CN109253660A - 一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法 - Google Patents

一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法 Download PDF

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CN109253660A CN201810976095.9A CN201810976095A CN109253660A CN 109253660 A CN109253660 A CN 109253660A CN 201810976095 A CN201810976095 A CN 201810976095A CN 109253660 A CN109253660 A CN 109253660A
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acoustic shock
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于国栋
王世赞
王春阳
吴勇
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Chinese People's Liberation Army 63869
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明的一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法。探测系统由32个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及载车组成。探测方法从声学应用的角度提出了一种弹丸落点坐标测试的手段，不受视场角限制，可以很好的弥补光学设备的不足；能快速准确地获得精度较高的弹着点坐标，且能准确区分弹序；可实时监控弹丸作用情况，所述的弹丸作用情况包括未爆炸、半爆炸及完全爆炸；及时发现是否存在未爆弹，排除安全隐患，安全可靠。探测范围大，为3km×3km~10km×10km。测量精度较高，探测范围3km×3km时，精度可达5m以内；通信距离远最大可达15km。多次在靶场试验中得到成功应用和检验。

Description

一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法
技术领域
本发明属于靶场测控技术领域，特别是涉及一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法。
背景技术
火力打击任务是检验部队作战能力的重要科目，该项任务的检测需要获得较精确的弹着点坐标。目前，靶场测量弹着点的方法主要有两种，一种是通过人工排查加实地测量，另外一种是通过光学设备交会获得，但这两种方法均存在缺陷，如光学设备受约束角、视场角限制，并且对于暗、弱、小的目标测量效果不佳。当多发炮弹连续打击时，地面扬起的尘土会对后续的炸点产生遮挡。而且，武器装备打击精度较高，落点位置较集中，在交会计算时会出现共面问题，给数据处理带来一定的困难。而人工测量的方式，需要进入落区实测，不但效率较低，而且无法确定是否存在未爆弹，有安全隐患。另外，实地测量无法确定弹序，并且大量落点集中在一起，容易出现漏测、错测的情况。
利用声定位技术测量落点坐标可以克服上述问题，弥补了光学测量方法的不足，具有如下几点优势：
（1）能快速获取精度较高的弹着点坐标，且能准确区分弹序；
（2）实时观察弹丸作用情况，及时发现是否存在未爆弹，排除安全隐患。
近年来，声源定位技术已经成为一大研究热点，国内多家单位对其投入大量研究，但是还存在一些问题，比如：
（1）靶场环境复杂，探测器布设方式不能有太严格的限制，但考虑设备的使用效率，布站方式是必须要重点考虑；
（2）当多个声源目标以较短的时间间隔依次发生时，由于声波传播速度较慢，以及空间位置差异，会造成探测器接收信号的时序关系发生混乱，这就是靶场中常出现的多目标处理问题，如果不加处理会得到错误的结果；
（3）靶场地势较平坦，起伏较小，探测器与目标在高程方向上差异较小，使得计算模型出现病态，无法精确获得目标的三维坐标。
发明内容
为了解决已有技术存在的问题，本发明提出了一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法。
一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法的基本原理如下：根据靶场的地形环境，依据理论弹道模型推算出弹丸落点区域，以声震波探测器前端单元数量适中为原则，在电子地图上设计合理的布站方式，然后，在靶场按所述的布站方式在弹丸落点周围布设声震波探测器前端单元，接收弹丸落地时产生的声信号，对信号进行处理，提取出声震波探测器前端单元间的时延差，进行交会计算得到声源坐标，即弹丸落点坐标。
一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于由多个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及载车组成；
所述的声震波探测器前端单元布置于理论弹道推算出的弹丸落点区域周围，声震波探测器前端单元由声震波传感器、A/D转换模块、前端控制处理模块、GPS/北斗授时模块和前端无线通信终端（简称前端CPE）组成；声震波传感器接收弹丸落地产生的声波，并将接收到的信号通过A/D转换模块转变成模拟信号；前端控制处理模块对声震波传感器输出的电信号进行滤波、放大、采样，接收GPS/北斗授时模块传送的授时信息，将授时信息与声震波信号打包，以无线传输的方式发送给中心站，并接收和处理中心站传来的指令；GPS/北斗授时模块对声震波探测器前端单元进行授时，实现探测信号的时间统一；前端CPE和中心CPE作为4G网络终端，通过4G网络以无线传输的方式完成各个声震波探测器前端单元与中心站之间的通讯；4G网络的通信依靠4G基站，4G基站在一个独立的载车中；
所述的4G网络通信单元由核心网设备、基站设备组成；核心网设备和基站设备放置在独立的载车内。核心网设备提供包括用户位置信息管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输、用户数据传输、系统接入控制、无线信道的加扰解扰、移动性管理诸功能；基站设备包括BBU基带处理单元和RRU射频单元，BBU基带处理单元用于基带信号处理，RRU射频单元用于将基带光信号转成射频信号放大发送至网络终端；
所述的辅助单元包括发电机、配电箱、UPS、声震波传感器校准设备、示波器、手持GPS、工具箱；发电机通过配电箱为中心站单元供电，UPS保证设备供电需求；声震波传感器校准设备通过对声震波传感器的技术指标进行测量，确保系统中使用的声震波传感器的技术指标满足要求；示波器用于检测信号同步；手持GPS在声震波探测器前端单元布设与回收时，起到定位与导航的作用；工具箱用于维修设备；中心站单元和辅助单元装载在载车上；
所述的中心站单元由中心无线通信终端（简称中心CPE）、中心计算机和气象设备组成；中心CPE接收各个声震波探测器前端单元发回的工作状态信息和原始采集数据，并向各个声震波探测器前端单元发送指令；所述的工作状态包括网络通信、声震波传感器、BD/GPS、SD卡、电量；气象测量设备测量中心站及落区的气象数据，对信号的传播速度值进行修正；中心站单元和辅助单元装载在载车上；所述的中心计算机中存储并运行程序，该程序包括布站方式决策模块、系统自检模块、任务管理模块、原始数据接收及处理模块、自动提取模块、人工提取模块、气象采集模块、单目标处理模块、多目标处理模块。
布站方式决策模块101
首先，根据靶场的地形环境，在电子地图上依据理论弹道模型推算出的弹丸落点区域，在电子地图上设计布站方式和分布均匀的点位，然后，在弹丸落区周围按所述的布站方式在弹丸落点周围布设声震波探测器前端单元；
该模块从布站图型和布设数量提供了声震波探测器前端单元布站方式优化功能:当声震波探测器前端单元数量n≥3，计算模型中的系数矩阵B可分解为，为正交列满秩矩阵，G为行满秩矩阵，将矩阵G的行向量设为，假设g 1 为范数最大的行向量，则观测结构评价因子E为公式1：
