基于地磁測量的彈體滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    縱觀國內(nèi)外各種不同的制導(dǎo)技術(shù)和彈道修正技術(shù)．最關(guān)鍵的一點(diǎn)總是離不開實(shí)時(shí)獲取與利用精確的彈道參數(shù)．尤其以姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取最為重要。只有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取了有用的彈道參數(shù)，才能正確解算出彈道偏差，進(jìn)而確定修正力系以及修正時(shí)機(jī)，提高彈道修正彈的精度。
    當(dāng)前國內(nèi)外測量滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：利用GPS測量精度高，但是易受國外技術(shù)封鎖；利用太陽方位角遙測法的成本比較高，不可能在現(xiàn)有彈藥的基礎(chǔ)上大量裝備：而利用加速度計(jì)測量方法產(chǎn)生的初始對準(zhǔn)誤差有積累效應(yīng)．目前仍未能有效解決。因此，研制能有效提高彈體滾轉(zhuǎn)姿態(tài)探測精度、抗高過載并能充分利用現(xiàn)有彈藥的方法及組件迫在眉睫。而利用地磁場為參考進(jìn)行探測，原理簡單，可以全天候工作，抗高過載能力強(qiáng)，同時(shí)具有好的頻響，是實(shí)現(xiàn)上述要求的最好途徑之一。
    地磁導(dǎo)航(GNS)具有隱蔽性能好、即開即用、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航長期誤差積累的不足。這里借鑒磁航向系統(tǒng)的研究成果，將地磁場矢量作為彈體滾轉(zhuǎn)測量的基準(zhǔn)矢量，進(jìn)而解算彈體的滾轉(zhuǎn)角。地磁傳感器種類很多，其中磁阻傳感器(MR)具有抗過載能力強(qiáng)、精度高、體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適合作為彈載測量工具。

2 磁傳感器選擇
2．1 磁傳感器
    (1)磁通門傳感器 磁通門磁強(qiáng)計(jì)是測量磁場強(qiáng)度的一種傳感器，其測量原理是通過對被測磁場的磁通進(jìn)行調(diào)制獲得一個(gè)反映被測磁場強(qiáng)度的交變信號。磁通門可以在制造工藝上使其非常敏感，分辨率最低為1μOe，可以測量直流或交流磁場頻率的上限約為10 kHz。它們的尺寸規(guī)格較大，價(jià)格昂貴。
    (2)霍爾效應(yīng)磁傳感器 100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)，由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應(yīng)用，直到半導(dǎo)體問世后才真正用于磁場測量。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，功耗小，價(jià)格便宜，接口電路簡單，特別適用于強(qiáng)磁場的測量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點(diǎn)。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施的霍爾器件也能用于測量地磁場．但一般都是用于要求不高的場合。
    (3)磁阻傳感器 是利用合金電阻對某一個(gè)方向磁場敏感的原理制成。采用MR傳感器進(jìn)行探測有下列優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，高靈敏度，內(nèi)阻抗小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感：無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使其具有高可靠性；部件能方便地裝入插板產(chǎn)品中，而使實(shí)施成本降低；成本低、精度高、響應(yīng)速度快、無漂移誤差、抗沖擊抗過載能力強(qiáng)等。
    (4)巨磁阻效應(yīng)傳感器 巨磁阻效應(yīng)(GMR)是最近才發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，它基于電子通過數(shù)層疊層，非常薄的鐵磁層和非磁性層(25~50埃)之間的界面散射。當(dāng)兩個(gè)相鄰的鐵磁層有反向磁化強(qiáng)度時(shí)，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強(qiáng)度矢量。迄今為止，GMR效應(yīng)需要工作在高強(qiáng)度的磁場并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應(yīng)用于大范圍的傳感器產(chǎn)品中。電阻變化所需的磁場變化需從10 0e到幾千0e，而靈敏度尚未達(dá)到MR或磁通門裝置的靈敏度。但正繼續(xù)朝著開發(fā)更低磁場的方向發(fā)展。
    綜上所述，該地磁測量系統(tǒng)中，選用磁阻傳感器作為地磁測量元件最為合適。
2．2 磁阻傳感器
    磁阻傳感器是利用合金電阻對某一個(gè)方向磁場敏感的原理制成。由于磁阻傳感器本身是固態(tài)，電阻的體積可以做的很小且沒有活動(dòng)部件，功耗也很低，配合選用體積小、功耗低的外圍器件，可以將探測系統(tǒng)微型化，已經(jīng)有逐步取代磁通門的趨勢。因此，非常適用于制導(dǎo)火箭彈系統(tǒng)進(jìn)行地磁矢量測量。各向異性磁阻傳感器是根據(jù)在鐵磁性材料中會(huì)發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象研制的，在硅襯底上制作4個(gè)相同的鐵鎳合金帶形成惠斯通電橋，其具體工作原理如圖1所示。

