿方法，经过仿真分析和验证，能够解决地磁感应盲区产生的"丢转"问题。
1 背景
1.1 地磁场
地磁场是地球周围空间分布的磁场，地球上任意一点的地磁信息可由地磁矢量F描述，通常是以地磁北极作为参考点，采用磁北、磁东和垂直于地球表面的地方向进行定义表示，即采用东/北/地坐标系。
地球上任意一点地磁场性质的描述可由以下7个参数表示：磁感应强度、磁倾角、磁偏角、东向分量、北向分量、垂直分量、水平分量，表达式为：
$$left{egin{array}{l} X=H cos D \ Y=H sin D \ Z=F an I \ X^{2}+Y^{2}=H^{2} \ X^{2}+Y^{2}+Z^{2}=F^{2} \ F=H sec I=Z csc I end{array} ight.$$
式中：F为地磁场的总场强度;X、Y和Z分别称为地磁场的北分量(x分量)、东分量(y分量)和垂直分量(z分量);H为地磁场的水平分量，是F在xOy平面上的投影，也就是X、Y的合矢量;D为磁偏角，以东偏为正;I为磁倾角，下倾为正。
1.2 地磁感应定距原理
根据弹道学理论，线膛炮发射的弹丸在膛内发射药推力和膛线旋转挤压的复合作用下，进行滚转和线性加速，出炮口后，弹丸转数与射击方向上前进距离存在一个关联关系。通过建立弹丸的外弹道方程和环境影响关系，可实现弹丸滚转转数与前进距离的解算。作战运用中，根据侦察测量的弹目距离，确定火炮的射角、射向。在弹药发射前，将解算的弹目距离对应的弹丸转数装定给引信。弹药发射后，由于弹丸的高速滚转，引信中的地磁传感器和检测控制电路进行计转数，从而控制弹丸实现定距空炸。
弹丸飞行过程中，当弹轴(地磁传感器敏感轴)方向与地磁感线重合或夹角过小时，弹丸滚转无法切割地磁感线，地磁传感器无法产生感应电动势或感应电动势过小，进而发生"丢转"，导致定距误差，这种现象称为此类引信的地磁感应盲区。实际的地磁感应盲区是以弹轴为滚转轴的一个锥角。
2 盲区自适应辨识与补偿方法
2.1 盲区分析与仿真
2.1.1 地磁感应检测原理
根据法拉第电磁感应定律可知，闭合线圈中磁通量的变化，会产生感应电动势。定距空炸引信中的地磁感应传感器，在飞行弹丸高速旋转带动下，持续不断地切割地磁感线，而产生连续正弦波形式的感应电流，产生的感应电动势公式为：
$$E=n frac{d Phi}{d t}=n × S × mu × F × omega × sin omega t × sin alpha$$
式中：n为磁感应传感器线圈匝数，S为线圈截面积，μ为线圈芯子磁导率，F为磁场强度，ω为弹丸滚转角速度，α为弹轴与地磁矢量的夹角。
弹丸滚转地磁感应信号检测与计转数原理主要包括地磁感应传感器、低通信号放大器、比较整形电路和用于脉冲计数的微处理器等。
以典型小口径弹药为例，若弹丸飞行中的转速率为1000r/s，磁感应传感器表头的检测灵敏度为2V/T，本地地磁场合矢量强度为50μT，放大后信号幅值数量级为$10^{-1} mathrm{V}$，则电路的放大倍数可设为1000倍左右。
2.1.2 地磁感应检测电路信号仿真
根据定距空炸引信弹丸滚转测量定距原理，可在弹丸四自由度弹道方程基础上，加入了弹丸绕弹轴转动衰减的计算，公式如下：
$$egin{aligned} & frac{d x}{d t}=v_{x} \ & frac{d y}{d t}=v_{y} \ & frac{d z}{d t}=v_{z} \ & frac{d v_{x}}{d t}=-frac{S ho v v_{x}}{2 m} C_{x 0} \ & frac{d v_{y}}{d t}=-frac{S ho v v_{y}}{2 m} C_{x 0}-g \ & frac{d v_{z}}{d t}=-frac{S ho v v_{z}}{2 m} C_{x 0} \ & frac{d omega}{d t}=-frac{S ho l d}{2 C} m'_{x z} omega \ & frac{d gamma}{d t}=omega end{aligned}$$
式中：x、y、z分别为弹丸在飞行过程中的横向坐标、垂向坐标和纵向坐标，$v_{x}$、$v_{y}$、$v_{z}$分别为弹丸的横向速度、垂向速度和纵向速度，v为合成速度大小，S为弹丸的横截面积，m为弹丸质量，ρ为空气密度，$C_{x 0}$为弹丸的阻力系数，和弹丸的速度(马赫数)有关，g为重力加速度，ω为弹丸的滚转角速度，$m'_{x z}$为弹丸的极阻尼力矩系数的导数，γ为弹丸的滚转角。