式中，B为计算模型中的系数矩阵，其与误差方程6中的矩阵B相同，g 1 为矩阵G范数最大的行向量，E为观测结构评价因子；
E的范围为，E的值可以较好的反应结构的优劣，靠近1代表结构较好，靠近0代表结构较差；
优化方案从布站图型和布设数量两个角度考虑；
第一，根据具体情况选择布站图型；
适合靶场应用的布站图型，优选有“L”型、“U”字型、“Ⅱ”型、“口”字型、“田”字型五种；
经试验测试发现：“Ⅱ”型由于在X方向上布设的声震波探测器前端单元数量较少，因此相对于其他图型在X方向精度较差；“L”型虽然在X、Y两个方向上布设声震波探测器前端单元数量一样，但是对测试精度的影响不均匀，受弹丸落点位置影响较大；“U”字型、“口”字型、“田”字型从结构上看，差异较小，但是“口”字型对测试精度的影响比“U”字型均匀，却不如“田”字型均匀。具体使用哪种布站图型，主要由试验要求和环境情况决定。具体评价布站方式优劣的方法如下：
利用电子地图，在弹丸落区内随机选择100个点位，根据公式1，求出这些点位对应的“E”值，再求出所有“E”值的平均值和均方差，“E”值的平均值越靠近1越好；“E”值的均方值代表设计的布站方式对弹丸落点测量精度影响的稳定性，该值越小越好；
在电子地图上设计适合靶场试验的布站图型，利用上述方法求出100个点位的“E”值平均值和均方差，如果结果不符合试验要求，调整布站图型，直至满足要求，“E”值的平均值和均方差最低要求，需要根据试验的具体情况决定；
第二，除了要优化布站图型外，还需要优化声震波探测器前端单元的数量，使用过多的声震波探测器前端单元，不会明显提高测试精度，反而降低了系统的使用效率；
确定布站图型后，可以通过在布站图型的某条直线上增加或减少探测器数量的方式进一步优化结构。
系统自检模块102
该模块通过4G网络向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；
a)文件转发
在停止采集的状态下，中心站单元向指定的声震波探测器前端单元发送指令并附带需要转发的数据，声震波探测器前端单元接收到该指令后将指定的数据转发给中心站单元，中心站单元收到数据后，将它与先前发送的数据进行比对，检验通信的误码率；
如果发现采集过程中收到的数据有错误，中心站单元在停止采集的状态下，向指定的声震波探测器前端单元发送指令，声震波探测器前端单元收到指令后，从SD卡中读出该段数据，重新发送给中心站单元；
b)数据重发
声震波探测器前端单元接收到数据重发指令后，从SD卡中读出指定数据段数据进行重发。
任务管理模块103
该模块在设备使用前，将相关信息和数据录入数据库中进行存储和管理；系统使用结束后，将气象数据和试验数据追加到当天的记录中；
所述的信息和数据包括任务名称、试验时间、弹种、射程、弹丸的理论落点坐标、弹丸的散布范围、组数、发数、检测负责人、参试人员、声震波探测器前端单元的位置坐标、网络IP地址信息。其中，理论落点与散布范围在试验前由试验总体单位提供，程序采用的数据库是Microsoft Office Access 2003；
任务管理模块具备刷新纪录、添加记录、修改记录、删除记录、清空纪录功能。
数据实时显示与回放模块104
声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块104进行数据实时显示与存储；
为防止图像显示过程中由于屏幕刷新产生抖动，采用了双缓冲技术：先将显示的各要素全部写在内存中，然后将内存中要显示的要素一次全部写入显示部分，使用该技术后，图像动态显示画面清晰流畅，无卡顿现象；
该模块还具备如下功能：
a)实时显示声震波探测器前端单元的电量、网络连接状态、北斗定位、声震波传感器状态、SD卡存储状态；
b)获得声震波探测器前端单元坐标，并可以完成GPS84坐标、北京54坐标、靶场自定义坐标之间的转换；
c)重置北斗定位和声震波传感器；
d)检核声震波探测器前端单元的同步精度；
e)回放存储在中心计算机中的原始数据；
以上功能均是通过命令的方式执行；
状态信息帧：
声震波探测器前端单元接收到“系统自检”指令后，作为应答，向中心站单元发送本单元的声震波探测器的状态信息，该信息打包成“状态信息帧”；
信号数据帧：
声震波探测器前端单元接收到中心站单元发出的“数据采集”指令后，A/D转换器按5KHz的采样率工作，并按100ms时间间隔划分时间段，将每个时间段的数据打包成“信号数据帧”，上传给中心计算机；
由于通信链路发送和接收分时进行，为了能够及时接收到中心站单元的指令，声震波探测器前端单元不能一直发送数据，需要有侦听中心站单元指令的时间。
目标时刻自动提取模块105
该模块提供了三种快速提取目标特征点时刻的方法，实现从数据实时显示与回放模块104 得到的原始数据中快速提取时延差；
a)峰值提取法
初步判断目标可能出现的时间段，选取波形中振幅最大的时刻为特征点，每个声震波探测器前端单元提取的规则一致，这样就得到声波到达第i个声震波探测器前端单元的时间t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中，通过t i ，便可以获得时延差；
b)能量中心法
将波形中超过阈值的部分作为爆炸能量持续过程，以振幅为权，进行加权平均，得到能量按时间分布的中心时刻作为目标时刻，首先，选取起始时刻和结束时刻的中心时刻为基准时刻t 0 ，其余各时刻与基准时刻求差，得到△ti，每个时刻的振幅为Pi，则能量中心时刻为△t=∑(△ti*Pi)/ ∑Pi，目标时刻为：t= t 0 +△t，每个声震波探测器前端单元均按此规则提取；
c)相关法
任意选取一个声震波探测器前端单元波形作为基本波形，其余声震波探测器前端单元的波形与其作相关处理，直接得到时间差，具体的步骤：提取所有声震波探测器前端单元波形信号中包含目标的一段波形，记录这段波形的起止时刻及波形内每个时刻的振幅，并以波形最短的一个声震波探测器前端单元为基准，将所有前端单元的起点时刻对齐，求取时间差△t 0j。任意选取某一个前端单元的波形，与基准波形进行相关处理，处理办法为：在做相关处理的两个波形上，每个对应时刻的振幅相减得到一系列振幅差值，将这些振幅差值进行平方求和，将基准数据移动一个时间单元，再求出相应的振幅差值平方和，不断移动基准波形，直到两个波形的终点时刻对齐为止，比较所有的振幅差值平方和值，记录平方和最小时，基准数据移动的次数，时间单元×次数等于移动的时间差△△t 0j, △△t 0j加起始时刻即为这个声震波探测器前端单元与基准前端单元的时延差；重复上述过程，将所有声震波探测器前端单元依次与基准前端单元进行比对。
人工提取模块106
该模块针对信号干扰较大，不宜自动提取的情况下使用，效率较低，但可靠性较高，该模块通过人工的方式获取目标出现的特征点时刻；
由于弹丸落点与各个声震波探测器单元之间的距离存在较大差异，为降低这种差异对特征点提取带来的影响，声震波前端单元中的前端控制处理模块将采集的信号放大三个倍数，分别为10倍、140倍、1000倍，并将三个放大倍数的信号一同显示并存储；
用鼠标点击信号曲线上的特征点，获取特征点的对应时刻t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中。
气象采集模块107
该模块通过串口通信的方式控制气象设备，当气象设备收到指令后开始采集气象参数，参数包括温度、湿度、风速、风向、气压的值，试验前和试验后分别测量一次；
声速具体的修正模型如下所示：
温度与声速近似成线性关系，公式2为：
式中，为声速，为环境温度，单位为摄氏度；
时延观测值修正模型3为：
式中，为声源发出声波的起始时刻，风速为，风向角为，风向角是风向与轴正向的夹角，为向量与轴正向的夹角，为时延差修正值。
单目标处理模块108
该模块根据其他模块提供的相关数据，选择交会定位算法，完成单发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中显示，并传送到指挥显示大厅，交会定位算法为a)算法1或b)算法2；
所述的a)算法1如下：根据声震波探测器前端单元与弹丸落点的几何关系，构造如下误差函数公式4：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声速，为与的时间差，为各声震波探测器前端单元接收到声源信号的时刻，为弹丸落点到声震波探测器前端单元的距离，为弹丸落点的位置坐标，见公式5；
式中，为声震波探测器前端单元的位置坐标；
