RU2670731C9 - Method for determining supersonic projectile flight trajectory - Google Patents

Method for determining supersonic projectile flight trajectory Download PDF

Info

Publication number
RU2670731C9
RU2670731C9 RU2016100672A RU2016100672A RU2670731C9 RU 2670731 C9 RU2670731 C9 RU 2670731C9 RU 2016100672 A RU2016100672 A RU 2016100672A RU 2016100672 A RU2016100672 A RU 2016100672A RU 2670731 C9 RU2670731 C9 RU 2670731C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensors
projectile
stage
parameters
sound
Prior art date
Application number
RU2016100672A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2670731C2 (en
RU2016100672A (en
Inventor
Виктор Андреевич Антропов
Борис Иванович Гонцов
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский военный институт внутренних войск Министерства внутренних дел Российской Федерации"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский военный институт внутренних войск Министерства внутренних дел Российской Федерации" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский военный институт внутренних войск Министерства внутренних дел Российской Федерации"
Priority to RU2016100672A priority Critical patent/RU2670731C9/en
Publication of RU2016100672A publication Critical patent/RU2016100672A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2670731C2 publication Critical patent/RU2670731C2/en
Publication of RU2670731C9 publication Critical patent/RU2670731C9/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41WEAPONS
    • F41JTARGETS; TARGET RANGES; BULLET CATCHERS
    • F41J5/00Target indicating systems; Target-hit or score detecting systems
    • F41J5/06Acoustic hit-indicating systems, i.e. detecting of shock waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/808Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring techniques, in particular to determining a gun location and parameters of the gun projectile flight trajectory. A method is proposed, in which sound sensors are oriented at an angle to the direction of the gun location. By means of a computer the information received from the sensors is processed. Herewith parameters of the projectile trajectory are determined in two stages. At the first stage the projectile firing point is determined by seismological methods. At the second stage the trajectory parameters are determined by acoustic methods. At the first stage three seismic receivers are placed along a straight line in the horizontal plane at known distances, which are used as seismic wave sensors. At the second stage three sound sensors are placed along the straight line in the horizontal plane at known distances. Fourth sound sensor is placed on the vertical line of one of the three sensors taken as the basic one. Parameters of the seismic wave at the first stage and of the sound wave at the second stage are measured using the time differences of the waves arrival to the sensors relative to the basic sensor. At the second stage maximum values of the sound wave harmonics are used found by the microcontroller and the comparator taking into account the known velocities of seismic and sound waves propagation. Basing on the known distances between the sensors and the recorded time of the waves reaching the sensor, equations are composed. Solutions of the equations make it possible to find the parameters for the first stage – the gun coordinates, and for the second stage – parameters of the projectile trajectory relative to the Earth.
EFFECT: high-accuracy determination of parameters of a projectile movement along the trajectory and the point of the projectile incidence is provided.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности копределению местоположения огнестрельной пушки на местности и определению траектории полета пущенного с ее помощью снаряда.The invention relates to measuring technique, in particular, determining the location of a firearm on the ground and determining the flight path of a projectile fired with its help.

Из существующего уровня техники известна «Система обнаружения огня «Сова»» [1]. Кроме того, известны способы определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, например патенты №2470252, 2231738, 2392577 ... - [2, 3, 4, 5, 6].From the existing level of technology known "Fire Detection System" Owl "" [1]. In addition, there are known methods for determining the coordinates of the position in space and time of bullets and shells, for example, patents No. 2470252, 2231738, 2392577 ... - [2, 3, 4, 5, 6].

Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент RU 2358275, G01S 3/808. Способ и система определения траектории сверхзвукового снаряда. Публикация РСТ: 2006/096208 (14.09.2006) - [2].Closest to the claimed technical solution is the patent RU 2358275, G01S 3/808. Method and system for determining the trajectory of a supersonic projectile. PCT Publication: 2006/096208 (09/14/2006) - [2].

Недостатками данного технического решения являются:The disadvantages of this technical solution are:

- итерационный характер вычислительного процесса, требующий большого времени на решение задачи;- the iterative nature of the computing process, requiring a lot of time to solve the problem;

- большое количество датчиков звука, снижающее общую надежность системы;- a large number of sound sensors, reducing the overall reliability of the system;

- малая точность вычислений;- low accuracy of calculations;

- отсутствие определения точки падения снаряда.- lack of definition of the point of impact of the projectile.

Задачей данного предложения является высокоточное определение параметров движения снаряда по траектории, такие как высота полета, скорость полета, угол наклона траектории к горизонту, определение аналитического описания траектории движения с привязкой его к земным координатам и точки падения снаряда.The objective of this proposal is to accurately determine the parameters of the projectile along the trajectory, such as flight altitude, flight speed, the angle of inclination of the trajectory to the horizon, the definition of an analytical description of the trajectory of movement with reference to the earth's coordinates and the point of impact of the projectile.

Решение поставленной задачи достигается тем, что она решается в два этапа. На первом этапе определяется точка пуска снаряда методами сейсмологии. На втором этапе методами нескольких акустических измерений определяются высоты полета снаряда, уточняется скорость движения снаряда, определяется угол наклона траектории к горизонту, корректируется точка пуска, определенная на первом этапе, формируется аналитическое описание траектории снаряда, привязанное к земным координатам, определяется точка падения снаряда.The solution to this problem is achieved by the fact that it is solved in two stages. At the first stage, the projectile launch point is determined by seismology methods. At the second stage, using several acoustic measurements, the projectile’s altitude is determined, the projectile’s speed is determined, the angle of inclination of the trajectory to the horizon is determined, the launch point determined at the first stage is adjusted, an analytical description of the projectile trajectory, linked to the earth’s coordinates, is formed, and the projectile’s incidence point is determined.

