制导炮弹姿态测量技术综述

陈胜政，杨 波，宋宇航，张 意

(西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

弹体姿态信息作为制导炮弹制导控制系统中十分重要的信息之一，承担着控制指令分解、制导信号坐标变化、姿态增稳控制、捷联惯性中制导以及捷联末制导过程中的导引信号姿态解耦等重要任务，其测量精度直接影响制导炮弹的命中精度。因而，自制导炮弹问世以来，弹体姿态测量技术一直作为一项十分重要的关键技术而被各个国家的弹药设计师所重视，并发展起来了多种测量技术，促进了制导炮弹的持续发展。

与导弹、火箭弹相比，制导炮弹特殊的使用环境和使用方式对姿态测量技术提出了新的挑战和要求，导致成熟运用于导弹、火箭弹的姿态测量技术无法直接移植到炮弹上。本文对制导炮弹的姿态测量技术进行初步探讨，以为相关技术人员提供一定的启发和借鉴。

1 制导炮弹概述

制导炮弹是一种在无控炮弹的基础上，通过采用精确制导技术、加装精确制导系统或修正系统[1]而发展起来一类低成本精确打击弹药。由于使用了精确制导技术，其命中精度大幅度提高，大大提高了火炮武器系统的作战效能。此外，通过进一步采用火箭助推、滑翔增程控制以及复合增程技术等手段来大幅度拓展制导炮弹射程[2]，使火炮平台进一步具备远程甚至超远程的精确打击能力，从而使得火炮武器的作战使用更加灵活，战术地位更加巩固。基于此，制导炮弹一经问世，便作为一类十分重要的精确打击弹药而迅速发展起来。目前，制导炮弹已经发展成一个庞大的家族，从口径上分，包括57、76、100、105、120、125、127、130、152、155、240 mm[3]等主流口径，平台涵盖防空高炮、迫击炮、坦克炮、中大口径榴弹炮等，射程从几百米至超过一百八十公里，并且在伊拉克、阿富汗、车臣反恐等局部战争中发挥过重要作用，获得了国际上主流军事大国的广泛认可。典型型号有前苏联的152 mm红土地/米尺/红土地M激光制导炮弹，100 mm/105 mm坦克炮射导弹，120 mm“晶面”制导迫弹等，美国“铜斑蛇”155 mm末制导炮弹，XM982“神剑”155 mm制导炮弹[4]，海军127mm舰炮增程制导弹药(ERGM)[5]，120 mm精确增程迫击炮弹等，以及以色列120 mm拉哈特炮射导弹等。

2 制导炮弹对姿态测量技术的能力需求及技术难点

受发射平台及作战使用方式的限制，制导炮弹用姿态测量技术与导弹、制导火箭弹相比有较大差异，主要体现在以下几个方面：

1) 要求具备很高的抗发射过载的能力。制导炮弹具有很高的发射过载，一般迫击炮弹、中大口径榴弹最大过载达到10 000～20 000g，而部分小口径制导炮弹最大过载甚至达到30 000g以上。而导弹、火箭弹过载一般仅几十到几百g的水平。制导炮弹很高的发射过载对姿态测量器件提出了严峻考验：在高过载冲击后，测量器件不仅不能损坏，其工作性能以及可靠性还要求与冲击前相当。目前，一般通过选用具备抗高过载能力的器件、舱段灌封以及巧妙的抗高过载弹体设计等手段，来综合提高测量系统的抗过载能力。然而，实际工程经验表明，一般惯性器件在受到冲击后，其测量精度往往都会下降，从而导致测量误差变大。因此，制导炮弹姿态测量既要具备抗高过载能力又要具备较高的测量精度，这是最主要的技术难点之一。