对公式4在初值处进行泰勒级数展开，省略二次以上高阶项，建立误差方程6：
式中，为残差，为声源坐标估值的改正数，B为系数矩阵，具体形式为公式7：
，
，
，
为观测值向量，具体形式见公式8：
式中，为迭代计算的初值，即弹丸落点的概率坐标，、和的含义与公式4、5相同；
由初值代入公式5得出；
根据最小二乘原理可列出法方程9：
式中，B为系数矩阵，具体形式为公式7，P为观测值权阵，它能反映观测值精度的优劣，当观测值精度相同，且不考虑彼此相关性时，取单位矩阵；为初值改正数，为观测值向量；
当矩阵B为列满秩矩阵时，解法方程可得唯一解10：
将公式10的解算结果与初值相加，即可得到声源坐标为：
所述的b)算法2如下：根据声震波探测器前端单元与声源的几何关系（见图4），可以建立如下方程组 11：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声震波探测器前端单元的位置坐标，为弹丸落点的位置坐标，为声速，是声震波探测器前端单元接收到目标特征点时刻，t为从弹丸落地到基准声震波探测器前端单元接收到目标经历的时间，为其他时刻与的时间差；
对方程组11中的n个方程分别展开，然后依次相减可得方程组 12：
式中，，变量含义与方程组11相同；
对方程组12进行消元处理，即可得到一个线性方程组13：
式中，变量及含义与方程组12相同，B为系数矩阵，矩阵元素赋值如下：
，
，
。
对方程组13建立误差方程14
式中，与矩阵B含义与方程组12、13相同。为计算结果，为残差；
解误差方程，可得到声源的位置坐标；
粗差探测：
初步解算弹丸落点概略坐标值，并计算其到各个声震波探测器单元的距离，选第一个声震波传感器距离作为基准，其它声震波探测器单元距离与之相减，得到距离差，利用及声波传播速度可反算出时间差，如果没有粗差，与声震波探测器单元得到的时间差相差不大，即较小；反之，较大，粗差探测公式15如下：
式中，为声震波探测器单元获得的时间差，为反算的时间差，为与的差值；
粗差处理方法：
考虑观测值可能含有粗差，但解算结果出现明显错误时，需要将稳健估计模型加入到计算模型中；
等价权函数为公式16：
式中，为调整后的权阵，为调整前的权阵，为常数，可根据残差决定取值范围，；
具体计算的迭代过程如下：
1) 列误差方程6，令: ，为观测权阵，为第一次迭代的观测权阵；
2) 解算法方程式17；
式中，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为计算结果，为初始观测权阵；
解公式17得公式18和公式 19：
式中，为第一次迭代得到的弹丸落点坐标，第一次迭代的残差，向量L、矩阵B和权阵的含义与法方程式17相同；
3)由按公式16确定各观测值新的权阵，再解法方程17得公式20和公式 21：
式中，为第二次迭代得到的弹丸落点坐标，第二次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第2次迭代后得到的观测权阵；
4) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解算法方程17，类似迭代计算，直至前后两次解的差值符合限差要求为止；
5) 最后的结果为公式22和公式23:
式中，为第n次迭代得到的弹丸落点坐标，第n次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第n次迭代后得到的观测权阵；
病态性问题处理方法：
采用岭估计公式24为：
式中，为弹丸落点坐标计算结果，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为岭参数，为常数，为同阶的单位阵，采用岭迹法选取岭参数。
多目标处理模块109
当多发炮弹以较短的时间间隔发射时，时常会出现时序混乱的情况，需要对时序重新排序，再对各目标落点坐标进行定位解算，该模块提供了a)方法1或b)方法2；
所述的a)方法1如下：
将各个声震波探测器前端单元的目标特征点时刻按从小到大顺序进行排列，不考虑时序混乱问题，对每发弹数据进行定位解算，将解算结果依次代入公式5中，反算基准声震波探测器前端单元到其它声震波探测器前端单元的距离差，再除以声速，得时延差，将时延差与观测值进行对比，所述的观测值来自于声震波探测器前端单元采集的原始数据，将差异较大的声震波探测器前端单元数的时序不断进行调整，直至所有声源的反算时延差与观测值几乎相同为止；
所述的b)方法2如下：
(1) 选择布站结构较好的5个声震波探测器前端单元，将它们的多目标数据进行排列组合，设声源数为n，则共有n 5个时序；
(2) 对n 5个时序进行定位解算，找出方差较小的50个时序；
(3) 同一个声源不可能重复使用一个声震波探测器前端单元的两个时延值，以此为判断依据，得到最优的时序；
(4) 除了以上选择的5个声震波探测器前端单元外，从其它的声震波探测器前端单元中随机选取一个作为第6个声震波探测器前端单元，将其数据加入到计算模型中，进行解算，如果出现残差较大的情况，必然是后加入的数据出现错误，对第6个声震波探测器前端单元的n！个时序进行调整，找出方差最小的时序；
(5)重复过程(4)，将剩余声震波探测器前端单元的时序调整完毕。
一种弹丸落点坐标声震波探测方法如下：
一、一种弹丸落点坐标声震波探测方法使用的探测系统如上所述；
二、一种弹丸落点坐标声震波探测方法的步骤和条件如下：
进行步骤100，
进行声震波探测器前端单元布站，从声震波探测器前端单元的布站图形和布设数量两个角度考虑，通过所述的布站方式决策模块101选择布站方式；
进行步骤110，对系统进行初始化并自检，通过系统自检模块102向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G通信网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；
进行步骤120，录入相关信息和数据，在靶场试验前，通过所述的任务管理模块103将相关信息和数据录入中心计算机的数据库中；靶场试验结束后，将气象信息和试验数据追加到数据库中；
进行步骤130，原始数据实时显示与存储，声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块104，该模块将数据保存到中心计算机中，并在中心计算机的显示器上实时显示；
进行步骤140，是否自动提取时延差数据；是，进行步骤150；否，进行步骤145；
进行步骤150，对原始数据进行时延差的自动提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过自动提取模块105完成时延差的快速自动提取；
进行步骤145，对原始数据进行时延差的人工提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过人工提取模块106完成时延差的手工提取；
进行步骤155，采集气象数据并对声波的传播速度进行修正，当气象设备收到中心站单元开始采集气象参数的指令后，通过气象采集模块107采集中心站和弹丸落点区域的气象数据，根据气象数据，对声波的传播速度进行修正；
进行步骤160，是否单目标数据；是，进行步骤170；否，进行步骤180；
进行步骤170，交会计算得到单发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过单目标处理模块108完成单发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤180，通过多目标处理方法完成交会计算得到多发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过多目标处理模块109完成多发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤200，结束。
有益效果：本发明的一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法，从声学应用的角度提出了一种弹丸落点坐标测试的手段，不受视场角限制，可以很好的弥补光学设备的不足；能快速准确地获取精度较高的弹着点坐标，且能准确区分弹序；能实时监控弹丸作用情况，及时发现是否存在未爆弹，排除安全隐患。本发明的弹丸落点坐标声震波探测系统探测范围较大，为3km×3km~10km×10km，这个指标由测试弹丸种类决定；可实时监控弹丸作用情况，所述的弹丸作用情况包括未爆炸、半爆炸及完全爆炸；测量精度较高，探测范围3km×3km时，精度可达5m以内；通信距离远，最大可达15km；能较好的保证参试人员安全，多次在靶场试验中得到成功应用和检验。
