CN112014798A - 一种基于小波变换的枪声定位装置及定位方法 - Google Patents

一种基于小波变换的枪声定位装置及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种枪声定位装置，具体说是基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法。它包括m个单站，其中m≥2，单站含有微处理器、GNSS模块、无线通讯模块和3个枪声传感器，GNSS模块与微处理器、无线通讯模块和枪声传感器均呈电连接，微处理器与无线通讯模块呈电连接。定位时，基于小波变换的枪声定位装置先利用小波变换检测马赫波、爆轰波，并确定爆轰波和马赫波到达单站三个枪声传感器的时间差，计算能量累积值；接着，采用到达时间差算法，根据检测到的爆轰波到达时间差，进行枪源定位定向解算；最后，根据马赫波到达时间差，进行弹道定向解算，即可完成枪声定位。该装置对爆轰波和马赫波的检测灵敏度较高，定位精度较好。

Description

一种基于小波变换的枪声定位装置及定位方法
技术领域
本发明涉及一种枪声定位装置，具体说是基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法。
背景技术
现代枪支的远射程和高精度给现代化战争带来了越来越多的挑战，而狙击手由于隐蔽性高、打击精准、部署灵活，更成为了城市与战争中的重要威胁，因此枪声定位装置应运而生。
枪声定位主要采用声源定位技术，它属于被动探测技术，是通过声音信号的传播来定位声源位置的方法。根据测量参数不同，声源定位技术主要可分为：基于信号强度、基于信号传输时间、基于信号传输时间差、基于信号到达角度和混合定位技术。针对枪声的定位技术主要是对枪声特有的爆轰波和马赫波进行检测，并选择合适的声源定位技术，完成枪声的定位解算。由于爆轰波和马赫波相对到达时间差非常短，且马赫波持续时间也非常短，因此判别和检测爆轰波和马赫波的到达时间成为了枪声定位的关键技术，并决定了定位的灵敏度和精度。然而，目前行业内使用枪声定位装置对爆轰波和马赫波的检测灵敏度较低，导致定位精度较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法，该装置对爆轰波和马赫波的检测灵敏度较高，定位精度较好。
为解决上述问题，提供以下技术方案：
本发明的基于小波变换的枪声定位装置的特点是包括m个单站，其中m≥2。所述单站含有用于主算法运算的微处理器、用于授时及时间同步的GNSS模块、用于与其他单站实时通讯的无线通讯模块和3个沿单兵头盔前方240°范围内均匀布置的枪声传感器，GNSS模块与微处理器、无线通讯模块和枪声传感器均呈电连接，微处理器与无线通讯模块呈电连接。
本发明的基于小波变换的枪声定位装置的定位方法的特点是包括如下步骤：
步骤一，基于小波变换的枪声定位装置利用小波变换，检测马赫波、爆轰波，并确定爆轰波和马赫波到达单站三个枪声传感器的时间差。
选择消失矩为3的多贝西极限相位小波对接收信号进行4级分解，得到低频分量为a4，逐级递增的高频分量为d4-d1，因爆轰波主要为低频分量，故集中在a4分量中，而马赫波为高频分量，故集中在d1分量中。计算a4和d1分量中不同分段的能量累加值，
Figure BDA0002591921380000021
Figure BDA0002591921380000022
其中，Pa4为a4分量的分段能量累加值，Pd1为d1分量的分段能量累加值；xa4为小波变换后a4分量在各时刻的值，xd1为小波变换后d1分量在各时刻的值，N根据枪声传感器采样率f配置。
步骤二，采用到达时间差算法，根据检测到的爆轰波到达时间差，进行枪源定位定向解算。
每个单站的三个枪声传感器均组成一个三角形阵列，m个单站则组成m个阵列3m个枪声传感器模型。
所以单站采用地心地固坐标系为统一坐标系，将单站3个枪声传感器分别表示在本体坐标系的三轴上，枪声传感器的ECEF坐标可由GNSS模块的定位结果及在本体坐标系中的相对坐标计算得到，根据枪声传感器模型，得到3m组爆轰波到达时刻，分别为tk，k＝1，2，3，4，5，……，3m；以t1和t4为基准时间，由于m≥2，则至少有4组时间差Δt21、Δt31、Δt54、Δt64，根据距离公式，得到四组独立方程，