Отличительными признаками от прототипа является то, что определение параметров полета снаряда ведется не по ударной волне, а по звуку, сопровождающему сверхзвуковой полет снаряда, выделение в сопровождающем звуке базовых точек для определения времени распространения волны до датчиков, линейное расположение датчиков приема как сейсмических волн, так и акустических, расчет динамических параметров траектории полета, оценка координат точки падения снаряда, определение точки пуска по сейсмической волне.Distinctive features of the prototype is that the determination of the parameters of the flight of the projectile is carried out not by the shock wave, but by the sound accompanying the supersonic flight of the projectile, the selection in the accompanying sound of the base points for determining the propagation time of the wave to the sensors, the linear arrangement of the sensors for receiving both seismic waves and and acoustic, calculation of the dynamic parameters of the flight path, estimation of the coordinates of the point of impact of the projectile, determination of the launch point from the seismic wave.

Анализ предлагаемого решения и прототипа позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности.Analysis of the proposed solution and prototype allows us to conclude that it meets the conditions of patentability.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг. 1 представлена картина распространения упругой волны по поверхности Земли. Сейсмоволна распространяется из точки О и достигает в разное время датчиков.in FIG. 1 presents a picture of the propagation of an elastic wave over the surface of the Earth. The seismic wave propagates from point O and reaches sensors at different times.

На фигуре обозначено: НС - направление стрельбы, точка О - точка местонахождения пушки, точки А, В, С - точки местонахождения сейсмоприемников, привязанные к координатам земной поверхности, d0 - расстояние от точки А до пушки, угол САО - угол между направлением на пушку и прямой АС.The figure indicates: NS - the direction of fire, point O - the location point of the gun, points A, B, C - location points of the geophones, tied to the coordinates of the earth's surface, d 0 - distance from point A to the gun, angle SAO - the angle between the direction of gun and direct speaker.

На фиг. 2 представлены геометрические построения для расчета точки пуска снаряда в географической системе координат (этап 1) и определения координат траектории снаряда (этап 2).In FIG. 2 shows the geometric construction for calculating the projectile launch point in the geographic coordinate system (stage 1) and determining the coordinates of the projectile trajectory (stage 2).

Фиг. 3 представляет звуковую волну, сопровождающую полет сверхзвукового 152-миллиметрового снаряда и определение максимальных амплитудных значений.FIG. 3 represents a sound wave accompanying the flight of a supersonic 152 mm projectile and determination of maximum amplitude values.

На фиг. 4 представлены геометрические построения для определения дальности до источника звука, высоты траектории и азимута точки траектории относительно прямой АС акустическим методом (этап 2).In FIG. 4 shows geometric constructions for determining the distance to the sound source, the height of the trajectory and the azimuth of the trajectory point relative to the direct AC by the acoustic method (step 2).

Фиг. 5 дает геометрическую картину расчета угла наклона траектории и параметров траектории полета снаряда для двух расчетных точек.FIG. 5 gives a geometric picture of calculating the angle of inclination of the trajectory and the parameters of the trajectory of the projectile for two design points.

На фиг. 6 представлена структурная схема комплекса аппаратуры для определения параметров траектории снаряда.In FIG. 6 is a structural diagram of a complex of equipment for determining the parameters of the projectile trajectory.

Работает устройство по данному способу следующим образом.The device operates according to this method as follows.

На первом этапе измерений определяется точка выстрела, то есть местонахождение пушки с использованием сейсмологии.At the first stage of measurements, the shot point is determined, that is, the location of the gun using seismology.

На втором этапе измерений определяются параметры траектории снаряда и скорость полета снаряда. Эти два этапа вместе позволяют определить направленность выстрела и точку приземления снаряда (место поражения) и, таким образом, заранее, например, по радиосвязи предупредить личный состав военнослужащих о принятии надлежащих мер.At the second measurement stage, the parameters of the projectile trajectory and the projectile speed are determined. Together, these two stages make it possible to determine the direction of the shot and the point of landing of the projectile (the place of destruction) and, thus, in advance, for example, by radio, to warn the personnel of the military about taking appropriate measures.

Рассмотрим первый этап - определение места выстрела пушки. Данная задача решается с использованием сейсмоволн, распространяющихся от точки выстрела.Consider the first stage - determining the location of the gun’s shot. This problem is solved using seismic waves propagating from the point of the shot.

Известно, что при выстреле происходит жесткий удар по земной коре, в результате которого возникает упругая волна, распространяющаяся по поверхности Земли с некоторой постоянной для данной местности скоростью по всем направлениям. Эта скорость зависит от типа поверхностного слоя (например, песок или скальная порода) и в среднем равна 1500 метров в секунду. Как видим, средняя скорость упругой волны много больше скорости снаряда, так что одновременно с определением координат местонахождения пушки, приблизительно определяется момент прихода звука от пролетающего снаряда к акустическим датчикам. Это необходимо, например, для своевременного включения аппаратуры и внимательной обработки полученной в это время акустической информации.It is known that during a shot there is a hard blow to the earth’s crust, which results in an elastic wave propagating over the Earth’s surface at a constant speed for a given area in all directions. This speed depends on the type of surface layer (e.g. sand or rock) and is on average 1,500 meters per second. As you can see, the average velocity of the elastic wave is much higher than the velocity of the projectile, so that simultaneously with the determination of the coordinates of the location of the gun, the moment of sound arrival from the passing projectile to the acoustic sensors is approximately determined. This is necessary, for example, for the timely inclusion of equipment and careful processing of acoustic information received at this time.

