一种基于太阳方位的弹丸滚转角估测方法

摘要

本发明属于弹丸滚转角测量技术领域，具体地说是一种基于太阳方位的弹丸滚转角估测方法，给出了基于太阳方位的弹丸滚转角估测原理后，建立了一种视场中心角可变的太阳光可视模型，并给出了依据实际靶场射向及试验时间的光测应用方法与设计步骤，包括：光测参数设计、光测时间窗口获取、滚转角估测方法及其估测误差分析，通过全弹道飞行试验验证表明，基于本文描述的利用太阳方位角的弹丸滚转角测量方法可行。研究结果为参考提供了有效的解决方法。

主权项

一种基于太阳方位的弹丸滚转角估测方法，其特征在于，利用太阳方位敏感模块建立视场中心角可调的太阳光直射测量通用条件模型及其误差分析模型，所述太阳方位敏感模块由光缝、光敏器件、比较器和电路模块组成，进行以下步骤的测量和分析：(1)弹丸在空中绕其轴旋转，光敏器件测量光照输出连续电平信号，太阳光直射光敏器件与非直射有显著的电平差，利用该电平差值设置比较器的阈值，则通过比较器的输出得到：当太阳光直射光敏器件时，模块输出高电平信号，非直射时，模块输出低电平信号，而高低电平的中值对应的滚转角φ₀为：φ₀＝φ_s‑φ_c   (1)式中，φ_s为太阳光矢量s与弹丸横轴j轴的夹角，在确定时刻可理论计算的滚转角度，φ_c为光敏中心轴线与与弹丸横轴j轴的夹角，称为光测模块中心线方位角；由两个高电平的中值的时间t_i与t_j，可得其角速率ω为：ω＝2π/(t_j‑t_i)   (2)而在两个高电平之间的滚转角φ计算方程为：φ＝φ₀+ω×δt   (3)式中，δ_t为时间增量；(2)对于地面观察点，太阳方位可用两个角度来确定：太阳方位角A以及太阳高度角a或太阳天顶角z，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，太阳天顶角是指太阳光与地平垂直方向的夹角，与太阳高度角互余，太阳方位每天每时都在变化，但可以通过太阳位置计算方法精确计算，根据太阳位置关系，可以得到观察点O位置的太阳光矢量s方程：s＝(cosacosA，cosasinA，‑sina)   (4)；(3)根据利用太阳光测量弹丸滚转角的原理，得到三维光测模型，设定i轴为弹轴方向矢量，弹头部为正，(i，j，k)组成弹丸非旋转坐标系，则i，j，k轴的矢量方程为：i＝(cosθcosψ，cosθsinψ，‑sinθ)   (5)j＝(‑sinψ，cosψ,0)   (6)k＝(sinθcosψ,sinθsinψcosθ)   (7)式中，(θ,ψ)分别为弹丸的俯仰角和偏航角；(4)光测视场中心线轴矢量c的位置由光测模块中心线的方位角和高度角σ_c两个角度值确定，为光测模块的设计参数，在光测模块的滚转角计算中为已知条件，太阳矢量s与弹轴矢量i的夹角σ_s为：σ_s＝arccos(i·s)   (8)太阳矢量在弹丸滚转平面投影的滚转角为:${\phi }_s=\left\{\begin{array}{cc}\arccos \left(\frac{s·j}{cos(\pi /2-{\sigma }_s)}\right),& (k·s\ge 0)\\ -\arccos \left(\frac{s·j}{cos(\pi /2-{\sigma }_s)}\right),& (k·s<0)\end{array}\right.---\left(9\right)$由太阳方位测量弹丸滚转角的原理可知，光测模块的测量范围由其视场角决定，光测模块在滚转方向的视场角为2α；(5)太阳光矢量s在弹丸飞行的全弹道范围内可认为不变，而光测孔绕弹丸i轴旋转，当光测中心轴矢量c与s、i共面时，太阳光可被测量，其俯仰方向的测量判据为：β≤|σ_s‑σ_c|   (10)式中，2β为其俯仰方向的最大视场角；(6)影响光测模块横向视场角2α和纵向视场角2β的因素包括有太阳光强度、光敏器件的灵敏度、器件视场角范围及比较器的阈值电压，同时还应考虑光测模块的结构限制，光测模块的视场角还受限于光缝孔尺寸、安装深度以及其敏感面积，σ_m为光缝孔上下边沿限定的光缝视场角，σ_n为光缝上边沿、安装深度及光敏面限定的光敏视场角，由其几何关系可得：2α≤min(σ_nr,σ_mr)   (11)2β≤min(σ_np,σ_mp)   (12)式中，σ_mr与σ_nr、σ_mp与σ_np分别σ_m与σ_n在滚转和俯仰方向的限定视场角。