神经网络校准的磁强计与卫星组合测姿方法_闫小龙.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T RON I CME A S U R EME N TT E CHNO L O G Y第4 5卷 第2 3期2 0 2 2年1 2月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 0 9 5 9 2神经网络校准的磁强计与卫星组合测姿方法*闫小龙1,2 于天朋2 郑娜娜3 王志刚2 兰开颜2(1.中北大学 太原 0 3 0 0 5 1;2.淮海工业集团 长治 0 4 6 0 0 0;3.陆军装备部驻北京地区长治军事代表局 长治 0 4 6 0 0 0)摘 要:弹药的滚转姿态准确测量是精确制导的前提,在常见的卫星导航与磁强计组合测姿方案中,弹药的大范围机动会带来较大的测角误差。为了解决上述问题,提出一种基于B P神经网络校准的磁强计与卫星导航组合测姿方案,针对同一弹型利用控制指令、弹道速度、历史姿态角等参数对弹体的侧滑角信息进行实时估计,为卫星导航系统解算的弹体偏角进行在线校准,最终经过融合磁强计测量信息对弹体滚转姿态进行测量,并通过拟合滤波方案为弹道的实时控制提供准确的滚转姿态估计。数值仿真验证结果表明,对于同一型弹药系统而言利用经过训练的B P神经网络估计出弹体的侧滑角信息误差在满量程的5%以内,结合卫星定位导航系统与磁强计经过拟合滤波得到的滚转姿态角精度在1 以内,较大的提高了弹药在机动过程中的滚转角测量精度。关键词:弹体滚转姿态;神经网络;卫星定位导航系统;磁强计中图分类号:T G 7 6 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:4 6 0.4C a l i b r a t i o n o f m i s s i l e-b o r n e m a g n e t o m e t e r b a s e d o n e n e r g y e v a l u a t i o n Y a n X i a o l o n g1,2 Y u T i a n p e n g2 Z h e n g N a n a3 W a n g Z h i g a n g2 L a n K a i y a n2(1.N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n 0 3 0 0 5 1,C h i n a;2.H u a i h a i i n d u s t r i a l G r o u p C o.,L t d.,C h a n g z h i 0 4 6 0 0 0,C h i n a;3.M i l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e O f f i c e o f t h e A r m y E q u i p m e n t D e p a r t m e n t i n B e i j i n g C h a n g z h i,C h a n g z h i 0 4 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f t h e r o l l i n g a t t i t u d e o f t h e a mm u n i t i o n i s t h e p r e m i s e o f p r e c i s e g u i d a n c e.I n t h e c o mm o n a t t i t u d e m e a s u r e m e n t s c h e m e s t h a t c o m b i n i n g s a t e l l i t e n a v i g a t i o n a n d m a g n e t o m e t e r,l a r g e-s c a l e m a n e u v e r i n g o f t h e a mm u n i t i o n c a n c a u s e t h e l a r g e a n g l e m e a s u r e m e n t e r r o r.I n o r d e r t o s o l v e t h e a b o v e p r o b l e m s,a n e w c o m b i n e d a t t i t u d e m e a s u r e m e n t s c h e m e o f m a g n e t o m e t e r a n d s a t e l l i t e n a v i g a t i o n b a s e d o n B P n e u r a l n e t w o r k c a l i b r a t i o n i s p r o p o s e d.F o r t h e s a m e t y p e o f m i s s i l e,t h e c o n t r o l c o mm a n d,b a l l i s t i c s p e e d,h i s t o r i c a l a t t i t u d e a n g l e a n d o t h e r p a r a m e t e r s a r e u s e d t o e s t i m a t e t h e s i d e s l i p a n g l e i n f o r m a t i o n o f t h e m i s s i l e b o d y i n r e a l t i m e.S i m u l t a n e o u s l y,t h e d e c l i n a t i o n a n g l e o f t h e m