1-й этап заключается в определении местоположения пушки по сейсмоволне от выстрела. Для начала измерений необходимо расставить три сейсмоприемника относительно возможного местоположения пушки. Расположим сейсмоприемники в горизонтальной плоскости на одной прямой на расстоянии 1-5 километров от возможного расположения пушки и желательно под углом 45 градусов к направлению на местоположение пушки, как показано на фиг. 1. Расстояния между датчиками могут быть от единиц метров до сотен метров.The 1st stage consists in determining the location of the gun according to the seismic wave from the shot. To start the measurements, it is necessary to arrange three geophones relative to the possible location of the gun. We place the geophones in a horizontal plane on one straight line at a distance of 1-5 kilometers from the possible location of the gun and preferably at an angle of 45 degrees to the direction of the location of the gun, as shown in FIG. 1. The distances between the sensors can be from units of meters to hundreds of meters.

Время прихода фронта упругой волны к сейсмодатчикам определим с использованием сейсмоприемников и центральной ЭВМ, как показано на фиг. 6, минуя микроконтроллеры. Согласно данной структурной схеме сигналы каждого датчика сразу передаются центральной ЭВМ, а та фиксирует время прихода упругой волны к соответствующим датчикам. Далее информация обрабатывается согласно алгоритму, описанному в данной работе.The time of arrival of the elastic wave front to the seismic sensors is determined using seismic detectors and a central computer, as shown in FIG. 6, bypassing the microcontrollers. According to this structural diagram, the signals of each sensor are immediately transmitted by the central computer, and it records the time of arrival of the elastic wave to the corresponding sensors. Further information is processed according to the algorithm described in this paper.

Пусть имеем скорость распространения упругой волны, равную ν. Эта скорость определяется в основном типом грунта, заполняющего данную местность, и должна быть известной к моменту измерений. Необходимо определить направление на точку О - угол χ0 и расстояние OA=d0. Таким образом, для нахождения двух неизвестных нужно составить два уравнения. Согласно рисунку упругая сейсмоволна приходит в некоторые моменты времени как в точку А, так и в точки В и С. Время прихода волны к датчикам фиксируется, и по ним формируются разности: t1=tB-tA, t2=tC-tA. Время прихода сейсмической волны к датчику А будем считать за базовое.Let we have the elastic wave propagation velocity equal to ν. This speed is determined mainly by the type of soil filling the area, and should be known at the time of measurement. It is necessary to determine the direction to the point O - the angle χ 0 and the distance OA = d 0 . Thus, to find two unknowns, two equations must be compiled. According to the figure, an elastic seismic wave arrives at some points in time both at point A, and at points B and C. The time of arrival of the wave to the sensors is fixed, and differences are formed from them: t 1 = t B -t A , t 2 = t C - t A. The time of arrival of the seismic wave to the sensor A will be considered as the base.

Для формирования расчетных уравнений рассмотрим два косоугольных треугольника ОАВ и ОАС - фиг. 1. Воспользуемся формулой (теоремой косинусов):To form the calculation equations, we consider two oblique triangles OAV and OAS - Fig. 1. We use the formula (cosine theorem):

a 2=b2+c2-2*b*c*cosχ, a 2 = b 2 + c 2 -2 * b * c * cosχ,

где сторона а расположена напротив угла χ.where side a is opposite the angle χ.

Для нашего случая имеем:For our case we have:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где первое уравнение справедливо для треугольника ОАВ, второе - для ОАС.where the first equation is valid for the triangle OAV, the second - for OAS.

Эта система двух уравнений содержит два неизвестных параметра: угол χ0 и расстояние ОА=d0.This system of two equations contains two unknown parameters: the angle χ 0 and the distance OA = d 0 .

В свою очередь, сторона OB=b+ν*Δt1, и ОС=d+ν*Δt2;In turn, the side OB = b + ν * Δt 1 , and OS = d + ν * Δt 2 ;

где Δt1=tB-tA, Δt2=tC-tA, OA=d0,where Δt 1 = t B -t A , Δt 2 = t C -t A , OA = d 0 ,

где представленные разности составлены на основе измерения моментов прихода упругой волны к соответствующим датчикам. С учетом приведенных соотношений запишем:where the presented differences are based on measuring the moments of arrival of the elastic wave to the respective sensors. Given the above relations, we write:

Figure 00000002
Figure 00000002

Здесь обозначено АВ=a, ВС=b, a и b - заранее известные расстояния между датчиками. Индекс "0" у переменных соответствует первому этапу измерений.Here, AB = a, BC = b, a and b are the previously known distances between the sensors. Index "0" for variables corresponds to the first stage of measurements.

Раскроем скобки и упростим выражение, получим:Expand the brackets and simplify the expression, we get:

Figure 00000003
Figure 00000003

Если обозначитьIf designated

a 1=2*ν*Δt1, a 1 = 2 * ν * Δt 1 ,

a 2=2*ν*Δt2, a 2 = 2 * ν * Δt 2 ,

b1=2*a,b 1 = 2 * a ,

b2=2*(a+b),b 2 = 2 * ( a + b),

c1=a 2-(ν*Δt1)2,c 1 = a 2 - (ν * Δt 1 ) 2 ,

c2=(a+b)2+(ν+Δt2)2,c 2 = ( a + b) 2 + (ν + Δt 2 ) 2 ,

то имеем:then we have:

Figure 00000004
Figure 00000004

Это система двух уравнений с двумя неизвестными. ОбозначимThis is a system of two equations with two unknowns. Denote

d0=x1, d*cosχ0=x2;d 0 = x 1 , d * cosχ 0 = x 2 ;

тогда:then:

Figure 00000005
.
Figure 00000005
.

Для определения двух переменных - угла χ0 и расстояния d0 надо решить представленную систему уравнений для конкретных значений ν, известных a и b, измеренных Δt1, Δt2.To determine two variables - the angle χ 0 and the distance d 0, it is necessary to solve the presented system of equations for specific values of ν, known a and b, measured Δt 1 , Δt 2 .