附图说明
图1为本发明的弹丸落点坐标声震波探测系统结构图。
图2为本发明的中心计算机软件流程的模块组成图。
图3为靶场常用的五种布站图型示意图。
图4为本发明的定位算法示意图。
图5为本发明的声震波弹丸落点坐标探测方法流程图。
图6为本发明多声源定位数据处理原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于由32个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及（见图1）；
所述的声震波探测器前端单元布置于理论弹道推算出的弹丸落点区域周围，声震波探测器前端单元由声震波传感器、A/D转换模块、前端控制处理模块、GPS/北斗授时模块和前端无线通信终端（简称前端CPE）组成；声震波传感器接收弹丸落地产生的声波，并将接收到的信号通过A/D转换模块转变成模拟信号；前端控制处理模块对声震波传感器输出的电信号进行滤波、放大、采样，接收GPS/北斗授时模块传送的授时信息，将授时信息与声震波信号打包，以无线传输的方式发送给中心站，并接收和处理中心站传来的指令；GPS/北斗授时模块对声震波探测器前端单元进行授时，实现探测信号的时间统一；前端CPE和中心CPE作为4G网络终端，通过4G网络以无线传输的方式完成各个声震波探测器前端单元与中心站之间的通讯；4G网络的通信依靠4G基站，4G基站在一个独立的载车中；
所述的4G网络通信单元由核心网设备、基站设备组成；核心网设备和基站设备放置在独立的载车内。核心网设备提供包括用户位置信息管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输、用户数据传输、系统接入控制、无线信道的加扰解扰、移动性管理诸功能；基站设备包括BBU基带处理单元和RRU射频单元，BBU基带处理单元用于基带信号处理，RRU射频单元用于将基带光信号转成射频信号放大发送至网络终端；
所述的辅助单元包括发电机、配电箱、UPS、声震波传感器校准设备、示波器、手持GPS、工具箱；发电机通过配电箱为中心站单元供电，UPS保证设备供电需求；声震波传感器校准设备通过对声震波传感器的技术指标进行测量，确保系统中使用的声震波传感器的技术指标满足要求；示波器用于检测信号同步；手持GPS在声震波探测器前端单元布设与回收时，起到定位与导航的作用；工具箱用于维修设备；中心站单元和辅助单元装载在载车上；
所述的中心站单元由中心无线通信终端（简称中心CPE）、中心计算机和气象设备组成；中心CPE接收各个声震波探测器前端单元发回的工作状态信息和原始采集数据，并向各个声震波探测器前端单元发送指令；所述的工作状态包括网络通信、声震波传感器、BD/GPS、SD卡、电量；气象测量设备测量中心站及落区的气象数据，对信号的传播速度值进行修正；中心站单元和辅助单元装载在载车上；所述的中心计算机中存储并运行程序，该程序包括布站方式决策模块、系统自检模块、任务管理模块、原始数据接收及处理模块、自动提取模块、人工提取模块、气象采集模块、单目标处理模块、多目标处理模块（见图2）。
布站方式决策模块101
首先，根据靶场的地形环境，在电子地图上依据理论弹道模型推算出的弹丸落点区域，在电子地图上设计布站方式和分布均匀的点位，然后，在弹丸落区周围按所述的布站方式在弹丸落点周围布设声震波探测器前端单元；
该模块从布站图型和布设数量提供了声震波探测器前端单元布站方式优化功能:当声震波探测器前端单元数量n≥3，计算模型中的系数矩阵B可分解为，为正交列满秩矩阵，G为行满秩矩阵，将矩阵G的行向量设为，假设g 1 为范数最大的行向量，则观测结构评价因子E为公式1：
式中，B为计算模型中的系数矩阵，其与误差方程6中的矩阵B相同，g 1 为矩阵G范数最大的行向量，E为观测结构评价因子；
E的范围为，E的值可以较好的反应结构的优劣，靠近1代表结构较好，靠近0代表结构较差；
优化方案从布站图型和布设数量两个角度考虑；
第一，根据具体情况选择布站图型；
适合靶场应用的布站图型，优选有“L”型、“U”字型、“Ⅱ”型、“口”字型、“田”字型五种（见图3）；
经试验测试发现：“Ⅱ”型由于在X方向上布设的声震波探测器前端单元数量较少，因此相对于其他图型在X方向精度较差；“L”型虽然在X、Y两个方向上布设声震波探测器前端单元数量一样，但是对测试精度的影响不均匀，受弹丸落点位置影响较大；“U”字型、“口”字型、“田”字型从结构上看，差异较小，但是“口”字型对测试精度的影响比“U”字型均匀，却不如“田”字型均匀。具体使用哪种布站图型，主要由试验要求和环境情况决定。具体评价布站方式优劣的方法如下：
利用电子地图，在弹丸落区内随机选择100个点位，根据公式1，求出这些点位对应的“E”值，再求出所有“E”值的平均值和均方差，“E”值的平均值越靠近1越好；“E”值的均方值代表设计的布站方式对弹丸落点测量精度影响的稳定性，该值越小越好；
在电子地图上设计适合靶场试验的布站图型，利用上述方法求出100个点位的“E”值平均值和均方差，如果结果不符合试验要求，调整布站图型，直至满足要求，“E”值的平均值和均方差最低要求，需要根据试验的具体情况决定；
第二，除了要优化布站图型外，还需要优化声震波探测器前端单元的数量，使用过多的声震波探测器前端单元，不会明显提高测试精度，反而降低了系统的使用效率；
确定布站图型后，可以通过在布站图型的某条直线上增加或减少探测器数量的方式进一步优化结构,本实施例探测器数量为32个。
系统自检模块102
该模块通过4G网络向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G网络传送回中心站单元，自检的内容包括网络通信状态、声震波探测器前端单元状态信息、GPS/北斗授时系统工作状态、声震波探测器前端单元电源电压、SD卡存储状态等，中心站单元接收到自检信息后显示在仿真面板上；
a)文件转发
在停止采集的状态下，中心站单元向指定的声震波探测器前端单元发送指令并附带需要转发的数据，声震波探测器前端单元接收到该指令后将指定的数据转发给中心站单元。
指定需要检测的声震波探测器前端单元，生成检核数据并发送至声震波探测器前端单元，声震波探测器前端单元接收到数据后转发给中心站单元，中心站单元收到数据后，将它与先前发送的数据进行比对，检验通信的误码率，转发数据帧格式见表1：
表1 转发数据帧的格式
偏移地址 0 3 4 5 6 7 9 10 11 12 … 10+n
内容 0x678904 nn hh mm ss ssss st n D1 D2 … Dn
其中：0x678904为状态信息帧的标识码；
nn为声震波探测器前端单元编号；
hh、mm、ss分别为当前时、分、秒时间码；
D1～Dn为转发的数据字节，即“数据转发”指令附带的数据序列；
如果发现采集过程中收到的数据有错误，中心站单元在停止采集的状态下，向指定的声震波探测器前端单元发送指令，声震波探测器前端单元收到指令后，从SD卡中读出该段数据，重新发送给中心站单元；
b)数据重发
声震波探测器前端单元接收到数据重发指令后，从SD卡中读出指定数据段数据进行重发，重发数据帧格式见表2：
表2 重发数据帧的格式
偏移地址 0 3 4 6 7 8 9 11 12 14 15 … 12+n 13+n
内容 0x678903 nn FN hh mm ss ssss st n D1 D2 … Dn sum
其中：0x678903为状态信息帧的标识码；
nn为声震波探测器前端单元编号；
hh、mm、ss分别为时、分、秒时间码；
ssss为秒以下的时间码，单位0.1ms；
st为声震波探测器前端单元状态字；
n为数据帧信号数据字节数，无符号16位二进制数，于100ms采集的字节数；
D1～Dn为采集的数据序列；
sum 为校验和。
任务管理模块103
该模块在设备使用前，将相关信息和数据录入数据库中进行存储和管理，否则，声震波传感器无法与中心计算机实现网络通信，也无法通过交会的方式获得弹丸的落点坐标；系统使用结束后，将气象数据和试验数据追加到当天的记录中，方便以后查询。