2) 制导炮弹无方位装填、发射后上电的作战使用模式，要求姿态测量系统具备空中初始对准的能力。制导炮弹总体设计时，考虑到作战的便利性以及对现有装填系统和现有火炮的适应能力，其装填方式往往要求设计成与无控炮弹一致，即无方位装填的装填方式。此外，为了最大限度简化作战流程，提高作战使用的快速性，也为了提高弹上电子部件的抗发射过载能力，制导炮弹往往设计成发射后上电的工作模式。在无方位装填、发射后上电的作战使用模式下，弹上姿态测量系统是没有初始基准的，因而要求姿态测量系统具备在空中初始对准的能力。由于制导炮弹在空中飞行时，其姿态、位置持续变化，要实现高精度的初始对准，难度很大。

3) 适应弹上火工品冲击的能力。为了适应管式发射，起飞前的制导炮弹尾翼、舵翼均需折叠在弹身内部，起飞后利用火工品产生的解锁力而实现定时张开。此外，为了对导引头光学系统施加保护，一般末制导炮弹弹体前端还带有头锥。头锥的分离动作也是利用火工品的冲击力来实现。弹上火工品作用时，将产生较大的冲击载荷，导致测量器件不仅仅需要承受发射过载冲击，还需要多次承受弹上的火工品带来的冲击力，这对姿态测量器件的抗冲击能力和安装方式提出了更高的要求。

4) 滚转通道测量要求高。考虑到大多数无控炮弹本身是旋转弹，为了降低成本，设计师们一般仍将制导炮弹弹体设计成旋转的。由于制导炮弹全程速度跨度大，导致转速范围较宽，最大转速高，这要求测量系统具备对滚转通道的大量程、高精度的测量能力。

3 姿态测量器件发展现状

目前，制导炮弹的姿态测量器件主要有机械式惯性陀螺仪、地磁传感器、MEMS陀螺、MEMS加速度计等。

3.1 机械式惯性陀螺仪

机械式惯性陀螺仪是早期的制导炮弹广泛使用的姿态测量器件。典型产品有俄罗斯的100 mm/105 mm坦克炮射导弹、152 mm“红土地”激光末制导炮弹等。

100 mm/105 mm炮射导弹采用一个带重力摆的三自由度机械式陀螺仪，实时测量弹体的滚转角信息，通过重力摆建立起滚转基准，实现滚转姿态的初始对准及持续测量，测量精度小于4°(20 s)。

152 mm“红土地”激光末制导炮弹亦采用机械式三自由度陀螺仪，如图1所示。利用弹道滑翔段和末制导段的弹道特性，在弹道顶点附件完成初始对准，在弹道降弧段以后，同时进行俯仰、滚转姿态测量，为制导炮弹中制导、末制导控制提供滚转角和俯仰角信息。

机械式惯性陀螺可靠性高、成本低、抗干扰性好、发射过载和弹上环境适应能力强，其缺点是体积大、重量重、工作时间短、使用条件受限等，主要应用于早期的末制导炮弹，目前已经较少使用。

图1 152 mm末制导炮弹陀螺仪Fig.1 152 mm TGP gyro

3.2 地磁传感器

地磁传感器测姿，是利用旋转弹箭飞行区域内的地磁场矢量在旋转弹箭弹体坐标系下的投影分量与地面坐标系下的投影分量之间的坐标转换关系[6]，建立关于三个欧拉角的联立方程组来进行的。地磁场同重力场一样，是一种全球性的基本物理场[7]。地球表面任意一点的地磁场为一个矢量B，为已知信息。地磁场矢量B可通过检索当地地磁场数据库或由世界地磁场模型[8](world magnetic model，WMM)计算得出，也可采用三轴磁强计现场测量得到。记B在北天东坐标系下的分量为(Bx、By、Bz)，与弹体系固联的三轴磁传感器输出的B的三分量记为(Bx1、By1、Bz1)。二者之间的坐标转换关系及公式见图2，其中ψs为射向与北向的夹角，定义为北向角，(γ,ϑ,ψ)为弹体系与发射系的三个欧拉姿态角[9]。

