基于地磁測量的彈體滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設計

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(zhuǎn)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(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，會對測角輸出有直接影響。可以對此補償?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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)解算研究是以當?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/地磁">地磁矢量為基準進行的，在測量實驗時三軸高精度轉(zhuǎn)臺輸入的數(shù)據(jù)是10 r／s，系統(tǒng)采樣時間是0．1 ms。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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，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。