После определения величин d0 и χ0 легко определить координаты точки выстрела. Для этого достаточно отложить угол χ0 из точки А, т.е. отложить угол САО, а на луче АО отложить расстояние d0. В географической системе координат точку местоположения пушки можно найти следующим образом.After determining the values of d 0 and χ 0 it is easy to determine the coordinates of the point of the shot. To do this, it is enough to postpone the angle χ 0 from point A, i.e. to postpone the angle of SAO, and on the ray of AO, to postpone the distance d 0 . In the geographical coordinate system, the gun’s location point can be found as follows.

Согласно фиг. 2 для системы датчиков известен угол наклона прямой АС к линии экватора - угол γ. Азимутальный угол (угол между направлением на Север (NA) и направлением на точку местонахождения пушки, угол NAC) будет равен χ+γ-90. Расстояние по X будет равно: X=d0*sin(χ+γ-90)+XA, а расстояние Y=d0*cos(χ0-γ-90)+YA. По этим координатам легко найти местоположение точки выстрела пушки.According to FIG. 2, for the sensor system, the angle of inclination of the direct AC to the equator line is known — the angle γ. The azimuthal angle (the angle between the direction to the North (NA) and the direction to the gun’s location, angle NAC) will be χ + γ-90. The distance along X will be equal to: X = d 0 * sin (χ + γ-90) + X A , and the distance Y = d 0 * cos (χ 0 -γ-90) + Y A. Using these coordinates, it is easy to find the location of the gun’s shot point.

Второй этап. На этом этапе определяются координаты траектории пролетающего над данной местностью снаряда: угол наклона траектории полета снаряда, скорость пролетающего снаряда, координаты местонахождения пушки, которые дублируют эти же координаты, найденные по сейсмоволне. При этом звуковые волны - это дозвуковые волны, сопровождающие полет снаряда.Second phase. At this stage, the coordinates of the trajectory of a projectile flying over a given terrain are determined: the angle of inclination of the projectile flight path, the speed of the projectile, and the coordinates of the gun’s location, which duplicate the same coordinates found from the seismic wave. In this case, sound waves are subsonic waves that accompany the flight of a projectile.

По данным, найденным на данном этапе в сочетании с определенными ранее координатами местонахождения пушки, может быть определена точка падения снаряда, и координаты этой точки могут быть переданы военнослужащим обстреливаемой территории для принятия соответствующих мер. Запас времени для принятия соответствующих мер может составлять 15-25 секунд.According to the data found at this stage in combination with the coordinates of the gun’s location determined earlier, the point of impact of the projectile can be determined, and the coordinates of this point can be transferred to the servicemen of the fired territory for taking appropriate measures. The margin of time for taking appropriate measures can be 15-25 seconds.

В основе определения параметров траектории движения снаряда лежит способ определения расстояния и угла азимута на точку движения снаряда с помощью акустического метода. Известно, что снаряд калибра 150 мм летит с начальной сверхзвуковой скоростью порядка 900 метров в секунду. Вблизи точки выстрела (1…10 километров) эта скорость остается сверхзвуковой, При полете снаряда он издает звуковые волны, воспринимаемые человеческим ухом. Звуковые волны движутся вслед за ударной волной снаряда. Эти звуковые волны и могут быть параметром для определения траектории полета снаряда. Звуковые волны легко фиксируются звуковыми микрофонами. Воспользуемся теми же точками, что были использованы при сейсмоизмерениях и поместим в них датчики звука, причем три из них поместим в горизонтальной плоскости на одной линии (это ранее определенные точки с датчиками А, В, С; при этом, если приемники сейсмоволн располагаются на некоторой глубине в Земле, то акустические датчики располагаются над Землей) и один датчик D поместим над датчиком А на вертикали на некоторой высоте 2…5 метров. Где-то рядом расположим микроконтроллер, соединим датчики с микроконтроллером и центральной ЭВМ линиями электрической связи. В процессе измерений важно определить расстояния до снаряда, азимутальные углы с тем, чтобы определить координаты траектории и скорость полета в географической системе координат. При знании точки пуска, располагая параметрами траектории снаряда, легко определить направление полета и примерную точку падения снаряда.The basis for determining the parameters of the trajectory of the projectile is the method of determining the distance and azimuth angle to the point of projectile motion using the acoustic method. It is known that a shell of 150 mm caliber flies with an initial supersonic speed of about 900 meters per second. Near the firing point (1 ... 10 kilometers) this speed remains supersonic. When the projectile is flying, it emits sound waves perceived by the human ear. Sound waves move after the shock wave of the projectile. These sound waves can also be a parameter for determining the trajectory of the projectile. Sound waves are easily captured by sound microphones. We will use the same points that were used for seismic measurements and place sound sensors in them, and three of them will be placed in a horizontal plane on the same line (these are previously defined points with sensors A, B, C; in this case, if the seismic wave receivers are located on some depth in the Earth, then the acoustic sensors are located above the Earth) and we place one sensor D above the sensor A in the vertical at a certain height of 2 ... 5 meters. Somewhere nearby we will place the microcontroller, connect the sensors to the microcontroller and the central computer with electric communication lines. In the process of measurements, it is important to determine the distance to the projectile, azimuthal angles in order to determine the coordinates of the trajectory and the speed of flight in a geographical coordinate system. With knowledge of the launch point, having the parameters of the projectile trajectory, it is easy to determine the direction of flight and the approximate point of impact of the projectile.

Возникает вопрос определения точки фиксации звука из череды звуковых волн, издаваемых летящим снарядом. Предлагается организовать поиск максимальных значений звуковых колебаний и именно эти точки считать моментами исхода звуковой волны, опорными точками для системы навигации.The question arises of determining the fixation point of sound from a series of sound waves emitted by a flying projectile. It is proposed to organize a search for the maximum values of sound vibrations and consider these points as the moments of the sound wave outcome, as reference points for the navigation system.