图2 坐标转换关系及转换公式Fig.2 The ralationship and fomula of coordinate transformation

由图2可见，通过坐标转换关系，可以建立起关于三个欧拉角的姿态解算关系矩阵，从而实现姿态解算。姿态解算关系矩阵见式(1)。

(1)

但值得注意的一点是，式(1)中形式上可以建立三个方程，但其实只有2个是独立的，因此仅靠该式无法实现3个欧拉角的同时解算，也就是说无法仅通过1套三轴地磁传感器来实现三个姿态的同时测量。目前，一般将地磁传感器与卫星定位仪组合起来用，进行制导炮弹/修正炮弹的滚转角初始对准[10]及持续解算。

地磁传感器具有成本低、体积小、抗过载能力强、信号处理简单、算法容易实现[11-12]等优点，已成为国际上低成本制导/修正炮弹最主要的滚转姿态测量手段，典型应用如美国的120 mm精确增程迫击炮弹、以色列的卫星修正迫弹等。缺点是精度偏低，最大测量误差达到10°左右，且易受干扰。主要用于滚转角精度要求不高的低成本弹药，或作为辅助测姿使用。

3.3 MEMS器件

微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS) 在20世纪80年代随着微机械技术的发展而逐渐发展起来，是微电子加工技术与微机械加工技术结合的产物[13]。MEMS器件按基材分，可分为硅基器件和石英基器件两类。其中硅基器件抗过载能力强，是当前制导炮弹广泛使用的器件。MEMS器件的突出优点是体积小、重量轻、工作时间长，适于大批量加工，且成本极低。

3.3.1MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪是将MEMS技术与陀螺仪技术结合在一起发展起来的新型陀螺仪，按测量原理可分为速率陀螺和角度陀螺两类，但角度陀螺仪目前尚不成熟。目前一般所指的MEMS陀螺均为MEMS速率陀螺仪。

由于MEMS陀螺仪仅能测量弹体的姿态角速率，其输出信号可直接用于阻尼回路控制。但作为姿态导航时，存在无法初始对准的问题，一般将其与卫星定位仪或其他测量器件组合使用，实现组合导航解算。应用于制导炮弹的MEMS陀螺仪主要性能如下：X轴陀螺量程达到3 600 (°)/s，Y/Z轴一般达到300 (°)/s，全温范围零偏不大于0.02 (°)/s，非线性0.3‰～0.5‰，通过灌封、减震等措施，不带电情况下的抗过载能力达到20 000g以上。

3.3.2MEMS加速度计

MEMS加速度计用于敏感自身所处位置的比力信息，原则上不属于姿态测量器件。但由于加速度计是相对弹体坐标系固联安装的，其输出的比力信息里含有姿态信息，将其与卫星、陀螺等其他信息组合后，可实现组合导航能力。因此，将加速度计也纳入姿态测量器件的范畴里。

3.3.3MIMU

微型惯性测量单元(miniature inertial measurement unit, MIMU)，是一种重要的姿态测量装置，它是由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、专用集成电路(ASIC)、嵌入式微机及相应的导航软件组成，提供运动载体的位置、速度和姿态信息。

目前，典型的MIMU是采用三个陀螺形成三轴MIMU，或三个陀螺+三个加速度计形成六轴MIMU组件[14]。MIMU组件的突出优点是体积小、重量轻，六轴MIMU封装后的大小仅与一枚硬币相当，与机械式惯性陀螺相比几乎可以忽略不计。

图3 六轴MIMUFig.3 6 axis MIMU

此外，MEMS器件还具有成本低、抗冲击、可靠性高等优点。自20世纪90年代至今，MEMS器件逐渐成为制导炮弹最广泛使用的姿态测量器件。由于MEMS技术的广泛使用，使得制导炮弹逐渐淘汰了机械式陀螺仪，制导炮弹导航及测姿进入了微惯性时代。

