TWI480500B - 發射體觸發時間之飛行中規劃技術 - Google Patents

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Description

發射體觸發時間之飛行中規劃技術 發明領域
本發明關於用於在一發射體從一槍管遭發射之後規劃該發射體的觸發時間的系統及方法。
發明背景
從槍管遭發射的發射體沿著明確定義的或者可預測的軌道行進。在使用中，當給定一所欲的彈著點、槍管狀態、風速等的時候，一發射控制或彈道電腦對一特定的發射體類型決定槍管的傾斜角α。然而，由於在每個發射體之彈藥包中所裝填的炸藥量的變化、導帶及相關聯槍管磨耗與熱膨脹之公差、該槍管的潔淨度、濕度的變化等，在從該槍管離開之後每個發射體的膛口速度遭受一些偏差。該膛口速度的該等偏差進而導致該彈著點偏離該所欲的目標位置。此外，一發射體在空中之後，風速及環境因素的變化也影響該彈著點或引爆位置的準確性。
對於大型發射體來說，可能有足夠的空間及酬載以使用對目標位置的主動追蹤。目標追蹤可使用全球定位系統、雷射等以及補充加力器及/或導向翼及制動器。然而，對於小型及廉價的發射體來說，不會使用目標追蹤；例如，讓渡給美國軍隊的美國專利第7,021,187號案描述了一彈藥發射器，其中一典型的彈藥之觸發時間遭永久性地規劃到包含於其內的一引信(fuse)中。膛口速度的偏差及環 境因素的變化在設定該彈藥之該觸發時間時無法被考慮到。
用於更新一小型發射體之該觸發時間的一習知的方法是追蹤每個發射體的速度(例如，藉由都卜勒(Doppler)或雷射轉速計)及依據到該目標位置之該剩餘的飛行時間重規劃該觸發時間；例如，讓渡給Giat工業集團的美國專利第6,216,595號案描述了這樣的一種方法。因此，針對追蹤或者決定小型發射體之速度的其他方法有一需求，藉此每個發射體的該觸發時間可遭規劃或更新以最佳化該發射體的效能。
發明概要
以下呈現了一簡化概要來提供本發明的一基本的理解。該概要並不是本發明的一廣泛的概觀，且該概要並不企圖指出本發明的關鍵特徵。而是，本概要以一般化的形式作為隨後詳細描述的一前序以呈現本發明之該等創造性的概念中的一些。
對小型發射體來說，用以改進該發射體之效能的一種方法是在每個發射體到達一目標位置的剩餘飛行時間期間更新或者改變每個發射體的該觸發或者引爆時間。使用這個方法，能夠補償風速及環境因素的變化。
在一個實施例中，本發明提供了一種規劃一發射體之一觸發時間的方法，該方法包含以下步驟：在一發射體從一相關聯的槍管離開之後，判定該發射體的一膛口速度；在該發射體已經遭發射之後的一預定的時間，判定該 發射體的一飛行速度；及計算該發射體的膛口速度及飛行速度與藉由一相關聯的彈道電腦所判定的該發射體的膛口速度及飛行速度的偏差，及在該發射體抵達其目標之該剩餘的飛行時間期間規劃該觸發時間，藉此最佳化該發射體的效能；其中判定該發射體之膛口速度及飛行速度之步驟，包含在該發射體遭發射之後相關的預定時間，從該發射體發出一信號、及判定藉由連接到該彈道電腦的一天線所接收的該信號強度、及自儲存在該彈道電腦的信號強度-距離資料計算該發射體的速度。
在另一實施例中，該發射體在該發射體遭發射之後的相關預定時間間隔上發出週期性的信號。
在另一實施例中，從一流量感測器獲得該發射體的膛口速度及飛行速度。在又一實施例中，自一MEM加速計獲得該發射體的膛口速度及飛行速度。該發射體的膛口速度及飛行速度可發回至該彈道電腦用於計算該發射體的該觸發時間。可選擇地，該發射體的膛口速度及飛行速度可在該發射體的一微處理器中遭運算。
在又一實施例中，藉由該等以上流程所獨立地獲得的該發射體的膛口速度及飛行速度可由卡爾曼(Kalman)濾波遞迴地獲得。此外，可靠性加權因數可應用到每個獨立地獲得的膛口速度及飛行速度。