Для реализации этого пусть каждый микрофон имеет свой микроконтроллер, обрабатывающий только сигналы, поступающие в его канал (фиг. 6). Пусть эти микроконтроллеры работают от одного задающего генератора тактовых импульсов. Задача каждого микроконтроллера заключается в том, чтобы принять аналоговый сигнал и с высокой степенью дискретности перевести в цифровой код. Расчеты должны вестись в реальном масштабе времени, то есть в ритме звуковой волны, приходящей от снаряда. Поиск максимального значения гармоник может быть организован, например, таким образом. Поступающая на микроконтроллер гармоника разбивается на последовательность дискретных значений. Рядом стоящие дискреты сравниваются по амплитуде без учета знака. При этом сравниваемые амплитуды могут быть как положительными, так и отрицательными. Первую поступившую на вход микроконтроллера дискрету назовем предыдущей (t=i+1), а следующую за ней - последующей (t=i) (фиг. 3). В случае если в сравнении компаратором двух рядом стоящих дискрет последующая больше предыдущей, имеет место уменьшение величины гармоники. В случае если последующая дискрета равна по модулю предыдущей или становится больше ее, можно констатировать, что имеет место прохождения максимума. В этом случае микроконтроллер должен послать сигнал центральной ЭВМ о достижении максимума на данном датчике. Время определения максимальных значений должно фиксироваться. Разности появления максимальных значений на соответствующих датчиках относительно базового датчика будут участвовать при расчетах параметров траектории.To implement this, let each microphone have its own microcontroller that processes only the signals entering its channel (Fig. 6). Let these microcontrollers work from one master clock generator. The task of each microcontroller is to receive an analog signal and translate it into a digital code with a high degree of resolution. Calculations should be carried out in real time, that is, in the rhythm of the sound wave coming from the projectile. The search for the maximum value of harmonics can be organized, for example, in this way. The harmonic supplied to the microcontroller is divided into a sequence of discrete values. Nearby discrepancies are compared in amplitude without regard to the sign. In this case, the compared amplitudes can be both positive and negative. We call the first discrete input to the microcontroller the previous one (t = i + 1), and the next one after it the next one (t = i) (Fig. 3). If, in comparison with the comparator of two adjacent discrete, the next one is larger than the previous one, there is a decrease in the harmonic value. If the subsequent discrete is equal in absolute value to the previous one or becomes larger than it, we can say that there is a passage of the maximum. In this case, the microcontroller must send a signal to the central computer about reaching a maximum on this sensor. The time for determining the maximum values should be fixed. Differences in the appearance of maximum values on the respective sensors relative to the base sensor will participate in the calculation of the trajectory parameters.

Разместим датчики звука в тех же точках, что и сейсмоприемники, то есть в точках А, В, С, но над Землей. Напомним, что расположение датчиков звука должно удовлетворять следующим условиям: они должны располагаться вдоль одной прямой и в горизонтальной плоскости. Кроме того, разместим четвертый датчик звука над точкой А (базовой точкой) на некоторой высоте (2-3 метра) на вертикали этой точки.We place the sound sensors at the same points as the geophones, that is, at points A, B, C, but above the Earth. Recall that the location of sound sensors must satisfy the following conditions: they must be located along one straight line and in a horizontal plane. In addition, we place the fourth sound sensor above point A (base point) at a certain height (2-3 meters) on the vertical of this point.

Для формирования расчетных уравнений рассмотрим два косоугольных треугольника O1AB и O1AC (фиг. 4). Точка О1 - это точка траектории полета снаряда, параметры которой должны определяться. Воспользуемся формулой (теоремой косинусов):To form the calculation equations, we consider two oblique triangles O 1 AB and O 1 AC (Fig. 4). Point O 1 is the point of the projectile flight path, the parameters of which must be determined. We use the formula (cosine theorem):

a 2=b2+c2*b*c*cosχ1, a 2 = b 2 + c 2 * b * c * cosχ 1 ,

где сторона a расположена напротив угла χ1, угла САО1.where side a is opposite the angle χ 1 , angle CAO 1 .

Расчеты аналогичны расчетам первого этапа (по сейсмоволнам).The calculations are similar to the calculations of the first stage (for seismic waves).

Для нашего случая имеем:For our case we have:

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

где первое уравнение справедливо для треугольника ОАВ, второе - для ОАС.where the first equation is valid for the triangle OAV, the second - for OAS.

Эта система двух уравнений содержит два неизвестных параметра: угол χ1 и расстояние ОА=d1.This system of two equations contains two unknown parameters: the angle χ 1 and the distance OA = d 1 .

В свою очередь, сторона OB=d1+ϑ*δt1 и ОС=d1+ϑ*δt2;In turn, the side OB = d 1 + ϑ * δt 1 and OS = d 1 + ϑ * δt 2 ;

где δt1=tB-tA, δt2=tC-tA, ϑ - скорость звука,where δt 1 = t B -t A , δt 2 = t C -t A , ϑ is the speed of sound,

где представленные разности составлены на основе измерения моментов прихода упругой волны к соответствующим датчикам. С учетом приведенных соотношений, запишем:where the presented differences are based on measuring the moments of arrival of the elastic wave to the respective sensors. Given the above ratios, we write:

Figure 00000007
Figure 00000007

Здесь обозначено АВ=a, ВС=b, a и b - заранее известные расстояния между датчиками.Here, AB = a , BC = b, a and b are the previously known distances between the sensors.