所述的信息和数据包括任务名称、试验时间、弹种、射程、弹丸的理论落点坐标、弹丸的散布范围、组数、发数、检测负责人、参试人员、声震波探测器前端单元的位置坐标、网络IP地址信息。其中，理论落点与散布范围在试验前由试验总体单位提供，程序采用的数据库是Microsoft Office Access 2003；
任务管理模块具备刷新纪录、添加记录、修改记录、删除记录、清空纪录功能。
数据实时显示与回放模块104
声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块104，该模块将采集数据在中心计算机的显示器上实时显示出来，并将数据保存到中心计算机中；
为防止图像显示过程中由于屏幕刷新产生抖动，采用了双缓冲技术：先将显示的各要素全部写在内存中，然后将内存中要显示的要素一次全部写入显示部分，使用该技术后，图像动态显示画面清晰流畅，无卡顿现象；
该模块还具备如下功能：
a)实时显示声震波探测器前端单元的电量、网络连接状态、北斗定位、声震波传感器状态、SD卡存储状态；
b)获得声震波探测器前端单元坐标，并可以完成GPS84坐标、北京54坐标、靶场自定义坐标之间的转换；
c)重置北斗定位和声震波传感器；
d)检核声震波探测器前端单元的同步精度；
e)回放存储在中心计算机中的原始数据；
以上功能均是通过命令的方式执行，系统命令字定义参见表3
表3 系统命令字定义
状态信息帧：
声震波探测器前端单元接收到“系统自检”指令后，作为应答，向中心站单元发送本单元的声震波探测器的状态信息，该信息打包成“状态信息帧”，其格式见表4：
表4 状态信息帧的格式
偏移地址 0 3 4 5 6 7 9 10 12 14
内容 0x678901 nn hh mm ss ssss st volt capa sum
其中，0x678901为状态信息帧的标识码；
nn为单元的声震波探测器前端单元编号；
hh、mm、ss分别为时、分、秒时间码；
ssss为秒以下的时间码，单位0.1ms；
st为声震波探测器前端单元状态字；
sum为该数据帧中前10个字节的校验和，即为前面8个字节按位“或”运算得到的值；
Volt为电池电压检测值，单位mV；
Sum为该数据帧中前14个字节的校验和；
信号数据帧：
声震波探测器前端单元接收到中心站单元发出的“数据采集”指令后，A/D转换器按5KHz的采样率工作，并按100ms时间间隔划分时间段，将每个时间段的数据打包成“信号数据帧”，上传给中心计算机，其格式见表5：
表5 信号数据帧的格式
偏移地址 0 3 4 5 6 7 9 11 12 14 15 … 12+n 13+n
内容 0x678902 nn Fn hh mm ss ssss st n D1 D2 … Dn sum
其中，0x678902为状态信息帧的标识码；
nn为声震波探测器前端单元编号；
hh、mm、ss分别为时、分、秒时间码；
ssss为秒以下的时间码，单位0.1ms；
st为声震波探测器前端单元状态字；
n为本数据帧信号数据字节数，无符号16位二进制数，于100ms采集的字节数；
D1～Dn为采集的数据序列，共n个字节，该数据序列需按顺序将每3个字节拆成2个采集点的数据，拆分规则为：3个字节中第1、第3字节分别为第1、第2采样点的低8位数据，第2字节的低4位和高4位分别为第1、第2采样点的第9～12位数据；
sum为校验和；
由于通信链路发送和接收分时进行，为了能够及时接收到中心站单元的指令，声震波探测器前端单元不能一直发送数据，需要有侦听中心站单元指令的时间；为此，又将100ms时间段分为80ms发送数据时间和20ms侦听指令时间两部分，要求在80ms时间内将前100ms采集的数据发送出去，然后转为侦听状态，20ms后在发送下一组数据。
声震波探测器前端单元的A/D转换采用5KHz采样率，每个数据位12位，每2个采样数据合并成3字节传送，100ms共500个采样点，合并为750字节，打包成数据帧为768字节，这些数据用80ms的时间发送出去，要求通信速率不低于100kbps。
目标时刻自动提取模块105
该模块提供了三种快速提取目标特征点时刻的方法，实现从数据实时显示与回放模块104 得到的原始数据中快速提取时延差；
a)峰值提取法
初步判断目标可能出现的时间段，选取波形中振幅最大的时刻为特征点，每个声震波探测器前端单元提取的规则一致，这样就得到声波到达第i个声震波探测器前端单元的时间t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中，通过t i ，便可以获得时延差；
b)能量中心法
将波形中超过阈值的部分作为爆炸能量持续过程，以振幅为权，进行加权平均，得到能量按时间分布的中心时刻作为目标时刻，首先，选取起始时刻和结束时刻的中心时刻为基准时刻t 0 ，其余各时刻与基准时刻求差，得到△ti，每个时刻的振幅为Pi，则能量中心时刻为△t=∑(△ti*Pi)/ ∑Pi，目标时刻为：t= t 0 +△t，每个声震波探测器前端单元均按此规则提取；
c)相关法
任意选取一个声震波探测器前端单元波形作为基本波形，其余声震波探测器前端单元的波形与其作相关处理，直接得到时间差，具体的步骤：提取所有声震波探测器前端单元波形信号中包含目标的一段波形，记录这段波形的起止时刻及波形内每个时刻的振幅，并以波形最短的一个声震波探测器前端单元为基准，将所有前端单元的起点时刻对齐，求取时间差△t 0j。任意选取某一个前端单元的波形，与基准波形进行相关处理，处理办法为：在做相关处理的两个波形上，每个对应时刻的振幅相减得到一系列振幅差值，将这些振幅差值进行平方求和，将基准数据移动一个时间单元，再求出相应的振幅差值平方和，不断移动基准波形，直到两个波形的终点时刻对齐为止，比较所有的振幅差值平方和值，记录平方和最小时，基准数据移动的次数，时间单元×次数等于移动的时间差△△t 0j, △△t 0j加起始时刻即为这个声震波探测器前端单元与基准前端单元的时延差；重复上述过程，将所有声震波探测器前端单元依次与基准前端单元进行比对。
人工提取模块106
该模块针对信号干扰较大，不宜自动提取的情况下使用，效率较低，但可靠性较高，该模块通过人工的方式获取目标出现的特征点时刻；
由于弹丸落点与各个声震波探测器单元之间的距离存在较大差异，为降低这种差异对特征点提取带来的影响，声震波前端单元中的前端控制处理模块将采集的信号放大三个倍数，分别为10倍、140倍、1000倍，并将三个放大倍数的信号一同显示并存储；
用鼠标点击信号曲线上的特征点，获取特征点的对应时刻t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中。
气象采集模块107
该模块通过串口通信的方式控制气象设备，当气象设备收到指令后开始采集气象参数，参数包括温度、湿度、风速、风向、气压的值，试验前和试验后分别测量一次；
声速具体的修正模型如下所示：
温度与声速近似成线性关系，公式2为：
式中，为声速，为环境温度，单位为摄氏度；
时延观测值修正模型3为：
式中，为声源发出声波的起始时刻，风速为，风向角为，风向角是风向与轴正向的夹角，为向量与轴正向的夹角，为时延差修正值。
单目标处理模块108
该模块根据其他模块提供的相关数据，选择交会定位算法，完成单发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中显示，并传送到指挥显示大厅，交会定位算法为a)算法1或b)算法2；
所述的a)算法1如下：根据声震波探测器前端单元与弹丸落点的几何关系（见图4），构造如下误差函数公式4：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声速，为与的时间差，为各声震波探测器前端单元接收到声源信号的时刻，为弹丸落点到声震波探测器前端单元的距离，为弹丸落点的位置坐标，见公式5；
式中，为声震波探测器前端单元的位置坐标；
对公式4在初值处进行泰勒级数展开，省略二次以上高阶项，建立误差方程6：
式中，为残差，为声源坐标估值的改正数，B为系数矩阵，具体形式为公式7：
，
，
，
为观测值向量，具体形式见公式8：
式中，为迭代计算的初值，即弹丸落点的概率坐标，、和的含义与公式4、5相同；
由初值代入公式5得出；
根据最小二乘原理可列出法方程9：
式中，B为系数矩阵，具体形式为公式7，P为观测值权阵，它能反映观测值精度的优劣，当观测值精度相同，且不考虑彼此相关性时，取单位矩阵；为初值改正数，为观测值向量；