i s s i l e b o d y c a l c u l a t e d b y t h e s a t e l l i t e n a v i g a t i o n s y s t e m i s c a l i b r a t e d o n l i n e.F i n a l l y,t h e r o l l i n g a t t i t u d e o f t h e p r o j e c t i l e i s m e a s u r e d b y f u s i n g t h e m e a s u r e m e n t i n f o r m a t i o n o f t h e m a g n e t o m e t e r,a n d t h e a c c u r a t e r o l l i n g a t t i t u d e e s t i m a t i o n i s p r o v i d e d t h r o u g h t h e f i t t i n g a n d f i l t e r i n g s c h e m e f o r t h e r e a l-t i m e c o n t r o l o f t h e b a l l i s t i c t r a j e c t o r y.T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t f o r t h e s a m e t y p e o f a mm u n i t i o n s y s t e m,t h e s i d e s l i p a n g l e i n f o r m a t i o n e r r o r o f t h e p r o j e c t i l e t h a t e s t i m a t e d b y t h e t r a i n e d B P n e u r a l n e t w o r k i s w i t h i n 5%o f t h e f u l l s c a l e.T h e r o l l a t t i t u d e a n g l e a c c u r a c y o b t a i n e d b y t h e f i t t i n g a n d f i l t e r i n g a f t e r t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g a n d n a v i g a t i o n s y s t e m a n d t h e m a g n e t o m e t e r i s w i t h i n 1,w h i c h g r e a t l y i m p r o v e s t h e r o l l a n g l e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y o f t h e a mm u n i t i o n d u r i n g m a n e u v e r i n g.K e y w o r d s:m i s s i l e r o l l a t t i t u d e;n e u r a l N e t w o r k s;GN S S;m a g n e t o m e t e r 收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 3*基金项目:中国博士后科学基金(2 0 2 1M 6 9 1 9 8 7)、山西省青年科学基金(2 0 1 9 0 1 D 2 1 1 2 3 9)、山西省高等学校科技创新项目(2 0 2 0 L 0 2 9 6)资助0 引 言 智能弹药作为常规弹药的一种发展趋势,具有改变飞行轨迹、目标跟踪等能力,因此在打击精度上有非常大的优势1-3。越来越多的常规弹药在向智能化、信息化的方向改进。在这个过程中弹体姿态角的测量是非常关键的一部分,它为导弹的导航控制提供了必要条件。对于低过载发射的火箭助推弹药来说,与弹体捷联的惯性传感器用于弹体的姿态测量是常见且实用方案之一4-6。但是对于炮射导弹或者是发射过载较高的导弹来31 第4 5卷电 子 测 量 技 术说,惯性传感器无法在高于承受过载极限的条件下进行稳定且准确的数据输出7。地磁场作为地球的一个固有物理场在高空环境下不易被干扰,因此利用磁场来确定弹体的滚转姿态有无累计误差、不易受干扰、成本低等特征,最重要的一点磁强计作为地磁场的敏感元件有着较高的抗过载能力,满足目前大部分的弹药捷联测量需求8-1 0。对于攻击地面固定目标来说,导弹在飞行过程中不会有较大的机动动作,可以在发射前为导弹装定的预设的基准弹道信息用于计算导弹的滚转姿态,一般这样的求解前提下可以获得较高精度的滚转姿态信息1 1。但是对于攻击移动目标来说,目标的移动会引起导弹起控后的大范围机动,在此过程中预设的基本弹道信息已经和实飞弹道产生较大差距,无法为滚转姿态测量提供依据1 2。因此人们开始使用全球卫星定位导航系统(GN S S)提供的信息来计算导弹的弹道倾角与弹道偏角,用于支持磁强计对导弹的滚转姿态计算,这样的处理方式在很大程度上解决了导弹在大范围机动过程中的滚转姿态测量1 3。但是在导弹机动过程中,弹道偏角、弹道倾角是不等同于弹体倾角、弹体偏角的,这样造成了弹体滚转姿态的测量误差,对于越来越精准的先进化导弹来说,这是非常不利于控制的,鉴借于新兴的网络智能算法1 4-1 5。本文提出了一种基于B P神经网络校准的磁强计与卫星导航组合测姿方法,可以有效的解决导弹在机动过程中的精准测姿难题。1 弹体捷联磁强计测姿模型 地磁场是地球固有的磁场,在近地空间的分布是规律的,为了规范描述地球磁场的空间分布特征,世界地磁测量机构将地磁场向量在北东天坐标系中用地磁3要