Раскроем скобки и упростим выражение, получим:Expand the brackets and simplify the expression, we get:

Figure 00000008
Figure 00000008

Если обозначитьIf designated

a 1=2*ϑ*Δt1, a 1 = 2 * ϑ * Δt 1 ,

a 2=2*ϑ*Δt2, a 2 = 2 * ϑ * Δt 2 ,

b1=2*a,b 1 = 2 * a ,

b2=2*(a+b),b 2 = 2 * ( a + b),

c1=a 2-(ν*Δt1)2,c 1 = a 2 - (ν * Δt 1 ) 2 ,

c2=(a+b)2-(ν+Δt2)2,c 2 = ( a + b) 2 - (ν + Δt 2 ) 2 ,

то имеем:then we have:

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

Это система двух уравнений с двумя неизвестными. ОбозначимThis is a system of two equations with two unknowns. Denote

d1=x1, d1*cosχ1=x2;d 1 = x 1 , d 1 * cosχ 1 = x 2 ;

тогда:then:

Figure 00000010
Figure 00000010

Для определения двух переменных - угла χ1 и расстояния d1 (равного отрезку АО1) надо решить представленную систему уравнений для конкретных значений ϑ, известных a и b, измеренных δt1, δt2.To determine two variables - the angle χ 1 and the distance d 1 (equal to the segment AO 1 ), it is necessary to solve the presented system of equations for specific values of известных, known a and b, measured δt 1 , δt 2 .

После определения величин d1 и χ1 можно определить координаты точки траектории в географической системе координат.After determining the values of d 1 and χ 1, you can determine the coordinates of the point of the trajectory in the geographical coordinate system.

Акустический датчик в точке D позволит определить угол возвышения точки О траектории над горизонтом - угол h.An acoustic sensor at point D will determine the angle of elevation of point O of the trajectory above the horizon — angle h.

Рассмотрим треугольник О1АD (фиг. 4).Consider the triangle O 1 AD (Fig. 4).

Из рисунка видно, что звуковой сигнал придет в первую очередь к датчику D, а затем уже к датчику А. При знании расстояния до точки О1, это расстояние было определено, это d1, можно определить и угол O1AO=β.It can be seen from the figure that the sound signal will come first to the sensor D, and then to the sensor A. If the distance to point O 1 is known, this distance has been determined, it is d 1 , and the angle O 1 AO = β can also be determined.

Из треугольника O1AD видно, чтоFrom the triangle O 1 AD it is seen that

DO1=d1-δt3DO 1 = d 1 -δt 3 * ϑ

Для нахождения угла β воспользуемся теоремой косинусов для треугольника АО1D:To find the angle β, we use the cosine theorem for the triangle AO 1 D:

O1D2=d2+l2-2*d*l*cosβ, откуда

Figure 00000011
O 1 D 2 = d 2 + l 2 -2 * d * l * cosβ, whence
Figure 00000011

Далее найдем угол возвышения траектории h относительно горизонта: h=90-β.Next, we find the elevation angle of the trajectory h relative to the horizon: h = 90-β.

Из треугольника O1АМ1 тогда можно найти и высоту траектории O1M1 и расстояние AM1:From the triangle O 1 AM 1 then you can find the height of the trajectory O 1 M 1 and the distance AM 1 :

O1M1=O1A*sinh, AM1=O1A*cosh.O 1 M 1 = O 1 A * sinh, AM 1 = O 1 A * cosh.

Найдем привязку найденных параметров полета снаряда с географическими координатами. Для этого необходимо определить географические координаты точки М.Find the binding of the found flight parameters of the projectile with geographical coordinates. To do this, determine the geographical coordinates of point M.

Рассмотрим треугольник АСО1. Согласно теореме косинусов имеем:Consider the triangle ASO 1 . According to the cosine theorem, we have:

Figure 00000012
.
Figure 00000012
.

Найдем длину стороныFind the length of the side

Figure 00000013
.
Figure 00000013
.

Из прямоугольного треугольника O1CM1 имеемFrom the right triangle O 1 CM 1 we have

Figure 00000014
.
Figure 00000014
.

В косоугольном треугольнике AM1C известны три стороны. Воспользовавшись теоремой косинусов можно найти угол при вершине А:Three sides are known in the oblique triangle AM 1 C. Using the cosine theorem, we can find the angle at the vertex A:

MC2=AC2+AM2-2*AM*AC*cosA, откуда:MC 2 = AC 2 + AM 2 -2 * AM * AC * cosA, whence:

угол А=-arccos(МС2-АС2-АМ2)/2*АС*АМangle A = -arccos (MS 2 -AC 2 -AM 2 ) / 2 * AC * AM

Найдя угол при вершине А, можно найти азимутальный угол точки М относительно известных координат точки А: XA, YA:Having found the angle at the vertex A, we can find the azimuthal angle of point M relative to the known coordinates of point A: X A , Y A :

∠Aист=∠CAN-∠A,∠A East = ∠CAN-∠A,

где ∠Аист - азимут точки М1 относительно точки А.where истA East - the azimuth of point M 1 relative to point A.

Угол CAN - угол междупрямой АС и направлением на Север.CAN angle - the angle of the interdirect speaker and the direction to the North.

Тогда координаты точки М1 могут быть найдены:Then the coordinates of the point M 1 can be found:

Y1=AM1*cos Аист+YA, X1=AM1*cos Аист+XA,Y 1 = AM 1 * cos A source + Y A , X 1 = AM 1 * cos A source + X A ,

где XA и YA - географические координаты точки А.where X A and Y A are the geographical coordinates of point A.