当矩阵为列满秩矩阵时，解法方程可得唯一解10：
将公式10的解算结果与初值相加，即可得到声源坐标为：
所述的b)算法2如下：根据声震波探测器前端单元与声源的几何关系（见图4），可以建立如下方程组 11：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声震波探测器前端单元的位置坐标，为弹丸落点的位置坐标，为声速，是声震波探测器前端单元接收到目标特征点时刻，t为从弹丸落地到基准声震波探测器前端单元接收到目标经历的时间，为其他时刻与的时间差；
对方程组11中的n个方程分别展开，然后依次相减可得方程组 12：
式中，，变量含义与方程组11相同；
对方程组12进行消元处理，即可得到一个线性方程组13：
式中，变量及含义与方程组12相同，B为系数矩阵，矩阵元素赋值如下：
，
，
。
对方程组13建立误差方程14
式中，与矩阵B含义与方程组12、13相同。为计算结果，为残差；
解误差方程，可得到声源的位置坐标；
粗差探测：
初步解算弹丸落点概略坐标值，并计算其到各个声震波探测器单元的距离，选第一个声震波传感器距离作为基准，其它声震波探测器单元距离与之相减，得到距离差，利用及声波传播速度可反算出时间差，如果没有粗差，与声震波探测器单元得到的时间差相差不大，即较小；反之，较大，粗差探测公式15如下：
式中，为声震波探测器单元获得的时间差，为反算的时间差，为与的差值；
粗差处理方法：
考虑观测值可能含有粗差，但解算结果出现明显错误时，需要将稳健估计模型加入到计算模型中；
等价权函数为公式16：
式中，为调整后的权阵，为调整前的权阵，为常数，可根据残差决定取值范围，；
具体计算的迭代过程如下：
1)列误差方程6，令,，为观测权阵，为第一次迭代的观测权阵；
2) 解算法方程式17；
式中，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为计算结果，为初始观测权阵；
解公式17得公式18和公式 19：
式中，为第一次迭代得到的弹丸落点坐标，第一次迭代的残差，向量L、矩阵B和权阵的含义与法方程式17相同；
3)由按公式16确定各观测值新的权阵，再解法方程17得公式20和公式21：
式中，为第二次迭代得到的弹丸落点坐标，第二次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第2次迭代后得到的观测权阵；
4) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解算法方程17，类似迭代计算，直至前后两次解的差值符合限差要求为止；
5) 最后的结果为公式22和公式23:
式中，为第n次迭代得到的弹丸落点坐标，第n次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第n次迭代后得到的观测权阵；
病态性问题处理方法：
采用岭估计公式24为：
式中，为弹丸落点坐标计算结果，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为岭参数，为常数，为同阶的单位阵，采用岭迹法选取岭参数。
多目标处理模块109
当多发炮弹以较短的时间间隔发射时，时常会出现时序混乱的情况，需要对时序重新排序，再对各目标落点坐标进行定位解算，该模块提供了a)方法1或b)方法2；
所述的a)方法1如下：
将各个声震波探测器前端单元的目标特征点时刻按从小到大顺序进行排列，不考虑时序混乱问题，对每发弹数据进行定位解算，将解算结果依次代入公式5中，反算基准声震波探测器前端单元到其它声震波探测器前端单元的距离差，再除以声速，得时延差，将时延差与观测值进行对比，所述的观测值来自于声震波探测器前端单元采集的原始数据，将差异较大的声震波探测器前端单元数的时序不断进行调整，直至所有声源的反算时延差与观测值几乎相同为止（见图5）；
所述的b)方法2如下：
(1) 选择布站结构较好的5个声震波探测器前端单元，将它们的多目标数据进行排列组合，设声源数为n，则共有n 5个时序；
(2) 对n 5个时序进行定位解算，找出方差较小的50个时序；
(3) 同一个声源不可能重复使用一个声震波探测器前端单元的两个时延值，以此为判断依据，得到最优的时序；
(4) 除了以上选择的5个声震波探测器前端单元外，从其它的声震波探测器前端单元中随机选取一个作为第6个声震波探测器前端单元，将其数据加入到计算模型中，进行解算，如果出现残差较大的情况，必然是后加入的数据出现错误，对第6个声震波探测器前端单元的n！个时序进行调整，找出方差最小的时序；
(5)重复过程(4)，将剩余声震波探测器前端单元的时序调整完毕。
上述介绍的两种方法适合不同的情况，如果弹丸数量较少时，直接使用第二种方法，如果弹丸数量较多，可先使用第一种方法进行处理，如果无法准确找到时序错误的数据，则说明第一种方法失效，只能采用第二种方法进行处理。
一种弹丸落点坐标声震波探测方法如下：
一、一种弹丸落点坐标声震波探测方法使用的探测系统如上所述；
二、一种弹丸落点坐标声震波探测方法的步骤和条件如下（见图6）：
进行步骤100，进行声震波探测器前端单元布站，从声震波探测器前端单元的布站图形和布设数量两个角度考虑，通过所述的布站方式决策模块101选择布站方式；
进行步骤110，对系统进行初始化并自检，通过系统自检模块102向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G通信网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；
进行步骤120，录入相关信息和数据，在靶场试验前，通过所述的任务管理模块103将相关信息和数据录入中心计算机的数据库中；靶场试验结束后，将气象信息和试验数据追加到数据库中；
进行步骤130，原始数据实时显示与存储，声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块104，该模块将数据保存到中心计算机中，并在中心计算机的显示器上实时显示；
进行步骤140，是否自动提取时延差数据；是，进行步骤150；否，进行步骤145；
进行步骤150，对原始数据进行时延差的自动提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过自动提取模块105完成时延差的快速自动提取；
进行步骤145，对原始数据进行时延差的人工提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过人工提取模块106完成时延差的手工提取；
进行步骤155，采集气象数据并对声波的传播速度进行修正，当气象设备收到中心站单元开始采集气象参数的指令后，通过气象采集模块107采集中心站和弹丸落点区域的气象数据，根据气象数据，对声波的传播速度进行修正；
进行步骤160，是否单目标数据；是，进行步骤170；否，进行步骤180；
进行步骤170，交会计算得到单发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过单目标处理模块108完成单发弹丸落点坐标的计算；
进行步骤190，将单发弹丸的落点坐标计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤180，通过多目标处理方法完成交会计算得到多发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过多目标处理模块109完成多发弹丸落点坐标的计算；
进行步骤190，将多发弹丸的落点坐标计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤200，结束。

Claims (7)

1.一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于由多个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及载车组成；
