一种制导炮弹滚动角计算方法与流程

本发明涉及滚动角计算，尤其涉及一种制导炮弹滚动角计算方法。

背景技术：

1、传统的炮射弹药通过自由落体去攻击目标，命中率低，弹药消耗量大，且射程较近，作战效费比不高，已经难以适应现代战争的需要。制导炮弹的出现使得炮兵技术的发展产生了革命性的变化。相对于传统的常规弹药，制导炮弹具有打击精确化、作战远程化等众多优点，与导弹攻击方式相比，制导炮弹又具有载弹量大、发射速度快、成本低、用途广泛、使用方式更为灵活等优势。随着武器装备的信息化与精确化，制导炮弹将在未来高技术条件下的战争中发挥非常重要的作用，兵器弹药制导化已成为一个重要的发展趋势。

2、制导炮弹通过弹载制导控制系统实现敌方目标的精确打击，弹体位置、速度、姿态等运动参数的准确获取是弹载控制系统实现精确控制的前提。制导弹药通常在发射后空中通电，位置、速度信息可以通过卫星定位系统获得，航向角和俯仰角也可以通过卫星速度信息计算得到，而滚动角只能通过微惯导系统计算得到。因此，如何利用微惯导系统测量信息准确获得弹体的滚动角，对于提高打击精度具有非常重要意义。

3、传统的微惯导系统滚动角计算方法主要依赖三个轴向加速度计敏感到的重力信息计算获取，由于制导炮弹发射后空中通电，弹体处于失重状态，加速度计测量得到的均为有害加速度，传统方法难以适用。美国霍尼韦尔试验室采用锁相环方法，利用弹体在空中高速旋转时，y轴、z轴陀螺上敏感到的正弦信号，采用锁相环(pll)及相关运算的原理，解调出该信号的相位，实现滚动角的计算。但是，该方法抗扰动能力差，当弹体转速波动较大时，计算精度会明显下降。

技术实现思路

1、本发明提供了一种制导炮弹滚动角计算方法，能够解决现有技术中制导炮弹滚动角的计算精度较低的技术问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种制导炮弹滚动角计算方法，所述方法包括：

3、基于制导炮弹绕质心运动方程组获取滚动角的正弦与余弦表达式；

4、将滚动角的正弦与余弦表达式和制导炮弹的转速作为卡尔曼滤波状态变量，并基于滚动角的正弦与余弦表达式和制导炮弹的转速得到状态转移矩阵，其中，滤波相邻时刻制导炮弹的转速相同；

5、基于卡尔曼滤波状态变量和状态转移矩阵构建卡尔曼滤波状态方程；

6、将微惯导系统三个轴向的陀螺角速率作为卡尔曼滤波观测变量；

7、基于卡尔曼滤波观测变量构建卡尔曼滤波观测方程；

8、基于卡尔曼滤波状态方程和观测方程进行卡尔曼滤波，得到估计后的滚动角。

9、优选的，通过下式获取滚动角的正弦与余弦表达式：

10、

11、式中，γ为微惯导系统的滚动角，为微惯导系统的航向角，θ为微惯导系统的俯仰角，为微惯导系统的y轴陀螺角速率，为微惯导系统的z轴陀螺角速率，t为时间。

12、优选的，通过下式得到卡尔曼滤波状态变量：

13、x(t)＝[p(t) cos(γ(t)) sin(γ(t))]t；

14、式中，x(t)为t时刻的卡尔曼滤波状态变量，p(t)为t时刻制导炮弹的转速，γ(t)为t时刻微惯导系统的滚动角。

15、优选的，通过下式得到状态转移矩阵：

16、

17、其中，p(t+1)＝p(t)；

18、式中，f(t)为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵，δt为t时刻至t+1时刻的时间差，p(t)为t时刻制导炮弹的转速，p(t+1)为t+1时刻制导炮弹的转速。

19、优选的，通过下式构建卡尔曼滤波状态方程：

20、x(t+1)＝f(t)·x(t)+w(t)；

21、式中，x(t+1)为t+1时刻的卡尔曼滤波状态变量，x(t)为t时刻的卡尔曼滤波状态变量，f(t)为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵，w(t)为t时刻系统随机噪声向量。

22、优选的，通过下式得到卡尔曼滤波观测变量：

23、

24、式中，z(t)为t时刻的卡尔曼滤波观测变量，为微惯导系统的x轴陀螺角速率，为微惯导系统的y轴陀螺角速率，为微惯导系统的z轴陀螺角速率。

25、优选的，通过下式构建卡尔曼滤波观测方程：

26、z(t)＝h(t)x(t)+v(t)；

27、其中，

28、式中，z(t)为t时刻的卡尔曼滤波观测变量，h(t)为t时刻的观测矩阵，x(t)为t时刻的卡尔曼滤波状态变量，v(t)为t时刻的观测量噪声，为微惯导系统的航向角，θ为微惯导系统的俯仰角，t为时间。

29、优选的，通过下式得到估计后的滚动角：

30、

31、式中，为估计后的滚动角，分别为卡尔曼滤波估计结果的第二、第三个元素。

32、根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。

33、应用本发明的技术方案，根据制导炮弹外弹道运动特性得到制导炮弹绕质心运动方程组，利用微惯导系统三个轴向的陀螺角速率信息、滚动角和转速，构建合适的观测变量和观测变量，通过卡尔曼滤波实现了制导炮弹失重条件下滚动角的高精度快速计算，对于发射后空中通电的制导炮弹(其弹载控制系统在起控前弹体处于失重状态)，具有非常重要的意义。本发明既适用于制导炮弹高速旋转的情况，也适用于制导炮弹不旋转的情况，且具有对制导炮弹的运动轨迹没有任何约束，不依赖重力信息，便于工程实现的优点。

技术特征：

1.一种制导炮弹滚动角计算方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式获取滚动角的正弦与余弦表达式：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过下式得到卡尔曼滤波状态变量：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式得到状态转移矩阵：

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，通过下式构建卡尔曼滤波状态方程：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式得到卡尔曼滤波观测变量：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式构建卡尔曼滤波观测方程：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式得到估计后的滚动角：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8任一所述方法。

技术总结
本发明提供了一种制导炮弹滚动角计算方法，包括：基于制导炮弹绕质心运动方程组获取滚动角的正弦与余弦表达式；将滚动角的正弦与余弦表达式和制导炮弹的转速作为卡尔曼滤波状态变量，并基于滚动角的正弦与余弦表达式和制导炮弹的转速得到状态转移矩阵，其中，滤波相邻时刻制导炮弹的转速相同；基于卡尔曼滤波状态变量和状态转移矩阵构建卡尔曼滤波状态方程；将微惯导系统三个轴向的陀螺角速率作为卡尔曼滤波观测变量；基于卡尔曼滤波观测变量构建卡尔曼滤波观测方程；基于卡尔曼滤波状态方程和观测方程进行卡尔曼滤波，得到估计后的滚动角。本发明能够解决现有技术中制导炮弹滚动角的计算精度较低的技术问题。

技术研发人员：邓继权,郭玉胜,邹思远,尚克军,闫红松,杨研蒙,王琦,刘冲,周亚男
受保护的技术使用者：北京自动化控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12