飛行器運動參數(shù)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及飛行器運動參數(shù)測量方法，利用布設(shè)在飛行器運動軌跡地面投影附近的若干微型聲學測量測點，每個測點包括1個聲學傳聲器及其配套設(shè)備，利用測量到的飛行器超音速飛行時產(chǎn)生的激波信號到時差，可以迅速、準確地給出飛行器運動的軌跡、速度、時變的加速度等參數(shù)。給出了飛行器運動的完整數(shù)學描述，解決了通過測量運動軌跡附近激波信號到時差推算運動軌跡、速度、加速度及其高階微分量的問題，為飛行器運動參數(shù)測量提供了一種新穎、廉價、精確、便捷、實用的技術(shù)方法。
【專利說明】飛行器運動參數(shù)測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種快速精確測量超音速飛行器運動參數(shù)的聲學方法，尤其涉及一種 利用飛行器運動軌跡激波的聲學特性確定飛行器運動參數(shù)的計算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 針對飛行器運動參數(shù)的各種探測技術(shù)研究一直受到世界各國的重視，目前已有的 方法有：紅外探測系統(tǒng)、聲探測系統(tǒng)、激光探測系統(tǒng)以及超短波雷達探測系統(tǒng)等?，F(xiàn)有的計 算方法大多是由觀測量直接對目標進行定位，再根據(jù)離散的或連續(xù)的位置信息得到運動軌 跡以及運動參數(shù)；而利用運動目標的衍生信號（例如運動激波）進行間接測量并反演得到 運動參數(shù)的研究工作大多采用比較簡單的模型，難以反映目標的真實運動情況。高速運動 的飛行器會在空氣中摩擦產(chǎn)生渦流、激波和飛行噪聲，當飛行器運動速度接近并超過音速 時，這種飛行噪聲更為明顯。
[0003] 在飛行器運動參數(shù)的聲探測定位系統(tǒng)與方法領(lǐng)域國內(nèi)外已有的相關(guān)專利中以及 國內(nèi)外已公開發(fā)表的論文中，涉及與本發(fā)明相關(guān)的內(nèi)容均無相同之處。經(jīng)過試驗驗證，本發(fā) 明是一種新穎、廉價、精確、便捷、實用的技術(shù)方法，克服了以往方法的不足之處。
[0004] 本發(fā)明使用聲探測技術(shù)，通過布設(shè)一系列聲傳感器，精確測定運動激波到達每個 傳感器的時間差，建立起合理的數(shù)學模型和代價函數(shù)，可以精確計算出飛行器運動的軌跡、 速度、時變的加速度等參數(shù)。
[0005] 張彤等人的另一項國家發(fā)明專利"狙擊彈道的聲學測量方法"，專利號： ZL201110194046. 8,授權(quán)公告日：2013年8月14日。該專利是按照勻速直線運動模型由3 個聲學基陣的觀測量計算出彈道激波方向線，進而通過循環(huán)迭代搜索的方法得到彈道直線 方程以及著靶點和狙擊手位置，而本發(fā)明的測量對象是運動目標的軌跡為任意曲線，速度 矢量、加速度矢量及其高階微分量都可以是時變的，具有更加廣泛的適用性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是提供一種可對飛行器運動參數(shù)進行快速準確測量的聲學測量方法， 給出了飛行器運動的完整數(shù)學描述，解決了現(xiàn)有聲探測方法存在的飛行器空間位置測量誤 差大、計算過程長以及無法測量和計算運動軌跡、速度和加速度及其高階微分量等參數(shù)的 問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0008] 飛行器運動參數(shù)測量方法，其特殊之處在于：包括以下主要步驟：
[0009] 1】搭建測試系統(tǒng)，并建立坐標系：
[0010] 測試系統(tǒng)包括：在飛行器運動軌跡地面投影線附近布設(shè)的3m+l個測點、無線數(shù)據(jù) 匯集處理單元，m為待定運動參數(shù)三維矢量的個數(shù)；
[0011] 坐標系：以測試現(xiàn)場任意指定點為坐標原點的三維空間正交坐標系；
[0012] 每個測點設(shè)置一個傳聲器，每個測點還包括與傳聲器配套的數(shù)據(jù)采集單元、存儲 單元、GPS、無線傳輸設(shè)備以及微處理器單元，
[0013] 所述數(shù)據(jù)采集單元用于對來自傳聲器的模擬信號進行采樣和量化得到數(shù)字信號； 所述存儲單元用于接收數(shù)字信號并進行暫時存放；所述微處理器單元用于從存儲單元中的 數(shù)據(jù)判斷出激波到達時刻值，并通過無線傳輸設(shè)備把該時刻值傳送到無線數(shù)據(jù)匯集處理單 元；各個測點通過GPS實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的時間統(tǒng)一；
[0014] 2】用全站儀測量和標定出各測點傳聲器在坐標系中的空間坐標： C. (.V, , ι'(. ,0)./ = 0J.···,3m :
[0015] 3】利用各個測點測量并記錄的飛行器所產(chǎn)生激波到達各個傳聲器的時刻： 匕.;,/ = 0.1,….3m ,把最先接收到激波信號的測點命名為測點0,其坐標為：，
[0016] 計算其它測點與測點0之間的激波到達時間差，= 1二…Jtm
[0017] 3. 1】預(yù)估任意一組具有m個三維矢量的運動參數(shù)：與?,?χρ.ιν,,,Ο)對應(yīng)的飛行器 所產(chǎn)生激波的迸發(fā)點坐標:4 ，兄?z 、該點瞬時彈速^ νβ,, %、該點瞬時加速度 )、該點加速度的瞬時變化率,.為」，依此類推，直到第m個三維矢量 參數(shù)1，將這3m個值作為搜索的起點；