所述的声震波探测器前端单元布置于理论弹道推算出的弹丸落点区域周围，声震波探测器前端单元由声震波传感器、A/D转换模块、前端控制处理模块、GPS/北斗授时模块和前端无线通信终端（简称前端CPE）组成；声震波传感器接收弹丸落地产生的声波，并将接收到的信号通过A/D转换模块转变成模拟信号；前端控制处理模块对声震波传感器输出的电信号进行滤波、放大、采样，接收GPS/北斗授时模块传送的授时信息，将授时信息与声震波信号打包，以无线传输的方式发送给中心站，并接收和处理中心站传来的指令；GPS/北斗授时模块对声震波探测器前端单元进行授时，实现探测信号的时间统一；前端CPE和中心CPE作为4G网络终端，通过4G网络以无线传输的方式完成各个声震波探测器前端单元与中心站之间的通讯；4G网络的通信依靠4G基站，4G基站在一个独立的载车中；
所述的4G网络通信单元由核心网设备、基站设备组成；核心网设备和基站设备放置在独立的载车内；核心网设备提供包括用户位置信息管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输、用户数据传输、系统接入控制、无线信道的加扰解扰、移动性管理诸功能；基站设备包括BBU基带处理单元和RRU射频单元，BBU基带处理单元用于基带信号处理，RRU射频单元用于将基带光信号转成射频信号放大发送至网络终端；
所述的辅助单元包括发电机、配电箱、UPS、声震波传感器校准设备、示波器、手持GPS、工具箱；发电机通过配电箱为中心站单元供电，UPS保证设备供电需求；声震波传感器校准设备通过对声震波传感器的技术指标进行测量，确保系统中使用的声震波传感器的技术指标满足要求；示波器用于检测信号同步；手持GPS在声震波探测器前端单元布设与回收时，起到定位与导航的作用；工具箱用于维修设备；中心站单元和辅助单元装载在载车上；
所述的中心站单元由中心无线通信终端（简称中心CPE）、中心计算机和气象设备组成；中心CPE接收各个声震波探测器前端单元发回的工作状态信息和原始采集数据，并向各个声震波探测器前端单元发送指令；所述的工作状态包括网络通信、声震波传感器、BD/GPS、SD卡、电量；气象测量设备测量中心站及落区的气象数据，对信号的传播速度值进行修正；中心站单元和辅助单元装载在载车上；所述的中心计算机中存储并运行程序，该程序包括布站方式决策模块、系统自检模块、任务管理模块、原始数据接收及处理模块、自动提取模块、人工提取模块、气象采集模块、单目标处理模块、多目标处理模块；
布站方式决策模块（101）
首先，根据靶场的地形环境，在电子地图上依据理论弹道模型推算出的弹丸落点区域，在电子地图上设计布站方式和分布均匀的点位，然后，在弹丸落区周围按所述的布站方式在弹丸落点周围布设声震波探测器前端单元；
该模块从布站图型和布设数量提供了声震波探测器前端单元布站方式优化功能:当声震波探测器前端单元数量n≥3，计算模型中的系数矩阵B可分解为，为正交列满秩矩阵，G为行满秩矩阵，将矩阵G的行向量设为，假设g 1 为范数最大的行向量，则观测结构评价因子E为公式1：
式中，B为计算模型中的系数矩阵，其与误差方程6中的矩阵B相同，g 1 为矩阵G范数最大的行向量，E为观测结构评价因子；
E的范围为，E的值可以较好的反应结构的优劣，靠近1代表结构较好，靠近0代表结构较差；
确定布站图型后，可通过增减声震波探测器前端单元数量的方式进一步优化结构，评价标准依然依靠公式1获得的观测结构评价因子E；
系统自检模块（102）
该模块通过4G网络向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；
任务管理模块（103）
该模块在设备使用前，将相关信息和数据录入数据库中进行存储和管理；系统使用结束后，将气象数据和试验数据追加到当天的记录中；程序采用的数据库是MicrosoftOffice Access 2003；
数据实时显示与回放模块（104）
声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块（104）进行数据实时显示与存储；该模块还具备以下功能：a)实时显示声震波探测器前端单元的电量、网络连接状态、北斗定位、声震波传感器状态、SD卡存储状态；b)获得声震波探测器前端单元坐标，并可以完成GPS84坐标、北京54坐标、靶场自定义坐标之间的转换；c)重置北斗定位和声震波传感器；d)检核声震波探测器前端单元的同步精度；e)回放存储在中心计算机中的原始数据；
状态信息帧：声震波探测器前端单元接收到“系统自检”指令后，作为应答，向中心站发送本单元的声震波探测器的状态信息，该信息打包成“状态信息帧”；
目标时刻自动提取模块（105）
该模块从数据实时显示与回放模块（104）得到的原始数据中快速提取时延差，提取法有a)峰值提取法或b)能量中心法或c)相关法；
所述的 a)峰值提取法如下：
初步判断目标可能出现的时间段，选取波形中振幅最大的时刻为特征点，每个声震波探测器前端单元提取的规则一致，这样就得到声波到达第i个声震波探测器前端单元的时间t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中，通过t i ，便可以获得时延差；
所述的 b)能量中心法如下：
将波形中超过阈值的部分作为爆炸能量持续过程，以振幅为权，进行加权平均，得到能量按时间分布的中心时刻作为目标时刻，首先，选取起始时刻和结束时刻的中心时刻为基准时刻t 0 ，其余各时刻与基准时刻求差，得到△ti，每个时刻的振幅为Pi，则能量中心时刻为△t=∑(△ti*Pi)/ ∑Pi，目标时刻为：t= t 0 +△t，每个声震波探测器前端单元均按此规则提取；
所述的c)相关法如下：
任意选取一个声震波探测器前端单元波形作为基本波形，其余声震波探测器前端单元的波形与其作相关处理，直接得到时间差；具体的步骤：提取所有声震波探测器前端单元波形信号中包含目标的一段波形，记录这段波形的起止时刻及波形内每个时刻的振幅，并以波形最短的一个声震波探测器前端单元为基准，将所有前端单元的起点时刻对齐，求取时间差
△t 0j，任意选取某一个前端单元的波形，与基准波形进行相关处理，处理办法为：在做相关处理的两个波形上，每个对应时刻的振幅相减得到一系列振幅差值，将这些振幅差值进行平方求和，将基准数据移动一个时间单元，再求出相应的振幅差值平方和，不断移动基准波形，直到两个波形的终点时刻对齐为止，比较所有的振幅差值平方和值，记录平方和最小时，基准数据移动的次数，时间单元×次数等于移动的时间差△△t 0j, △△t 0j加起始时刻即为这个声震波探测器前端单元与基准前端单元的时延差；重复上述过程，将所有声震波探测器前端单元依次与基准前端单元进行比对；
人工提取模块（106）
该模块将采集的原始数据读取并显示出来，通过鼠标点击信号曲线上的特征点位置，记录特征点对应时刻t i ，将t i 保存在指定的数据处理文件中，进而得到声震波探测器前端单元间的时延差；
气象采集模块（107）
该模块通过串口通信的方式控制气象设备，当气象设备收到指令后开始采集气象参数，试验前和试验后分别测量一次；
温度与声速近似成线性关系，公式2为：
式中，为声速，为环境温度，单位为摄氏度；
时延观测值修正模型3为：
式中，为声源发出声波的起始时刻，风速为，风向角为，风向角是风向与轴正向的夹角，为向量与轴正向的夹角，为时延差修正值；
单目标处理模块（108）
该模块根据其他模块提供的相关数据，选择交会定位算法，完成单发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中显示，并传送到指挥显示大厅，交会定位算法为a)算法1或b)算法2；
所述的a)算法1如下：根据声震波探测器前端单元与弹丸落点的几何关系；，构造如下误差函数公式4：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声速，为与的时间差，为各声震波探测器前端单元接收到声源信号的时刻，为弹丸落点到声震波探测器前端单元的距离，为弹丸落点的位置坐标，见公式5；
式中，为声震波探测器前端单元的位置坐标；
对公式4在初值处进行泰勒级数展开，省略二次以上高阶项，建立误差方程6：
式中，为残差，为声源坐标估值的改正数，B为系数矩阵，具体形式为公式7：
，
，
，
为观测值向量，具体形式见公式8：
式中，为迭代计算的初值，即弹丸落点的概率坐标，、和的含义与公式4、5相同；
由初值代入公式5得出；
根据最小二乘原理可列出法方程9：
式中，B为系数矩阵，具体形式为公式7，P为观测值权阵，它能反映观测值精度的优劣，当观测值精度相同，且不考虑彼此相关性时，取单位矩阵；为初值改正数，为观测值向量；
当矩阵B为列满秩矩阵时，解法方程可得唯一解10：