|Gj|-|Gi|＝Δtij·c,j＝3m-1,3m,i＝3m-2
Figure BDA0002591921380000023
Figure BDA0002591921380000024
其中，|Gj|，|Gi|分别表示枪源到枪声传感器j，枪源到枪声传感器i的距离；xG,yG,zG表示枪源的ECEF坐标；xj,yj,zj和xi,yi,zi分别表示枪声传感器j和枪声传感器i的ECEF坐标。
由于上式为三元二次方程，四组方程即为求解四个空间双曲面的交点，采用Chan算法求解(即具有解析解的非递归双曲线方程组解法)，通过两次加权最小二乘WLS得到位置的极大似然估计，第一次WLS给出位置的粗略估计，并据此计算第二次WLS的权重矩阵，从而实现第二次WLS的精确估计。
求得枪源的ECEF坐标解析解后，可进一步求解枪源的高度角α和方位角λ分别为
Figure BDA0002591921380000031
Figure BDA0002591921380000032
步骤三：根据马赫波到达时间差，进行弹道定向解算。
马赫锥是以弹道为轴，以马赫角为半顶角的圆锥面，设与单个单站传声阵列共面的马赫锥面母线在ECEF坐标系中的方向向量
Figure BDA0002591921380000033
与步骤2同理，则至少有4组枪声传感器阵列向量，记为
Figure BDA0002591921380000034
根据马赫波沿马赫锥波前传播的特性，则有如下方程
Figure BDA0002591921380000035
其中，
Figure BDA0002591921380000036
表示马赫波由枪声传感器j传播到枪声传感器i的时间，由步骤二获得；c表示声速。
利用最小二乘求解
Figure BDA0002591921380000037
通过
Figure BDA0002591921380000038
且根据步骤二已获得的枪源位置信息
Figure BDA0002591921380000039
求得马赫角θ为
Figure BDA00025919213800000310
当一个枪声传感器检测到同一发子弹的爆轰波和马赫波时，首先由步骤一得到两种信号到达枪声传感器的时间差，然后根据下述模型，求解弹道方向。
枪源在G点，假设子弹弹道沿GP方向，枪声传感器位于S点，枪口爆轰波从G点传播到S点被枪声传感器捕获，子弹沿弹道飞行至P点时产生的马赫波也被枪声传感器检测到；
首先求解弹道锥面的半顶角γ，鉴于已求得枪源位置，即爆轰波来向
Figure BDA00025919213800000311
以及马赫锥面母线方向向量
Figure BDA0002591921380000041
上述已求得马赫角θ，则
Figure BDA0002591921380000042
由此可知以枪源为顶点，γ为半顶角的弹道锥面。
枪声传感器可测得马赫波和爆轰波的到达时间差为ΔT，则有关系如下
Figure BDA0002591921380000043
x＝rsin(90°-θ-γ)/cosθ
b＝rsinγ
其中，r表示枪源到枪声传感器的距离，x为枪源到P点之间的距离，b为枪声传感器距子弹弹道的距离，θ为马赫角。代入简化可得
Figure BDA0002591921380000044
即可完成弹道定向解算。
其中，所述步骤一中N的取值范围是取值0.6～0.8f。
采取以上方案，具有以下优点：
由于本发明的基于小波变换的枪声定位装置包括m个单站，其中m≥2，单站含有微处理器、GNSS模块、无线通讯模块和3个枪声传感器，GNSS模块与微处理器、无线通讯模块和枪声传感器均呈电连接，微处理器与无线通讯模块呈电连接。定位时，基于小波变换的枪声定位装置先利用小波变换检测马赫波、爆轰波，并确定爆轰波和马赫波到达单站三个枪声传感器的时间差，计算能量累积值；接着，采用到达时间差算法，根据检测到的爆轰波到达时间差，进行枪源定位定向解算；最后，根据马赫波到达时间差，进行弹道定向解算，即可完成枪声定位。鉴于爆轰波和马赫波在频率和持续时间两方面均具有显著差异，因此，这种枪声定位装置利用小波变换能够同时调节时域分辨率和频域分辨率，从而大幅提高爆轰波和马赫波的检测灵敏度，大大提高了定位精度。