[0018] 3. 1. 1】計算，凡^，24)點處的運動激波錐面半角Θ
[0019]

【權(quán)利要求】
1.飛行器運動參數(shù)測量方法，其特征在于：包括以下步驟： 1】搭建測試系統(tǒng)，并建立坐標系： 測試系統(tǒng)包括：在飛行器運動軌跡地面投影線附近布設(shè)的3m+l個測點、無線數(shù)據(jù)匯集 處理單元，m為待定運動參數(shù)三維矢量的個數(shù)； 坐標系：以測試現(xiàn)場任意指定點為坐標原點的三維空間正交坐標系； 每個測點設(shè)置一個傳聲器，每個測點還包括與傳聲器配套的數(shù)據(jù)采集單元、存儲單元、 GPS、無線傳輸設(shè)備以及微處理器單元， 所述數(shù)據(jù)采集單元用于對來自傳聲器的模擬信號進行采樣和量化得到數(shù)字信號；所述 存儲單元用于接收數(shù)字信號并進行暫時存放；所述微處理器單元用于從存儲單元中的數(shù)據(jù) 判斷出激波到達時刻值，并通過無線傳輸設(shè)備把該時刻值傳送到無線數(shù)據(jù)匯集處理單元； 各個測點通過GPS實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的時間統(tǒng)一； 2】用全站儀測量和標定出各測點傳聲器在坐標系中的空間坐標： 3】利用各個測點測量并記錄的飛行器所產(chǎn)生激波到達各個傳聲器的時刻： %1，|' = 0?1?-，3〇1，把最先接收到激波信號的測點命名為測點0，其坐標為：<^;#,.：^，0)， 計算其它測點與測點〇之間的激波到達時間差，=& -k，/ = 1，2,…，3m: 3. 1】預(yù)估任意一組具有m個三維矢量的運動參數(shù)：與氣對應(yīng)的飛行器所 產(chǎn)生激波的迸發(fā)點坐標、該點瞬時彈速％(V()t%、該點瞬時加速度 、該點加速度的瞬時變化率依此類推，直到第m個三維矢量 參數(shù)屯，將這3m個值作為搜索的起點； 3. 1. 1】計算4 點處的運動激波錐面半角9 〇，
3. 1. 2】計算4)^4?，兄v點處的速度矢量線&與A〇、c〇連線的夾角小。， 速度矢量線tfv",.，vni,，v)的直線方程：
上述兩直線之間夾角cK的計算公式為：
3. 1.3】通過無線數(shù)據(jù)匯集處理單元設(shè)定閾值6,如果I (^-(90° -0^1〉6,則調(diào)整 4,(?,.'^24、)和1(1.，?.，^)的取值，使得1小。-(9〇°-9。）|<3即可；
3.2】任意設(shè)定步長八扒7^=八+1紅/ = 12，?，3丨叫1 =〗，2，"、況，式中1'4>是飛行器 到達4? j t<j的時刻；式c
3.2.1】計算4(^，3/,1,，5)，〖=1，2，一3111點處的運動激波錐面半角0 1，
3. 2. 2】計算4 p = 1，2,…，3m點處的速度矢量線17;與Ai、Q連線的夾角小i， 速度矢量線Mn.，》i.P = 〗，2^%3m的直線方程：
Afi，i = 1，2,…，3m連線的直線方程：
上述兩直線之間夾角t的計算公式為：
3. 3】如果|小廠(90 ° - 0 i) | > S，則重復(fù)第3. 2】步，改變，繼續(xù)搜索 4 (-ri，凡I,，z4 )"'= U，-"，3m 和 S(v&，VHi )，，' = !，2,…，3^^ 可； 4】定義函數(shù)Q為：

Tit在第3. 2】步得到，
5】飛行器運動參數(shù)搜索范圍自適應(yīng)調(diào)整： 5. 1】搜索起點的其它值不變，僅改變x4 ?以S x>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，5〈n〈500 ; 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在+?a < ?，則執(zhí)行步驟5. 2】； 如果函數(shù)Q的極小值9_取在了、設(shè)定范圍的兩端，即氣+?'紅》= 0或a =n，則 改變?的起始搜索點為' 心?或\ +(?-2)?釭，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí) 行步驟5. 2】的條件； 5. 2】搜索起點的其它值不變，僅改變以S y>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 1】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在兄％ +夕4.V3 < # < ?，則執(zhí)行步驟5. 3】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即>'4 +於辦夕=0或運=n， 則改變的起始搜索點為'卸或+(" -2)4>，重復(fù)本步驟，直到符合 轉(zhuǎn)到執(zhí)行步驟5. 3】的條件； 5. 3】搜索起點的其它值不變，僅改變z4 ?以S z>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 2】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在+r4z，G</< n，則執(zhí)行步驟5. 4】； 如果函數(shù)Q的極小值(^取在了設(shè)定范圍的兩端，即= 〇或y =n， 則改變、的起始搜索點為或、+(w-2)4z ?