摘要
在科学技术高速发展的今天，将常规武器进行智能化改造以符合现代化战争的需求已经成为了大势所趋。在此背景之下，目前大量的常规弹药亟需以多元化、新型化、低成本等为目标进行改造来获取适用于不同战场环境的弹体姿态角信息。红外/地磁信息融合姿态测试技术兼有红外与地磁测姿的低成本、小体积、自主性高、高鲁棒性的优点，且不存在惯性测姿的漂移和累积误差、需要初始对准以及 GPS 容易受到外界干扰等其他测姿方式具有的一系列劣势，在多种应用场合下均能够对旋转弹体的姿态角测试提供较高的精度。因此对红外/地磁信息融合测姿技术方面的理论研究与具体实践，对我国促进常规武器智能化、精确化的目标具有深远的意义。 本文以旋转弹体在飞行过程中受到马格努斯效应产生的圆锥运动为运动背景，综合研究了地球红外辐射场和地磁场的基础理论和产生机理，建立了圆锥运动下旋转弹体的红外与地磁姿态测量模型。在对实际运动当中存在的红外以及地磁的多源干扰进行分析讨论，建立了旋转弹体的红外干扰模型与地磁干扰模型。通过对红外、地磁的干扰特点展开讨论，进行了干扰补偿方法的研究。以红外传感器与磁传感器通过合理的三轴布阵方式感知弹体周围的红外辐射信息以及地磁信息，设计了在圆锥运动下旋转弹体的红外、地磁姿态解算算法以及红外/地磁抗干扰自适应信息融合算法，对旋转弹体测姿系统在传感器输出异常的情况下进行姿态角自适应估计。为了验证红外/地磁信息融合姿态测试系统的有效性与可靠性，使用了三轴转台模拟旋转弹体圆锥运动以开展半实物实验。论文具体包括以下内容： （1）介绍了导航测姿的常用坐标系与坐标变换矩阵，构建了旋转弹体的圆锥运动模型。以大气中固有的红外辐射场作为背景，依据大气温度与吸收透过率等物理参数的分层分布特点，结合红外传感器的测量特性建立了圆锥运动下旋转弹体的红外姿态测量模型；根据关键地磁矢量要素在载体坐标系上的三轴分量，建立了圆锥运动下旋转弹体的地磁姿态测量模型。 （2）针对三正交地磁姿态测量模型方程之间不相互独立的问题，提出了三正交磁传感器的零点导数比值算法及其修正算法。通过对地磁信号特征量的提取获取特征点处的横滚角信息，并以此求解另外两个姿态角；通过修正算法对弹体存在圆锥运动时的姿态角进行了进一步修正。根据磁传感器和弹体特性，构建了地磁传感器的静态、动态干扰模型，设计了基于高斯扰动的改进粒子群算法和基于线性神经网络的动态误差参数辨识方法对磁干扰误差进行了补偿。通过地磁静、动态误差补偿实验，验证了相应补偿算法的可行性。 （3）以圆锥运动下旋转弹体红外姿态测量模型为基础，设计了红外姿态直接与间接解算算法，并通过误差传递理论比较了各自的优劣特点。分析了弹体由于涡流生热、湍流生热和气动生热导致的多源温升对周围红外辐射场产生的影响，建立了气动环境下激波、湍流对红外辐射光线传播路径的偏折以及红外辐射亮度的削弱模型，研究了在相应红外干扰背景下的误差补偿方法。 （4）针对旋转弹体在实际飞行过程中可能受到的突发干扰导致的传感器信号输出异常，设计了能够自适应切换估计模型的交互多模型容积卡尔曼(IMMCKF)滤波算法，该算法以更新滤波模型概率的方式在传感器信号出现异常时能够及时切换到其他模型。通过数值仿真验证了该滤波算法对数据融合以及模型切换的效果。 （5）根据对旋转弹体测姿系统的要求，设计了一套红外/地磁信息融合姿态测试半实物装置，对该系统硬件电路、传感器选型以及预处理技术进行了介绍。通过三轴转台的控制对该装置进行旋转弹体圆锥运动的模拟，并对文章提出的各种算法进行仿真实验验证。实验结果表明，圆锥运动下旋转弹体的红外/地磁信息融合测姿方法有效可行。
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