附图说明
图1是本发明的基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法中枪声定位装置的原理图；
图2是本发明的基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法的单站中枪声传感器的分布示意图；
图3是本发明的基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法中枪声定位装置的控制流程图；
图4是本发明的基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法的单站中到达时间差定位模型图；
图5是本发明的基于小波变换的枪声定位装置及其定位方法的基于马赫波的弹道定向模型图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的基于小波变换的枪声定位装置包括m个单站，其中m≥2。所述单站含有用于主算法运算的微处理器、用于授时及时间同步的GNSS模块、用于与其他单站实时通讯的无线通讯模块和3个沿单兵头盔前方240°范围内均匀布置的枪声传感器，GNSS模块与微处理器、无线通讯模块和枪声传感器均呈电连接，微处理器与无线通讯模块呈电连接。
本发明的基于小波变换的枪声定位装置的定位方法包括如下步骤：
步骤一，基于小波变换的枪声定位装置利用小波变换，检测马赫波、爆轰波，并确定爆轰波和马赫波到达单站三个枪声传感器的时间差。
选择消失矩为3的多贝西极限相位小波对接收信号进行4级分解，得到低频分量为a4，逐级递增的高频分量为d4-d1，因爆轰波主要为低频分量，故集中在a4分量中，而马赫波为高频分量，故集中在d1分量中。计算a4和d1分量中不同分段的能量累加值，
Figure BDA0002591921380000051
Figure BDA0002591921380000052
其中，Pa4为a4分量的分段能量累加值，Pd1为d1分量的分段能量累加值；xa4为小波变换后a4分量在各时刻的值，xd1为小波变换后d1分量在各时刻的值，N根据枪声传感器采样率f配置，N的取值范围是取值0.6～0.8f，本实施例中N取值0.7f。
步骤二，采用到达时间差算法，根据检测到的爆轰波到达时间差，进行枪源定位定向解算。
每个单站的三个枪声传感器均组成一个三角形阵列，m个单站则组成m个阵列3m个枪声传感器模型。
所以单站采用地心地固ECEF坐标系为统一坐标系，将单站3个枪声传感器分别表示在本体坐标系的三轴上，枪声传感器的ECEF坐标可由GNSS模块的定位结果及在本体坐标系中的相对坐标计算得到，如图4所示。根据枪声传感器模型，得到3m组爆轰波到达时刻，分别为tk，k＝1，2，3，4，5，……，3m，以t1和t4为基准时间，由于m≥2，则至少有4组时间差Δt21、Δt31、Δt54、Δt64，根据距离公式，得到四组独立方程，
|Gj|-|Gi|＝Δtij·c,j＝3m-1,3m,i＝3m-2
Figure BDA0002591921380000061
Figure BDA0002591921380000062
其中，|Gj|，|Gi|分别表示枪源到枪声传感器j，枪源到枪声传感器i的距离；xG,yG,zG表示枪源的ECEF坐标；xj,yj,zj和xi,yi,zi分别表示枪声传感器j和枪声传感器i的ECEF坐标。
由于上式为三元二次方程，四组方程即为求解四个空间双曲面的交点，采用Chan算法求解(即具有解析解的非递归双曲线方程组解法)，通过两次加权最小二乘WLS得到位置的极大似然估计，第一次WLS给出位置的粗略估计，并据此计算第二次WLS的权重矩阵，从而实现第二次WLS的精确估计。
求得枪源的ECEF坐标解析解后，可进一步求解枪源的高度角α和方位角λ分别为
Figure BDA0002591921380000063