重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn) 到執(zhí)行步驟5. 4】的條件； 5. 4】搜索起點的其它值不變，僅改變V(lx以S Vx > 〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 3】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在V&+ e ? S Vx，〇 < e < n，則執(zhí)行步驟5. 5】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即v^+e ? Svx，e =〇或e =n， 則改變V&的起始搜索點為v^-OiD ? 5 Vx或V(lx+(n-2) ? 5 Vx，重復(fù)本步驟，直到符合 轉(zhuǎn)到執(zhí)行步驟5. 5】的條件； 5. 5】搜索起點的其它值不變，僅改變V(ly，以S Vy>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 4】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在? S Vy，〇〈 € <n，則執(zhí)行步驟5. 6】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即Vdy+l ? 5Vy, € =〇或€ =n， 則改變Vdy的起始搜索點為Vdy-Oi-2) ? 5 Vy或V(ly+(n-2) ? 5 Vy，重復(fù)本步驟，直到符合 轉(zhuǎn)到執(zhí)行步驟5. 6】的條件； 5. 6】搜索起點的其它值不變，僅改變V(lz，以S Vz>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 5】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在vQz+ n ? S Vz，〇〈 n <n，則執(zhí)行步驟5. 7】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即v^+n ? Svz, n =〇或n =n， 則改變v%的起始搜索點為Vh-Oi-2) ? 5 Vz或V(lz+(n-2) ? 5 Vz，重復(fù)本步驟，直到符合 轉(zhuǎn)到執(zhí)行步驟5. 7】的條件； 5. 7】搜索起點的其它值不變，僅改變ata，以S ax>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 6】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在aj P ? S ax，〇〈 p <n，則執(zhí)行步驟5. 8】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即ajp ? 5ax，p =0或p =n， 則改變ata的起始搜索點為'-(n-2) ? S ax或a(lx+(n-2) ? S ax，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到 執(zhí)行步驟5. 8】的條件； 5. 8】搜索起點的其它值不變，僅改變a(ly，以S ay>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 7】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在〇 ? S ay，〇〈 〇 <n，則執(zhí)行步驟5. 9】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即a^+o ? 5ay, 〇 =0或〇 =n， 則改變、的起始搜索點為、-〇1-2) ? S ay或a(ly+(n-2) ? S ay，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到 執(zhí)行步驟5. 9】的條件； 5. 9】搜索起點的其它值不變，僅改變a(lz，以S az>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步 搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 8】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在aQz+ t ? S az，〇〈 t <n，則執(zhí)行步驟5. 10】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即a^+T ? Saz, t =〇或t =n， 則改變'的起始搜索點為^-(n-2) ? S az或a(lz+(n-2) ? S az，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到 執(zhí)行步驟5. 10】的條件； 5. 10】搜索起點的其它值不變，僅改變bta，以Sbx>0為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n 步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 9】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在V+d ? S bx，0〈d〈n，則執(zhí)行步驟5. 