    用4個(gè)磁控電阻器制成的惠斯通電橋帶有供電電壓Ub，使電流通過電阻器。電阻器是同一結(jié)構(gòu)材料，則4個(gè)電阻器的電阻是相同的，阻值為R。如圖1所示箭頭方向給電阻器施加正交偏置磁場，會(huì)導(dǎo)致電阻器發(fā)生磁化，進(jìn)而發(fā)生阻值的改變。同向放置的兩個(gè)電阻器阻值增加△R，另兩個(gè)與其相反放置的電阻器阻值減小△R。電橋輸出為：

   
    在外磁場的作用下，內(nèi)部磁阻的變化引起輸出管腳0UT+，0UT一兩端電壓的變化，其電壓的幅值表示所測磁場的強(qiáng)度。如果將三維磁阻傳感器按照載體三維坐標(biāo)系安裝，通過測量載體空間磁場的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度，按照一定的算法就可以計(jì)算出載體在空間的姿態(tài)信息。

3 捷聯(lián)式MR測角系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 主要技術(shù)指標(biāo)
    該測試系統(tǒng)要求對旋轉(zhuǎn)軸對稱彈丸的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測量。測角系統(tǒng)所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
    (1)滾轉(zhuǎn)角速率 0～30 r／s
    (2)測量范圍 0°～360°
    (3)測量精度 l°
    (4)響應(yīng)時(shí)間40μs
    (5)溫度范圍 一40℃～85℃
    (6)電源 ±15 V．0．5 A
3．2 磁信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)由兩個(gè)Honeywell磁阻傳感器HMCl052、電源轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、微控制器電路、S／R校準(zhǔn)電路等組成，如圖2所示。

    電源轉(zhuǎn)換電路給磁阻傳感器和測量系統(tǒng)工作提供必須的直流穩(wěn)定電壓，選用AD680作為基準(zhǔn)電源。
    信號調(diào)理電路包括信號放大和低通濾波兩部分。由于傳感器的橋壓為5 V，地磁場的典型值為0．5～0．6 Guass，則由傳感器輸出特性曲線可知在磁場范圍為±2 Guass時(shí)輸出電壓信號為±20 mV，這么微弱的信號須經(jīng)過放大才能傳給后續(xù)電路。故需要采用高精度運(yùn)算放大器或測量放大器。這里設(shè)計(jì)選用美國模擬器件公司的儀表放大器AMP04，并由AD680提供給放大器2．5 V的基準(zhǔn)電壓。
    直接輸出的信號含有大量的干擾“毛刺”，若采用大量的軟件濾波會(huì)增加系統(tǒng)的開銷，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，對傳感器輸出低通濾波后，才進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這里選用MAX291，它是一個(gè)8階低通Butterworth型濾波器。
    模擬濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入DSP處理。要求在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成對信號的采集和處理，包括以下幾部分：三通道信號的采集、信號的數(shù)字濾波、誤差的自動(dòng)補(bǔ)償、滾轉(zhuǎn)角的解算以及信號的存儲(chǔ)。對CPU提出很高的要求，因此必須采用高速度的數(shù)字信號處理器?？紤]后續(xù)對脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制的方便性，同時(shí)考慮系統(tǒng)的算法和精度要求，設(shè)計(jì)選用最佳測控應(yīng)用的定點(diǎn)DSP器件TMS320VC5416。
    實(shí)驗(yàn)過程中采用RS485接口總線實(shí)現(xiàn)測試的監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)共享、顯示數(shù)據(jù)，提供操作的軟面板。

4 磁測角系統(tǒng)精度分析
4．1 磁阻傳感器自身性能引起的測角誤差
    參考HMCl052的技術(shù)參數(shù)，通過計(jì)算在表l列出了其自身性能引起的測角誤差。

    表1由參考文獻(xiàn)按照線性關(guān)系計(jì)算得出。
    由表1可見．若傳感器總誤差控制在0．5 mgauss以下．那么總測角誤差不會(huì)超過0．051°。即

