基于地磁測量的彈體滾轉角測量系統設計

4 磁測角系統精度分析
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，通過(guò)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(xiàn)性關(guān)系計算得出。
由表1可見(jiàn)．若傳感器總誤差控制在0．5 mgauss以下．那么總測角誤差不會(huì )超過(guò)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(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)輸出電壓信號為±20 mV，這么微弱的信號須經(jīng)過(guò)放大才能傳給后續電路。參考AMP04的技術(shù)參數．按照線(xiàn)性關(guān)系計算，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(xiàn)性誤差。量化誤差=0．030％，線(xiàn)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(huì )對測角輸出有直接影響?？梢詫Υ搜a償的一個(gè)簡(jiǎn)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，可使磁讀數受溫度的影響控制在小于0．01％，即超過(guò)50℃的溫度變化，轉換為角度誤差小于0．029°。
通過(guò)上述誤差估算，可以看出傳感器和信號的放大電路部分仍然是影響系統精度的最關(guān)鍵部分。以上分析的各部分誤差經(jīng)過(guò)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 磁測量系統的實(shí)時(shí)性設計
對于360°滾轉姿態(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。當彈體的滾轉速率為30 r／s時(shí)，如果測量精度要達到1°．那么每度的響應時(shí)間可由下式給出：

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

由上式可見(jiàn)，角度測量系統的實(shí)時(shí)性設計主要就是上述各量的實(shí)時(shí)性設計．其中只有解算算法時(shí)間需要軟件實(shí)時(shí)性設計，其他則需要硬件實(shí)時(shí)性設計。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)驗可得所設計的角度測量裝置的響應時(shí)間小于40μs，遠小于92．6μs的系統要求；
(2)92．6μs的系統時(shí)間要求是建立在彈體滾轉速度為30 r／s的條件下的．而現實(shí)中GPS制導彈藥還沒(méi)有達到這個(gè)轉速。
綜上兩點(diǎn)，系統的實(shí)時(shí)性完全可以滿(mǎn)足。

6 實(shí)驗數據分析
彈體滾轉角測量系統的滾轉解算研究是以當地地磁矢量為基準進(jìn)行的，在測量實(shí)驗時(shí)三軸高精度轉臺輸入的數據是10 r／s，系統采樣時(shí)間是0．1 ms。轉臺外框和中框保持不動(dòng)，對應于彈體運動(dòng)時(shí)俯仰角和偏航角保持不變的狀態(tài)。對測角系統輸出的數據，采用中值濾波聯(lián)合小波強制濾波的去噪方法，滾轉解算是依據濾波后的平滑信號進(jìn)行的，如圖3所示。

可見(jiàn)，用地磁傳感器的測量來(lái)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(jiàn)：解算的滾轉角圖形線(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重，尤其是實(shí)驗中電機起動(dòng)時(shí)影響最大。故在實(shí)際彈上應用過(guò)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(jìn)行誤差補償。