将公式10的解算结果与初值相加，即可得到声源坐标为：
所述的b)算法2如下：根据声震波探测器前端单元与声源的几何关系，可以建立如下方程组 11：
式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声震波探测器前端单元的位置坐标，为弹丸落点的位置坐标，为声速，是声震波探测器前端单元接收到目标特征点时刻，t为从弹丸落地到基准声震波探测器前端单元接收到目标经历的时间，为其他时刻与的时间差；
对方程组11中的n个方程分别展开，然后依次相减可得方程组 12：
式中，，变量含义与方程组11相同；
对方程组12进行消元处理，即可得到一个线性方程组13：
式中，变量及含义与方程组12相同，B为系数矩阵，矩阵元素赋值如下：
，
，
，
对方程组13建立误差方程14
式中，与矩阵B含义与方程组12、13相同，为计算结果，为残差；
解误差方程，可得到声源的位置坐标；
粗差探测：
初步解算弹丸落点概略坐标值，并计算其到各个声震波探测器单元的距离d，选第一个声震波传感器距离作为基准，其它声震波探测器单元距离与之相减，得到距离差，利用及声波传播速度可反算出时间差，如果没有粗差，与声震波探测器单元得到的时间差相差不大，即较小；反之，较大，粗差探测公式15如下：
式中，为声震波探测器单元获得的时间差，为反算的时间差，为与的差值；
粗差处理方法：
考虑观测值可能含有粗差，但解算结果出现明显错误时，需要将稳健估计模型加入到计算模型中；
等价权函数为公式16：
式中，为调整后的权阵，为调整前的权阵，为常数，可根据残差决定取值范围，；
具体计算的迭代过程如下：
1) 列误差方程6，令, ，为观测权阵，为第一次迭代的观测权阵；
2) 解算法方程式17；
式中，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为计算结果，为初始观测权阵；
解公式17得公式18和公式 19：
式中，为第一次迭代得到的弹丸落点坐标，第一次迭代的残差，向量L、矩阵B和权阵的含义与法方程式17相同；
3) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解法方程17得公式20和公式 21：
式中，为第二次迭代得到的弹丸落点坐标，第二次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第2次迭代后得到的观测权阵；
4) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解算法方程17，类似迭代计算，直至前后两次解的差值符合限差要求为止；
5) 最后的结果为公式22和公式23:
式中，为第n次迭代得到的弹丸落点坐标，第n次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第n次迭代后得到的观测权阵；
病态性问题处理方法：
采用岭估计公式24为：
式中，为弹丸落点坐标计算结果，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为岭参数，为常数，为同阶的单位阵，采用岭迹法选取岭参数；
多目标处理模块（109）
当多发炮弹以较短的时间间隔发射时，时常会出现时序混乱的情况，需要对时序重新排序，再对各目标落点坐标进行定位解算，该模块提供了a)方法1或b)方法2；
所述的a)方法1如下：
将各个声震波探测器前端单元的目标特征点时刻按从小到大顺序进行排列，不考虑时序混乱问题，对每发弹数据进行定位解算，将解算结果依次代入公式5中，反算基准声震波探测器前端单元到其它声震波探测器前端单元的距离差，再除以声速，得时延差，将时延差与观测值进行对比，所述的观测值来自于声震波探测器前端单元采集的原始数据，将差异较大的声震波探测器前端单元数的时序不断进行调整，直至所有声源的反算时延差与观测值几乎相同为止；
所述的b)方法2如下：
(1) 选择布站结构较好的5个声震波探测器前端单元，将它们的多目标数据进行排列组合，设声源数为n，则共有n 5个时序；
(2) 对n 5个时序进行定位解算，找出方差较小的50个时序；
(3) 同一个声源不可能重复使用一个声震波探测器前端单元的两个时延值，以此为判断依据，得到最优的时序；
(4) 除了以上选择的5个声震波探测器前端单元外，从其它的声震波探测器前端单元中随机选取一个作为第6个声震波探测器前端单元，将其数据加入到计算模型中，进行解算，如果出现残差较大的情况，必然是后加入的数据出现错误，对第6个声震波探测器前端单元的n！个时序进行调整，找出方差最小的时序；
(5)重复过程(4)，将剩余声震波探测器前端单元的时序调整完毕。
2.其特征在于，所述的布站方式决策模块（101）适合靶场应用的布站图型，为“L”型、“U”字型、“Ⅱ”型、“口”字型或“田”字型。
3.其特征在于，所述的单目标处理模块（108）的交会定位算法为交会定位算法为a)算法1。
4.如权利要求1所述的一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于，所述的单目标处理模块（108）的交会定位算法为交会定位算法为b)算法2。
5.如权利要求1所述的一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于，所述的多目标处理模块（109）的时序重新排序为a)方法1。
6.如权利要求1所述的一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于，所述的多目标处理模块（109）的时序重新排序为b)方法2。
7.一、一种弹丸落点坐标声震波探测方法使用的探测系统如权利要求1所述；
二、一种弹丸落点坐标声震波探测方法的步骤和条件如下：
进行步骤s1，进行声震波探测器前端单元布站，从声震波探测器前端单元的布站图形和布设数量两个角度考虑，通过所述的布站方式决策模块101选择布站方式；
进行步骤1s2，对系统进行初始化并自检，通过系统自检模块102向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G通信网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；
进行步骤s3，录入相关信息和数据，在靶场试验前，通过所述的任务管理模块103将相关信息和数据录入中心计算机的数据库中；靶场试验结束后，将气象信息和试验数据追加到数据库中；
进行步骤s4，原始数据实时显示与存储，声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块104，该模块将数据保存到中心计算机中，并在中心计算机的显示器上实时显示；
进行步骤s5，是否自动提取时延差数据，是，进行步骤s7；否，进行步骤s6；
进行步骤s7，对原始数据进行时延差的自动提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过自动提取模块105完成时延差的快速自动提取；
进行步骤s6，对原始数据进行时延差的人工提取，读取由数据实时显示与回放模块104获得的原始数据，通过人工提取模块106完成时延差的手工提取；
进行步骤s8，采集气象数据并对声波的传播速度进行修正，当气象设备收到中心站单元开始采集气象参数的指令后，通过气象采集模块107采集中心站和弹丸落点区域的气象数据，根据气象数据，对声波的传播速度进行修正；
进行步骤s9，是否单目标数据，是，进行步骤s10；否，进行步骤s11；
进行步骤s10，交会计算得到单发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过单目标处理模块108完成单发弹丸落点坐标的计算；
进行步骤s12，将单发弹丸的落点坐标计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤s11，通过多目标处理方法完成交会计算得到多发弹丸的落点坐标，根据其他模块提供的相关数据，通过多目标处理模块109完成多发弹丸落点坐标的计算；
进行步骤s12，将多发弹丸的落点坐标计算结果在电子地图中准确地显示，并通过4G网络传送到指挥大厅；
进行步骤s13，结束。
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