11】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即t^+d ? S bx, d = 0或d = n，則改 變的起始搜索點為? 5bx*b(lx+(n-2) ? 5bx，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí)行 步驟5. 11】的條件； 5. 11】搜索起點的其它值不變，僅改變ky，以Sby>0為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n 步搜索，每一步搜索時都先執(zhí)行步驟5. 10】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在tV+e ? S by，0〈e〈n，則執(zhí)行步驟5. 12】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即bdy+e ? s by, e = 0或e = n，則改 變13(|7的起始搜索點為13(|7-(11-2)*5 137或13(|7+(11-2)*5 137，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí)行 步驟5. 12】的條件； 5. 12】搜索起點的其它值不變，僅改變，以Sbz>0為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n 步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 11】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在V+f ? S bz，0〈f<n，則執(zhí)行步驟5. 13】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即t^+f ? S bz, f = 0或f = n，則改 變b%的起始搜索點為? 5\或1^+(11-2) ? 5bz，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí)行 步驟5. 13】的條件； 依此類推，……；
5. (3m-2)】搜索起點的其它值不變，僅改變W(lx，以S Wx>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進 行n步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. 3 (m-1)】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在wQx+p ? 5 wx, 0〈p〈n，則執(zhí)行步驟5. (3m-l)】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即w^+p ? S wx, p = 0或p = n，則改 變的起始搜索點為w^-OiD ? ? 5wx，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí)行 步驟5. (3m-l)】的條件；
5. (3m-l)】搜索起點的其它值不變，僅改變W(ly，以S Wy>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進 行n步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. (3m-2)】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在wQy+q ? 5 wy, 0〈q〈n，則執(zhí)行步驟5. 3m】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即Ww+q ? S wy, q = 0或q = n，則改 變Wy的起始搜索點為Wdy-Oi-2) ? 5wy或Wdy+Oi-2) ? 5wy，重復(fù)本步驟，直到符合轉(zhuǎn)到執(zhí)行 步驟5. 3m】的條件； 5. 3m】搜索起點的其它值不變，僅改變W(lz，以S Wz>〇為步長，其變化范圍設(shè)定為進行n步搜索，每一步搜索時先執(zhí)行步驟5. (3m-l)】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在w^+r ? 5 wz, 0〈r〈n，則執(zhí)行步驟6】； 如果函數(shù)Q的極小值Qmin取在了設(shè)定范圍的兩端，即w^+r ? S wz, r = 0或r = n，則改 變、的起始搜索點為w%- (n-2) ? S wz或W&+ (n-2) ? S wz，重復(fù)本步驟，直到函數(shù)Q的極小 值 Qmin 取在 wQz+r ? S wz, 〇〈r〈n ;
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器運動參數(shù)測量方法，其特征在于：所述步驟5. 1】中的 n 為 10。
【文檔編號】G01C23/00GK104280046SQ201410546553
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】張彤, 張敏, 孫德玉, 趙奇峰, 吳江, 胡軍照, 田傳艷 申請人:西北核技術(shù)研究所