基于地磁測量的彈體滾轉角測量系統(tǒng)設計

1 引言
    縱觀國內外各種不同的制導技術和彈道修正技術．最關鍵的一點總是離不開實時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。只有實時準確地獲取了有用的彈道參數(shù)，才能正確解算出彈道偏差，進而確定修正力系以及修正時機，提高彈道修正彈的精度。
    當前國內外測量滾轉姿態(tài)的方法各有優(yōu)缺點：利用GPS測量精度高，但是易受國外技術封鎖；利用太陽方位角遙測法的成本比較高，不可能在現(xiàn)有彈藥的基礎上大量裝備：而利用加速度計測量方法產(chǎn)生的初始對準誤差有積累效應．目前仍未能有效解決。因此，研制能有效提高彈體滾轉姿態(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行探測，原理簡單，可以全天候工作，抗高過載能力強，同時具有好的頻響，是實現(xiàn)上述要求的最好途徑之一。
    地磁導航(GNS)具有隱蔽性能好、即開即用、誤差不隨時間積累等特點，可以彌補慣性導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測量的基準矢量，進而解算彈體的滾轉角。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、精度高、體積小、重量輕、價格便宜等優(yōu)點，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 磁通門磁強計是測量磁場強度的一種傳感器，其測量原理是通過對被測磁場的磁通進行調制獲得一個反映被測磁場強度的交變信號。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，價格昂貴。
    (2)霍爾效應磁傳感器 100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應，由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應用，直到半導體問世后才真正用于磁場測量。其優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強磁場的測量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點。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方向磁場敏感的原理制成。采用MR傳感器進行探測有下列優(yōu)點：尺寸小，高靈敏度，內阻抗小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感：無轉動部件，使其具有高可靠性；部件能方便地裝入插板產(chǎn)品中，而使實施成本降低；成本低、精度高、響應速度快、無漂移誤差、抗沖擊抗過載能力強等。
    (4)巨磁阻效應傳感器 巨磁阻效應(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。當兩個相鄰的鐵磁層有反向磁化強度時，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強度矢量。迄今為止，GMR效應需要工作在高強度的磁場并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應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，非常適用于制導火箭彈系統(tǒng)進行地磁矢量測量。各向異性磁阻傳感器是根據(jù)在鐵磁性材料中會發(fā)生磁阻的非均質現(xiàn)象研制的，在硅襯底上制作4個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。電阻器是同一結構材料，則4個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，會導致電阻器發(fā)生磁化，進而發(fā)生阻值的改變。同向放置的兩個電阻器阻值增加△R，另兩個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度。如果將三維磁阻傳感器按照載體三維坐標系安裝，通過測量載體空間磁場的三維磁感應強度，按照一定的算法就可以計算出載體在空間的姿態(tài)信息。

3 捷聯(lián)式MR測角系統(tǒng)設計
3．1 主要技術指標
    該測試系統(tǒng)要求對旋轉軸對稱彈丸的滾轉姿態(tài)參數(shù)實現(xiàn)實時準確的測量。測角系統(tǒng)所要達到的技術指標要求如下：
    (1)滾轉角速率 0～30 r／s
    (2)測量范圍 0°～360°
    (3)測量精度 l°
    (4)響應時間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)設計
    滾轉角測量系統(tǒng)由兩個Honeywell磁阻傳感器HMCl052、電源轉換電路、信號調理電路、微控制器電路、S／R校準電路等組成，如圖2所示。

    電源轉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作為基準電源。
    信號調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算放大器或測量放大器。這里設計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增加系統(tǒng)的開銷，降低系統(tǒng)的實時性。因此，對傳感器輸出低通濾波后，才進行數(shù)據(jù)采集。這里選用MAX291，它是一個8階低通Butterworth型濾波器。
    模擬濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)過A／D轉換為數(shù)字信號送入DSP處理。要求在規(guī)定的時間間隔內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、誤差的自動補償、滾轉角的解算以及信號的存儲。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)動機實時控制的方便性，同時考慮系統(tǒng)的算法和精度要求，設計選用最佳測控應用的定點DSP器件TMS320VC5416。
    實驗過程中采用RS485接口總線實現(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的技術參數(shù)，通過計算在表l列出了其自身性能引起的測角誤差。

    表1由參考文獻按照線性關系計算得出。
    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的技術參數(shù)．按照線性關系計算，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轉換的分辨率 若要求測角誤差小于0．1°，則應選擇最小12位的A／D轉換器。選用了ADI公司的14位A／D轉換器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，會對測角輸出有直接影響?？梢詫Υ搜a償?shù)囊粋€簡單方法是用Set／Reset，可以消除溫漂、整流偏移電壓、運放偏移電壓以及運放的溫度漂移。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)精度的最關鍵部分。以上分析的各部分誤差經(jīng)過計算，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)的實時性設計
    對于360°滾轉姿態(tài)的測量．實時性非常重要．它直接影響到彈道修正的效果。當彈體的滾轉速率為30 r／s時，如果測量精度要達到1°．那么每度的響應時間可由下式給出：

   
    對于整個角度測量系統(tǒng)來說．響應時間的分配是至關重要的。設雙軸磁阻傳感器的響應時間為ts，A／D轉換時間為tad，RS485通信輸出時間為t485，解算算法時間為tds，則系統(tǒng)響應時間為：

   
    由上式可見，角度測量系統(tǒng)的實時性設計主要就是上述各量的實時性設計．其中只有解算算法時間需要軟件實時性設計，其他則需要硬件實時性設計。角度解算的關鍵在于非線性方程組的求解。
    說明：
    (1)經(jīng)過公式和實驗可得所設計的角度測量裝置的響應時間小于40μs，遠小于92．6μs的系統(tǒng)要求；
    (2)92．6μs的系統(tǒng)時間要求是建立在彈體滾轉速度為30 r／s的條件下的．而現(xiàn)實中GPS制導彈藥還沒有達到這個轉速。
    綜上兩點，系統(tǒng)的實時性完全可以滿足。

6 實驗數(shù)據(jù)分析
    彈體滾轉角測量系統(tǒng)的滾轉解算研究是以當?shù)氐卮攀噶繛榛鶞蔬M行的，在測量實驗時三軸高精度轉臺輸入的數(shù)據(jù)是10 r／s，系統(tǒng)采樣時間是0．1 ms。轉臺外框和中框保持不動，對應于彈體運動時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)合小波強制濾波的去噪方法，滾轉解算是依據(jù)濾波后的平滑信號進行的，如圖3所示。

    可見，用地磁傳感器的測量來解算彈體的滾轉角是可行的，能夠很好的反映彈體的滾轉姿態(tài)。由圖3可見：解算的滾轉角圖形線性度較差，有較大的波動，尤其在起始段。由于起始段干擾影響嚴重，尤其是實驗中電機起動時影響最大。故在實際彈上應用過程中，要想達到理想的精度要求，必須對各種于擾因素予以研究并進行誤差補償。