依照四自由度弹道方程编写求解算法，通过输入弹丸、气象、射击等参数，解算弹的空间坐标、速度及转速。以某地地磁场为参考，定距距离设为1500m，当射角接近地磁矢量的磁倾角，对地磁感应检测电路进行仿真，可观察到当飞行穿越地磁感应盲区时，地磁感应检测信号幅值很低或为零，比较放大后的脉冲信号会出现弹丸滚转信息漏检和计数误差的现象。根据仿真和试验数据，通过对传感器表头的检测灵敏度、检测电路的放大倍数和电压比较器阈值这三个参数来合理设置，可以进一步减小盲区的带来的计转误差影响。
2.2 盲区自适应辨识补偿方法
2.2.1 基于自适应窗长的盲区辨识
盲区辨识的基本原理是通过检测时间窗内的转数变化判断是否进出盲区，转数的计算方法采用计上升沿的个数实现。
根据四自由度弹道方程及实际弹丸的飞行存储测试，可得到优化后的弹丸在不同距离上转速衰减的规律，假设弹丸飞行的距离为l，弹丸出炮口时的滚转周期为$T_{1}$，炸点处(L)的滚转周期为$T_{2}$，时间窗内的预设转数为N，为辨识出最短时间窗内弹丸穿越磁感应盲区导致的滚转异常变化，综合弹载微处理器的时间处理精度和超低功耗设计要求，采用计转数检测方法，滑动时间窗内滚转数不大于1转的辨识策略和算法，滑动时间窗长可设为：
$$T_{slide }=left(N × T_{2}+(N+1) × T_{1} ight) / 2$$
这种自适应确定窗长的方式可以解决由于转速衰减导致在非盲区情况下窗内转数小于预设转数N的问题。根据滑动时间窗内检测到的转数，分为两种情况：窗内转数等于预设转数，记为状态"0"(正常);窗内转数小于预设转数，记为状态"1"(丢转)。通过判断上一窗内的状态和本窗的状态来进行盲区的判断：如果上一窗为0，本窗为1，说明进入了盲区;如果上一窗为1，本窗为0，则说明离开了盲区。
2.2.2 基于盲区持续时间的补偿方法
采用上述基于自适应窗长的盲区辨识方法来判断盲区，当弹丸开始进入盲区时，窗内最后一个下降沿出现的位置记为盲区开始的时刻$t_{1}$;当弹丸离开盲区时，窗内第一个上升沿出现的位置记为盲区结束的时刻$t_{2}$，以此来计算盲区的持续时间。通过进入盲区前测得的转速数据，进行转速衰减规律辨识，可用滚转角速率随时间变化的二次多项式表示，补偿转数的计算公式为：
$$N_{comp }=int_{t_{1}}^{t_{2}} omega(t) cdot d t$$
3 仿真与验证
根据选定地点的地磁信息，为模拟验证弹丸穿越地磁感应盲区时算法能够对盲区进行辨识与补偿，选择了三条弹道与地磁矢量接近情况进行地磁感应计转数的定距仿真，通过外弹道方程计算的弹丸转数和地磁传感器检测电路的计转数(补偿前后)进行对比，验证盲区自适应辨识与补偿方法的准确性。
以北京地区为例，根据国际地磁场标准模型IGRF查询可得地磁信息：纬度39.54°、经度116.23°、磁偏角-7.433°、磁倾角58.875°、总场强54736nT。
三条弹道的射角分别为59.5°、60°、61°，射向为-7.433°，定距距离为1500、2000、2500 m，经弹道与地磁感应检测信号的模拟仿真，可得盲区转数补偿结果及误差相关数据，当弹丸经历地磁感应盲区时，会出现计转数丢转现象，并且弹道倾角越接近本地磁倾角，在地磁感应盲区产生的计转数误差越大。感应盲区辨识与转数补偿算法，可将转数误差控制在1转以内，有效减小了地磁感应盲区带来的计转数误差，补偿前后计转数相对误差平均降低了40.54%。
4 结论
本文提出自适应滑窗盲区辨识与转数补偿算法，该方法通过实时检测滑窗内计转数变化，识别盲区以及补偿盲区转数。模拟仿真与验证结果表明，当弹载磁感应传感器的敏感轴与该点地磁矢量方向平行或夹角小于一定角度时，由于磁感应检测信号较弱，出现弹丸滚转漏检测现象，从而影响了定距的精确性。
本文算法可以准确地辨识弹丸穿越磁感应盲区的过程、持续时间和补偿漏检的转数，有效解决了断续和连续穿越盲区转数漏检的问题，为定距空炸引信地磁感应盲区的处理提供了新的有效方法，适用于小口径弹药小体积、高过载、低成本的应用要求。
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