圖式簡單說明
本發明將參考該等附圖以本發明之非限定的實施例的方式來描述，其中： 第1圖依據本發明之一實施例說明一槍炮系統；第2圖說明與第1圖中所顯示的該槍炮系統一起使用的一彈道電腦；第3圖說明一發射體的一控制電路，它形成第1圖中所顯示的該彈藥之一部分；第4圖依據本發明之另一個實施例說明用於更新該發射體之一觸發時間的一演算法。
較佳實施例之詳細說明
現在將參考該等附圖對本發明之一個或多個特定的及可選擇的實施例進行描述。然而，對該技藝中具有通常知識者來說，應該清楚本發明可在沒有這些特定細節的情況下遭實行。該等細節的一些未遭詳細描述以免模糊本發明。為便於參考，當指的是該等圖式共同的該等相同或類似的特徵時，所有圖式會使用共同的參考數字或者系列數字。
第1圖依據本發明之一實施例顯示一槍炮系統10。如在第1圖中所示，該槍炮系統10具有一槍管20、一彈道電腦30及連接到該彈道電腦30的一天線32。在另一實施例中，該槍管20可操作的以關於一水平軸x傾斜一角度α。此外，該槍管20可關於一垂直軸z旋轉一角度θ。
第2圖顯示該彈道電腦30的一示意圖。如在第2圖中所顯示，該彈道電腦30具有一射頻(RF)類比前端34及一中央處理器40。該彈道電腦30的該類比前端34連接到該 天線32與該中央處理器40。在該類比前端34與該處理器40之間的該等連接包括用於已接收信號強度指示(RSSI)輸入41、都卜勒頻移輸入42、資料接收輸入43、及資料發送輸出44的多個通道。此外，該中央處理器40還包括一使用者輸入45通道。該使用者輸入45可包括多個輸入，諸如關於該槍管20、風速、天氣狀況等一目標位置P的一距離或座標。在該中央處理器40的另一實施例中，該中央處理器包括一額外的通道46用於連接一雷射測距儀。
該槍炮系統10用於發射一彈藥50。如在第1圖中所示，每個彈藥50包括一發射體60與一彈藥包52。每個發射體60運載一控制電路70與一炸藥62。如在第3圖中所示，該控制電路70包括一微處理器72、連接到一天線75的一射頻(RF)類比電路73、及一引爆電路80。亦如第3圖所示，該RF類比電路73與微處理器72之間的該等連接包括一資料接收輸入72a與一已接收信號強度指示符(RSSI)輸入72b。此外，該微處理器72還具有用於與一流量感測器及一微機電(MEM)加速計94相連接的多個通道。該微處理器72的一輸出遭連接到該引爆電路80，該引爆電路80用以在(或接近)該目標位置P(該等圖式中未顯示但可理解)點燃或者引爆該炸藥62。在該微處理器72的另一實施例中，額外地提供了一資料發送輸出72c；來自該流量感測器92及/或MEM加速計94的輸出可遭發回至該彈道電腦30用於處理，且來自該彈道電腦的該等結果可透過該資料接收輸入72a遭發送到該發射體的該微處理器72。
該控制電路70的另一實施例中，該RF類比電路73包括一編碼器/解碼器74。可選擇地或此外，該微處理器72包括該編碼器/解碼器74。該控制電路70的另一實施例中，該微處理器72包括一計時器76；該計時器76回應於該微處理器72的一輸出，依據到達該目標位置P的該剩餘的飛行時間以倒數或正數的方式設定該引爆電路80的觸發時間。在該控制電路70的又一實施例中，該微處理器72包括一資料單元96，該資料單元96儲存了該彈道電腦30所使用的多個彈道參數。
第4圖說明在該發射體60之飛行中規劃期間一方法流程400。流程框410表示把一發彈藥50裝入該槍管20的一發射膛及點燃該相關聯的彈藥包52。點燃該彈藥包52之後，該發射體60以高的速度及加速度通過該槍管20遭發射。點燃該彈藥包52之後的一預定的時間T0，該發射體60離開該槍管20。該發射體60以已知的槍管方向離開該槍管20時的該速度定義該發射體的該膛口速度V0。