4 组合导航方式

由以上的论述可见，除机械式惯性陀螺仪以外，其余测量器件仅靠自身是难以实现有效的空中自对准以及后续持续的姿态导航解算能力的。因而需要研究组合导航方法，利用多传感器来构成组合导航系统，将多种信息源有效融合，通过先进的滤波算法以及数据处理方法，来实现导航系统自对准以及高精度的姿态导航方式。MEMS器件和地磁器件作为当前主流的导航器件，国内外的学者及设计师们以其为核心，做了大量研究工作，取得了较多成果，部分成果应用于实际的工程型号，取得了良好的效果。主要的导航方式有以下几种。

4.1 地磁+卫星组合导航方式

地磁传感器一般用在卫星修正炮弹/制导炮弹[15]上，将地磁信息与卫星定位仪信息结合，实现低成本的滚转姿态角解算要求。这是目前卫星修正炮弹/制导炮弹最常用的滚转姿态测量方式。在此种导航模式下，一般要求制导炮弹弹体低速滚转，导航算法利用滚转效应消除部分传感器误差，从而获得更高的解算精度。图4是地磁+卫星组合导航方式解算出的滚转角信号及地磁原始量。

由于地磁器件的成本极低且技术十分成熟，使得此种导航成为国际上最为广泛使用的低成本滚转姿态导航方式。采用该种方式进行滚转姿态导航的典型产品有美国的PGMM 120 mm修正迫弹、以色列的“匕首”120 mm修正迫弹等。

该种导航方式的缺点是仅能进行滚转姿态导航，且精度不高。

4.2 陀螺+卫星组合导航方式

目前，国内外大量科学家或工程师针对卫星+MEMS陀螺进行初始对准以及后续的组合导航[16]技术，开展了大量的基础性研究，提出了多种算法。图5是某种算法的数字仿真结果，在弹体存在一定锥摆运动条件下，考虑卫星信号存在一定误差的情形，利用卡尔曼滤波等先进滤波手段，该算法仍能使滚转角解算精度稳定在5°以内。

图4 地磁+卫星组合导航解算滚转角Fig.4 Rolling angle solution of integrated navigation

图5 滚转角的解算误差(考虑弹体锥摆和卫星信号误差)Fig.5 Rolling angle solution error

通过某型炮弹的搭载飞行实验，进一步验证了该算法的可行性。

本组合方法的优点是成本低、结构简单，可同时实现滚转、俯仰、偏航三姿态的导航解算。但由于陀螺与卫星定位仪信号本身的关联性不强，该种算法仅在特定的弹道环境下效果较好。

4.3 陀螺+加速度计+卫星组合导航方式

在陀螺+卫星组合导航的基础上，进一步引入加速度信息，利用加速度计信息更新快、短时精度高[17]等特点，实现组合姿态导航能力。该方法由于引入了加速度及信息，克服了4.2节所述方法存在的陀螺与卫星定位仪信号关联性不强的问题，导航精度大大提高。该种方式的优点是导航精度高，且同时具备弹体质心位置坐标、弹体三个姿态的导航解算能力[18-19]。

目前，国外多型制导炮弹如美国海军的ERGM和陆军XM-982“神剑”155 mm制导炮弹、法国的鹑鹏(Pelican)精确增程炮弹均使用了该方法，实现了制导炮弹的高精度姿态导航。

4.4 陀螺+地磁组合导航方式

将地磁信号包含的姿态信息与陀螺输出的速率信息进行结合，研究出新的不依赖于卫星的姿态导航方式[20]。目前，该方式尚处于理论研究阶段，尚无可以直接使用的成熟算法。

5 结论

制导炮弹作为一类十分重要的精确打击弹药，其姿态测量技术一直被世界各国所重视。伴随着制导炮弹的技术发展，姿态测量技术也不断取得长足进步。本文对姿态测量技术的发展脉络、测量器件优缺点及应用情况、组合导航方法等方面进行了剖析，可为同行业的设计师、学者们提供一定的借鉴和参考。