Figure BDA0002591921380000064
步骤3：根据马赫波到达时间差，进行弹道定向解算。
马赫锥是以弹道为轴，以马赫角为半顶角的圆锥面，设与单个单站传声阵列共面的马赫锥面母线在ECEF坐标系中的方向向量
Figure BDA0002591921380000065
与步骤2同理，则至少有4组枪声传感器阵列向量，记为
Figure BDA0002591921380000071
根据马赫波沿马赫锥波前传播的特性，则有如下方程
Figure BDA0002591921380000072
其中，
Figure BDA0002591921380000073
表示马赫波由枪声传感器j传播到枪声传感器i的时间，由步骤二获得；c表示声速。
利用最小二乘求解
Figure BDA0002591921380000074
通过
Figure BDA0002591921380000075
且根据步骤二已获得的枪源位置信息
Figure BDA0002591921380000076
求得马赫角θ为
Figure BDA0002591921380000077
当一个枪声传感器检测到同一发子弹的爆轰波和马赫波时，首先由步骤一得到两种信号到达枪声传感器的时间差，然后根据下述模型，求解弹道方向。
如图5所示，枪源在G点，假设子弹弹道沿GP方向，枪声传感器位于S点，枪口爆轰波从G点传播到S点被枪声传感器捕获，子弹沿弹道飞行至P点时产生的马赫波也被枪声传感器检测到；
首先求解弹道锥面的半顶角γ，鉴于已求得枪源位置，即爆轰波来向
Figure BDA0002591921380000078
以及马赫锥面母线方向向量
Figure BDA0002591921380000079
上述已求得马赫角θ，则
Figure BDA00025919213800000710
由此可知以枪源为顶点，γ为半顶角的弹道锥面。
枪声传感器可测得马赫波和爆轰波的到达时间差为ΔT，则有关系如下
Figure BDA00025919213800000711
x＝rsinΔAOA/cosθ
b＝rsin(90°-θ-ΔAOA)
由图5中的三角关系可得知，ΔAOA＝90°-θ-γ，即
Figure BDA0002591921380000081
x＝rsin(90°-θ-γ)/cosθ
b＝rsinγ
其中，r表示枪源到枪声传感器的距离，x为枪源到P点之间的距离，b为枪声传感器距子弹弹道的距离，θ为马赫角。代入简化可得
Figure BDA0002591921380000082
即，
Figure BDA0002591921380000083
即可完成弹道定向解算。

Claims (3)

1.一种基于小波变换的枪声定位装置，其特征在于包括m个单站，其中m≥2；所述单站含有用于主算法运算的微处理器、用于授时及时间同步的GNSS模块、用于与其他单站实时通讯的无线通讯模块和3个沿单兵头盔前方240°范围内均匀布置的枪声传感器，GNSS模块与微处理器、无线通讯模块和枪声传感器均呈电连接，微处理器与无线通讯模块呈电连接。
2.如权利要求1所述的基于小波变换的枪声定位装置的定位方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，基于小波变换的枪声定位装置利用小波变换，检测马赫波、爆轰波，并确定爆轰波和马赫波到达单站三个枪声传感器的时间差。
选择消失矩为3的多贝西极限相位小波对接收信号进行4级分解，得到低频分量为a4，逐级递增的高频分量为d4-d1，因爆轰波主要为低频分量，故集中在a4分量中，而马赫波为高频分量，故集中在d1分量中。计算a4和d1分量中不同分段的能量累加值，
Figure FDA0002591921370000011
Figure FDA0002591921370000012
其中，Pa4为a4分量的分段能量累加值，Pd1为d1分量的分段能量累加值；xa4为小波变换后a4分量在各时刻的值，xd1为小波变换后d1分量在各时刻的值，N根据枪声传感器采样率f配置；
步骤二，采用到达时间差算法，根据检测到的爆轰波到达时间差，进行枪源定位定向解算。