Проведя второе акустическое измерение (аналогичное первому), будем иметь координаты второй точки траектории - X2, Y2. По двум точкам земной поверхности можно провести прямую - проекцию траектории полета снаряда на поверхности Земли в виде уравнения прямой:After the second acoustic measurement (similar to the first), we will have the coordinates of the second point of the trajectory - X 2 , Y 2 . At two points on the earth's surface, you can draw a straight line - the projection of the trajectory of the projectile on the Earth's surface in the form of a straight line equation:

Y=k*X+Y1,Y = k * X + Y 1 ,

где k=(Y2-Y1)/(X2-X1).where k = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ).

Отложив на этой прямой дальность полета снаряда, получим точку падения снаряда: XK, YK. Координаты конечной точки полета снаряда и уравнение прямой траектории могут быть сообщены заинтересованным лицам, военным и гражданским, чтобы они приняли соответствующие меры.Putting the projectile’s flight range on this straight line, we get the projectile’s point of impact: X K , Y K. The coordinates of the endpoint of the projectile flight and the equation of the direct trajectory can be communicated to interested persons, military and civilian, so that they take appropriate measures.

Согласно фиг. 5 после второго измерения можно уточнить значения скорости полета снаряда и угол наклона траектории. Имеем:According to FIG. 5 after the second measurement, you can clarify the values of the projectile speed and the angle of inclination of the trajectory. We have:

O2K=O2M21М1, тогда tgα=O2K/O1K, α=arctgO2K/O1KO 2 K = O 2 M 2 -O 1 M 1 , then tgα = O 2 K / O 1 K, α = arctgO 2 K / O 1 K

Уточнение скорости полета снаряда ϑсн может быть проведено, если будет известно время между двух последовательных измерений Δt12:Refinement of the projectile speed ϑ sn can be carried out if the time between two consecutive measurements Δt 12 is known:

Figure 00000015
Figure 00000015

С учетом понижения траектории снаряда со временем приведенные выражения позволяют самостоятельно определить точку пуска снаряда, то есть уточнить координаты пушки, найденные ранее с помощью сейсмоприемников.Given the decrease in the projectile trajectory over time, the above expressions allow you to independently determine the projectile launch point, that is, to clarify the coordinates of the guns found previously using geophones.

Найденные в работе параметры движения снаряда позволяют уточнить точку падения путем моделирования или определить эту точку напрямую, по таблицам стрельбы.The projectile motion parameters found in the work make it possible to clarify the point of incidence by modeling or to determine this point directly, according to the shooting tables.

В качестве передаваемой по радио информации может быть рассчитанная точка падения и уравнение прямой, соответствующей траектории полета снаряда.The information transmitted by radio can be the calculated point of incidence and the equation of the line corresponding to the projectile flight path.

Рассмотренная система определения параметров траектории сверхзвукового снаряда может быть смонтирована на автомобиле и оперативно выдвигаться для проведения измерений. Передача информации может быть организована на определенной частоте радиоканала и может быть автоматизирована.The considered system for determining the parameters of the trajectory of a supersonic projectile can be mounted on a car and quickly put forward for measurements. Information transfer can be organized on a certain frequency of the radio channel and can be automated.

ЛитератураLiterature

1. Джерелейко Р. Система обнаружения огня «Сова». Военная техника, 2011.1. Dzhereleiko R. Fire Detection System "Owl". Military equipment, 2011.

2. Патент РФ №2358275, G01S 3/808. Способ и система определения траектории сверхзвукового снаряда. Бартер Джеймс И. - US, Миллиган Стивен Д. - US, Бринн Маршалл Сет - US, Муллен Ричард Дж. - US. Публикация РСТ: WO 2006/096208 (14.09.2006).2. RF patent No. 2358275, G01S 3/808. Method and system for determining the trajectory of a supersonic projectile. Barter James I. - US, Milligan Stephen D. - US, Brynn Marshall Set - US, Mullen Richard J. - US. PCT Publication: WO 2006/096208 (09/14/2006).

3. Патент РФ №2516205, F41J. Способ определения координат точки падения боеприпаса. Козирацкий Ю.Л., Кулешов П.Е., Чернухо И.И. Дата публикации Четверг, Октябрь 10, 2013 года.3. RF patent No. 2516205, F41J. The method of determining the coordinates of the point of incidence of ammunition. Koziratsky Yu.L., Kuleshov P.E., Chernukho I.I. Publication date Thursday, October 10, 2013.

4. Патент №2470252, F41J. Способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов. Близнюк A.M., Кочнев Ю.В., Хорощко А.Н. Дата публикации Четверг, Декабрь 20, 2012 года.4. Patent No. 2470252, F41J. A method for determining the position coordinates in space and in time of bullets and shells. Bliznyuk A.M., Kochnev Yu.V., Khoroshko A.N. Publication date Thursday, December 20, 2012.

5. Патент №2231738, F41J. Способ определения внешнебаллистических характеристик полета пуль и снарядов. Дата публикации: Вторник, Февраль 10, 2010 года.5. Patent No. 2231738, F41J. A method for determining the external ballistic characteristics of the flight of bullets and shells. Date of publication: Tuesday, February 10, 2010.

6. Патент №2392577, F41J. Устройство определения внешнебаллистических параметров на основе акустических датчиков. Афанасьева Н.Ю. и др. Дата публикации: Среда, Январь 27, 2010 года.6. Patent No. 2392577, F41J. Device for determining external ballistic parameters based on acoustic sensors. Afanasyeva N.Yu. et al. Date of publication: Wednesday, January 27, 2010.

7. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960.7. Krasilnikov V.A. Sound and ultrasonic waves in air, water and solids. - M .: State publishing house of physical and mathematical literature, 1960.