   
4．2 其他器件引起的測角誤差
    (1)放大器誤差 傳感器的橋壓為5 V，地磁場的典型值為0．5~0．6 Guass(1 G=10-4T)，則由傳感器輸出特性曲線可知在磁場范圍為±2Guass時(shí)輸出電壓信號為±20 mV，這么微弱的信號須經(jīng)過放大才能傳給后續(xù)電路。參考AMP04的技術(shù)參數(shù)．按照線性關(guān)系計(jì)算，綜合溫度變化引起的誤差和輸出產(chǎn)生的線性度誤差，得到該放大器的誤差小于0．022°。
    (2)A／D轉(zhuǎn)換的分辨率 若要求測角誤差小于0．1°，則應(yīng)選擇最小12位的A／D轉(zhuǎn)換器。選用了ADI公司的14位A／D轉(zhuǎn)換器AD7865，它的主要誤差是量化誤差和線性誤差。量化誤差=0．030％，線性誤差=0．012％(FSR)，那么轉(zhuǎn)換為角度誤差為0．024°。
    (3)溫度變化引起的誤差 磁傳感器的溫度漂移是不匹配的，會(huì)對測角輸出有直接影響?？梢詫Υ搜a(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)簡單方法是用Set／Reset，可以消除溫漂、整流偏移電壓、運(yùn)放偏移電壓以及運(yùn)放的溫度漂移。使用此方法，可使磁讀數(shù)受溫度的影響控制在小于0．01％，即超過50℃的溫度變化，轉(zhuǎn)換為角度誤差小于0．029°。
    通過上述誤差估算，可以看出傳感器和信號的放大電路部分仍然是影響系統(tǒng)精度的最關(guān)鍵部分。以上分析的各部分誤差經(jīng)過計(jì)算，得到綜合誤差為0．067°。一般要求器件的誤差要優(yōu)于系統(tǒng)給定性能指標(biāo)的10倍。則上述該誤差的10倍為0．67°，且小于精度是l°的測角要求。

5 磁測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)
    對于360°滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的測量．實(shí)時(shí)性非常重要．它直接影響到彈道修正的效果。當(dāng)彈體的滾轉(zhuǎn)速率為30 r／s時(shí)，如果測量精度要達(dá)到1°．那么每度的響應(yīng)時(shí)間可由下式給出：

   
    對于整個(gè)角度測量系統(tǒng)來說．響應(yīng)時(shí)間的分配是至關(guān)重要的。設(shè)雙軸磁阻傳感器的響應(yīng)時(shí)間為ts，A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為tad，RS485通信輸出時(shí)間為t485，解算算法時(shí)間為tds，則系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為：

   
    由上式可見，角度測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)主要就是上述各量的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)．其中只有解算算法時(shí)間需要軟件實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，其他則需要硬件實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。角度解算的關(guān)鍵在于非線性方程組的求解。
    說明：
    (1)經(jīng)過公式和實(shí)驗(yàn)可得所設(shè)計(jì)的角度測量裝置的響應(yīng)時(shí)間小于40μs，遠(yuǎn)小于92．6μs的系統(tǒng)要求；
    (2)92．6μs的系統(tǒng)時(shí)間要求是建立在彈體滾轉(zhuǎn)速度為30 r／s的條件下的．而現(xiàn)實(shí)中GPS制導(dǎo)彈藥還沒有達(dá)到這個(gè)轉(zhuǎn)速。
    綜上兩點(diǎn)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性完全可以滿足。

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    彈體滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)解算研究是以當(dāng)?shù)氐卮攀噶繛榛鶞?zhǔn)進(jìn)行的，在測量實(shí)驗(yàn)時(shí)三軸高精度轉(zhuǎn)臺(tái)輸入的數(shù)據(jù)是10 r／s，系統(tǒng)采樣時(shí)間是0．1 ms。轉(zhuǎn)臺(tái)外框和中框保持不動(dòng)，對應(yīng)于彈體運(yùn)動(dòng)時(shí)俯仰角和偏航角保持不變的狀態(tài)。對測角系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，采用中值濾波聯(lián)合小波強(qiáng)制濾波的去噪方法，滾轉(zhuǎn)解算是依據(jù)濾波后的平滑信號進(jìn)行的，如圖3所示。

    可見，用地磁傳感器的測量來解算彈體的滾轉(zhuǎn)角是可行的，能夠很好的反映彈體的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。由圖3可見：解算的滾轉(zhuǎn)角圖形線性度較差，有較大的波動(dòng)，尤其在起始段。由于起始段干擾影響嚴(yán)重，尤其是實(shí)驗(yàn)中電機(jī)起動(dòng)時(shí)影響最大。故在實(shí)際彈上應(yīng)用過程中，要想達(dá)到理想的精度要求，必須對各種于擾因素予以研究并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。