每个单站的三个枪声传感器均组成一个三角形阵列，m个单站则组成m个阵列3m个枪声传感器模型；
所以单站采用地心地固坐标系为统一坐标系，将单站3个枪声传感器分别表示在本体坐标系的三轴上，枪声传感器的ECEF坐标可由GNSS模块的定位结果及在本体坐标系中的相对坐标计算得到，根据枪声传感器模型，得到3m组爆轰波到达时刻，分别为tk，k＝1，2，3，4，5，……，3m；以t1和t4为基准时间，由于m≥2，则至少有4组时间差Δt21、Δt31、Δt54、Δt64，根据距离公式，得到四组独立方程，
|Gj|-|Gi|＝Δtij·c,j＝3m-1,3m,i＝3m-2
Figure FDA0002591921370000021
Figure FDA0002591921370000022
其中，|Gj|，|Gi|分别表示枪源到枪声传感器j，枪源到枪声传感器i的距离；xG,yG,zG表示枪源的ECEF坐标；xj,yj,zj和xi,yi,zi分别表示枪声传感器j和枪声传感器i的ECEF坐标；
由于上式为三元二次方程，四组方程即为求解四个空间双曲面的交点，采用Chan算法求解(即具有解析解的非递归双曲线方程组解法)，通过两次加权最小二乘WLS得到位置的极大似然估计，第一次WLS给出位置的粗略估计，并据此计算第二次WLS的权重矩阵，从而实现第二次WLS的精确估计；
求得枪源的ECEF坐标解析解后，可进一步求解枪源的高度角α和方位角λ分别为
Figure FDA0002591921370000023
Figure FDA0002591921370000024
步骤三：根据马赫波到达时间差，进行弹道定向解算。
马赫锥是以弹道为轴，以马赫角为半顶角的圆锥面，设与单个单站传声阵列共面的马赫锥面母线在ECEF坐标系中的方向向量
Figure FDA0002591921370000025
与步骤2同理，则至少有4组枪声传感器阵列向量，记为
Figure FDA0002591921370000026
根据马赫波沿马赫锥波前传播的特性，则有如下方程
Figure FDA0002591921370000027
其中，
Figure FDA0002591921370000028
表示马赫波由枪声传感器j传播到枪声传感器i的时间，由步骤二获得；c表示声速；
利用最小二乘求解
Figure FDA0002591921370000029
通过
Figure FDA00025919213700000210
且根据步骤二已获得的枪源位置信息
Figure FDA00025919213700000211
求得马赫角θ为
Figure FDA0002591921370000031
当一个枪声传感器检测到同一发子弹的爆轰波和马赫波时，首先由步骤一得到两种信号到达枪声传感器的时间差，然后根据下述模型，求解弹道方向；
枪源在G点，假设子弹弹道沿GP方向，枪声传感器位于S点，枪口爆轰波从G点传播到S点被枪声传感器捕获，子弹沿弹道飞行至P点时产生的马赫波也被枪声传感器检测到；
首先求解弹道锥面的半顶角γ，鉴于已求得枪源位置，即爆轰波来向
Figure FDA0002591921370000032
以及马赫锥面母线方向向量
Figure FDA0002591921370000033
上述已求得马赫角θ，则
Figure FDA0002591921370000034
由此可知以枪源为顶点，γ为半顶角的弹道锥面；
枪声传感器可测得马赫波和爆轰波的到达时间差为ΔT，则有关系如下
Figure FDA0002591921370000035
x＝rsin(90°-θ-γ)/cosθ
b＝rsinγ
其中，r表示枪源到枪声传感器的距离，x为枪源到P点之间的距离，b为枪声传感器距子弹弹道的距离，θ为马赫角。代入简化可得
Figure FDA0002591921370000036
即可完成弹道定向解算。
3.如权利要求2所述的基于小波变换的枪声定位装置的定位方法，其特征在于所述步骤一中N的取值范围是取值0.6～0.8f。
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