Claims (1)

Способ определения траектории полета сверхзвукового снаряда, включающего датчики звука, ориентированные под углом к направлению местонахождения пушки, и вычислительную машину, обрабатывающую полученную с датчиков информацию, отличающийся тем, что параметры траектории снаряда определяются в два этапа, на первом из которых определяется точка пуска снаряда сейсмологическими методами, а на втором - определение параметров траектории ведется акустическими методами, при этом на первом этапе в качестве датчиков сейсмической волны используются три сейсмоприемника, расположенные вдоль одной прямой в горизонтальной плоскости на известных расстояниях, а на втором - четыре датчика звука, три из которых расположены вдоль прямой в горизонтальной плоскости также на известных расстояниях, а четвертый располагается на вертикали одного из трех датчиков, взятого за базовый, в качестве измеренных параметров как в одном, так и в другом случаях используются разности времени прихода волн к датчикам относительно базового датчика, при этом на втором этапе используются выделенные микроконтроллером и компаратором максимальные значения гармоник звуковой волны, далее с учетом знания скоростей распространения сейсмических и звуковых волн, знания расстояний между датчиками и времени достижения волнами датчиков составляются уравнения, решение которых позволяют найти параметры для первого этапа - координаты пушки, а для второго этапа - параметры траектории снаряда относительно Земли.A method for determining the flight path of a supersonic projectile, including sound sensors oriented at an angle to the direction of the gun’s location, and a computer that processes the information received from the sensors, characterized in that the projectile path parameters are determined in two stages, the first of which determines the projectile launch point by seismological methods, and at the second - the determination of the trajectory parameters is carried out by acoustic methods, while at the first stage I use as seismic wave sensors there are three geophones located along one straight line in the horizontal plane at known distances, and on the second there are four sound sensors, three of which are located along the straight line in the horizontal plane also at known distances, and the fourth is located on the vertical of one of the three sensors taken as the base , as the measured parameters in both cases, the differences in the time of arrival of waves to the sensors relative to the base sensor are used, while the second stage uses dedicated micro roller and comparator maximum harmonics of the sound wave, then, taking into account the knowledge of the propagation velocity of seismic and sound waves, knowledge of the distances between the sensors and the time it takes for the sensor waves to form equations, the solution of which allows you to find the parameters for the first stage - the coordinates of the gun, and for the second stage - parameters projectile trajectories relative to the Earth.
RU2016100672A 2016-01-11 2016-01-11 Method for determining supersonic projectile flight trajectory RU2670731C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100672A RU2670731C9 (en) 2016-01-11 2016-01-11 Method for determining supersonic projectile flight trajectory

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100672A RU2670731C9 (en) 2016-01-11 2016-01-11 Method for determining supersonic projectile flight trajectory

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016100672A RU2016100672A (en) 2017-07-20
RU2670731C2 RU2670731C2 (en) 2018-10-24
RU2670731C9 true RU2670731C9 (en) 2018-11-30

Family

ID=59497217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016100672A RU2670731C9 (en) 2016-01-11 2016-01-11 Method for determining supersonic projectile flight trajectory

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2670731C9 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044943A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Bbnt Solutions Llc System and method for disambiguating shooter locations
RU2007110536A (en) * 2004-08-24 2008-10-10 БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРП. (US) METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A TRAJECTORY OF A SUPERSONIC APPLIANCE
RU2358275C2 (en) * 2004-08-24 2009-06-10 БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРП. Method and system of determining trajectory of supersonic projectile
RU2416103C2 (en) * 2009-07-06 2011-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Корпорация Method of determining trajectory and speed of object

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044943A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Bbnt Solutions Llc System and method for disambiguating shooter locations
RU2007110536A (en) * 2004-08-24 2008-10-10 БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРП. (US) METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A TRAJECTORY OF A SUPERSONIC APPLIANCE
RU2358275C2 (en) * 2004-08-24 2009-06-10 БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРП. Method and system of determining trajectory of supersonic projectile
RU2416103C2 (en) * 2009-07-06 2011-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Корпорация Method of determining trajectory and speed of object

Also Published As

Publication number Publication date
RU2670731C2 (en) 2018-10-24
RU2016100672A (en) 2017-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7796470B1 (en) Acoustic detection of weapons near transportation centers
Damarla et al. Sniper localization using acoustic asynchronous sensors
US8325563B2 (en) Systems and methods of locating weapon fire incidents using measurements/data from acoustic, optical, seismic, and/or other sensors
US20080228437A1 (en) Estimation of global position of a sensor node
ES2540737T3 (en) Procedure for the detection of the flight path of projectiles
GB2531161A (en) An acoustic detection system
WO2000073811A1 (en) Acoustic counter-sniper system
US4805159A (en) Acquistion of a projectile trajectory past a moving target
CN105425231A (en) Multi-sensor multi-target positioning method based on layered projection and Taylor expansion
US20110122730A1 (en) Apparatus and Method of Sniper Localization
EP0511293A1 (en) Acoustic projectile trajectory evaluation device.
CN113176609A (en) Underground shallow target positioning method based on earth sound field
Akman et al. Sensor fusion, sensitivity analysis and calibration in shooter localization systems
CN103869287A (en) Gunshot positioning orienting method
RU2670731C9 (en) Method for determining supersonic projectile flight trajectory
Sallai et al. Fusing distributed muzzle blast and shockwave detections
Ash et al. Performance of shockwave-based shooter localization under model misspecification
US9612310B2 (en) Method and apparatus for determining the direction of arrival of a sonic boom
RU2704955C1 (en) Method of locating shooter by sound of shot during movement of shelling object
JP2000205794A (en) Bullet position locator
RU2319100C2 (en) Method for firing from artillery gun and artillery system for its realization
KR101232049B1 (en) Technology for detection and location of artillery activities
KR20150103574A (en) Apparatus and method for estimating location of long-range acoustic target
RU2676830C2 (en) Method for determining coordinates of firing artillery systems and ruptures of projectiles by sound recorder
Akman Multi shooter localization with acoustic sensors

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200112