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

1 引言
    縱觀國(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)外測(cè)量滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：利用GPS測(cè)量精度高，但是易受?chē)?guó)外技術(shù)封鎖；利用太陽(yáng)方位角遙測(cè)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(cè)量方法產(chǎn)生的初始對(duì)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(cè)精度、抗高過(guò)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(chǎng)為參考進(jìn)行探測(cè)，原理簡(jiǎn)單，可以全天候工作，抗高過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(chǎng)矢量作為彈體滾轉(zhuǎn)測(cè)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(lèi)很多，其中磁阻傳感器(MR)具有抗過(guò)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(cè)量工具。

2 磁傳感器選擇
2．1 磁傳感器
    (1)磁通門(mén)傳感器 磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的一種傳感器，其測(cè)量原理是通過(guò)對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)的磁通進(jìn)行調(diào)制獲得一個(gè)反映被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的交變信號(hào)。磁通門(mén)可以在制造工藝上使其非常敏感，分辨率最低為1μO(píng)e，可以測(cè)量直流或交流磁場(chǎng)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(wèn)世后才真正用于磁場(chǎng)測(cè)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(jiǎn)單，特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)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(cè)量地磁場(chǎng)．但一般都是用于要求不高的場(chǎng)合。
    (3)磁阻傳感器 是利用合金電阻對(duì)某一個(gè)方向磁場(chǎng)敏感的原理制成。采用MR傳感器進(jìn)行探測(cè)有下列優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，高靈敏度，內(nèi)阻抗小，使其對(duì)電磁噪聲和干擾不敏感：無(wú)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(wú)漂移誤差、抗沖擊抗過(guò)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(guò)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?cè)谕环较蛏系拇呕瘡?qiáng)度矢量。迄今為止，GMR效應(yīng)需要工作在高強(qiáng)度的磁場(chǎng)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(chǎng)變化需從10 0e到幾千0e，而靈敏度尚未達(dá)到MR或磁通門(mén)裝置的靈敏度。但正繼續(xù)朝著開(kāi)發(fā)更低磁場(chǎng)的方向發(fā)展。
    綜上所述，該地磁測(cè)量系統(tǒng)中，選用磁阻傳感器作為地磁測(cè)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(duì)某一個(gè)方向磁場(chǎng)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(méi)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(cè)系統(tǒng)微型化，已經(jīng)有逐步取代磁通門(mén)的趨勢(shì)。因此，非常適用于制導(dǎo)火箭彈系統(tǒng)進(jìn)行地磁矢量測(cè)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(guò)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(chǎng)，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(chǎng)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(cè)磁場(chǎng)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(guò)測(cè)量載體空間磁場(chǎng)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(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 主要技術(shù)指標(biāo)
    該測(cè)試系統(tǒng)要求對(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)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(cè)量。測(cè)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(cè)量范圍 0°～360°
    (3)測(cè)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(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    滾轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)Honeywell磁阻傳感器HMCl052、電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)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(cè)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(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大和低通濾波兩部分。由于傳感器的橋壓為5 V，地磁場(chǎng)的典型值為0．5～0．6 Guass，則由傳感器輸出特性曲線(xiàn)可知在磁場(chǎng)范圍為±2 Guass時(shí)輸出電壓信號(hào)為±20 mV，這么微弱的信號(hào)須經(jīng)過(guò)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(cè)量放大器。這里設(shè)計(jì)選用美國(guó)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(hào)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(kāi)銷(xiāo)，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，對(duì)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(guò)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入DSP處理。要求在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成對(duì)信號(hào)的采集和處理，包括以下幾部分：三通道信號(hào)的采集、信號(hào)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(hào)的存儲(chǔ)。對(duì)CPU提出很高的要求，因此必須采用高速度的數(shù)字信號(hào)處理器。考慮后續(xù)對(duì)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(cè)控應(yīng)用的定點(diǎn)DSP器件TMS320VC5416。[!--empirenews.page--]
    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用RS485接口總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)角系統(tǒng)精度分析
4．1 磁阻傳感器自身性能引起的測(cè)角誤差
    參考HMCl052的技術(shù)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算在表l列出了其自身性能引起的測(cè)角誤差。

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

   
4．2 其他器件引起的測(cè)角誤差
    (1)放大器誤差 傳感器的橋壓為5 V，地磁場(chǎng)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(xiàn)可知在磁場(chǎng)范圍為±2Guass時(shí)輸出電壓信號(hào)為±20 mV，這么微弱的信號(hào)須經(jīng)過(guò)放大才能傳給后續(xù)電路。參考AMP04的技術(shù)參數(shù)．按照線(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(xiàn)性誤差。量化誤差=0．030％，線(xiàn)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(duì)測(cè)角輸出有直接影響?？梢詫?duì)此補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)簡(jiǎn)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(guò)50℃的溫度變化，轉(zhuǎn)換為角度誤差小于0．029°。
    通過(guò)上述誤差估算，可以看出傳感器和信號(hào)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(guò)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(cè)角要求。

5 磁測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)
    對(duì)于360°滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的測(cè)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(cè)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(duì)于整個(gè)角度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)．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(jiàn)，角度測(cè)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(xiàn)性方程組的求解。
    說(shuō)明：
    (1)經(jīng)過(guò)公式和實(shí)驗(yàn)可得所設(shè)計(jì)的角度測(cè)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(méi)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(mǎn)足。

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    彈體滾轉(zhuǎn)角測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)測(cè)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(hào)進(jìn)行的，如圖3所示。

    可見(jiàn)，用地磁傳感器的測(cè)量來(lái)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(jiàn)：解算的滾轉(zhuǎn)角圖形線(xiàn)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(guò)程中，要想達(dá)到理想的精度要求，必須對(duì)各種于擾因素予以研究并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。