在該相同的瞬間T0，該發射體的控制電路70發出一信號S0。在點燃該彈藥包之後的另一預定時間T1，該控制電路70發出一另外的信號S1。類似地，在又一預定時間T2，發出另一信號S2。在流程框415中表示點燃該彈藥包之後的預定時間上多個信號的發出動作。在由流程框420所表示的下一個流程中，在該等相關的預定期間決定該發射體60的速度。
如在第4圖中所示，該流程框420說明三個獨立的 流程。在由流程框422所表示的第一流程中，與該等各自的預定期間相對應的信號S由天線32所接收。由天線32所接收的該信號透過輸入41遭饋送到該彈道電腦30的該中央處理器40。該中央處理器40然後決定在各自期間的信號強度。透過查閱儲存在該彈道電腦30中的信號強度-距離資料，計算該發射體60在每個預定時間的速度。在一個實施例中，當該發射體60在空中的時候，該發射體60在每個預定時間T0、T1、T2之該已計算的實際速度透過該天線32遭發送到該發射體60。在另一實施例中，相對應於每個期間T0、T1、T2等的該發射體60的該等實際速度遭編碼成一信號，該信號透過該RSSI輸入72b發送到該發射體60。在另一實施例中，該發射體60在每個預定時間的該已計算的速度在該彈道電腦30中遭轉換作為點燃時間，該點燃時間然後在該發射體60處於該天線傳輸的範圍之內的時候遭傳輸到該發射體。
在由流程框424所表示的第二流程中，對該微機電(MEM)加速計94所獲得的該發射體60的加速度以飛行時間積分，然後決定在各自的預定時間T0、T1、T2等時實際的飛行速度。
在由流程框426所表示的第三流程中，在各自的預定時間T0、T1、T2等時，該發射體60的該等實際的飛行速度從該流量感測器92獲得。
由流程框422、424、426所表示的該等流程的每一個所決定的該發射體60的該實際的飛行速度然後遭輸入到流程框430。在流程框430中，使用一卡爾曼(Kalman)濾 波演算法以對每一個預定期間T0、T1、T2等時的流程框422、424、426之該等輸出進行操作。此外，該彈道電腦30所使用的該等理論上的彈道參數可從流程框435中輸入到該卡爾曼(Kalman)濾波流程框430。該卡爾曼濾波器的遞迴特性提供在各自期間的該發射體60之實際速度的一較佳估計。在另一實施例中，可靠性或加權因數可在藉由該卡爾曼濾波演算法430操作該各自的輸出之前應用到流程422、424、426之該等輸出。
在流程框440中，當該發射體還在空中的時候，使用在一預定時間處例如在T0、T1、T2等處該發射體60的該實際速度之該較佳估計以提供該剩餘飛行時間的一較佳的預測。該預測出的剩餘飛行時間然後遭使用以設定該引爆電路80的該觸發時間來啟動它的點燃(FIRE)輸出。
如在第4圖中所示，然後在流程框445中，當該發射體60還在空中的時候做出一決定。在決定框445中，如果該觸發時間還未過去，該流程返回到流程框420且該發射體的該實際的速度在流程422、424、426中再次被決定。如果該天線32與天線75之間的傳輸不再有效，該卡爾曼濾波流程430可基於流程424及426的該等結果遞迴地估計該發射體60的該實際速度。一旦到達該觸發時間，該微處理器72或計時器76啟動該引爆電路80及點燃該炸藥62。
在本發明之以上實施例中，藉由該微處理器72執行在每個預定時間的該發射體60的實際速度及卡爾曼濾波的該等計算。在另一實施例中，可在該彈道電腦30進行 這樣的計算且計算的結果可編碼成在天線32及天線75之間的無線電信號傳輸。在另一實施例中，這些無線電信號可藉由在該RF類比前端34、該RF類比電路73中的編碼器/解碼器74、該中央處理器40或該微處理器72中加密。
在本發明的另一實施例中，在點燃該彈藥包52以後的一預定時間之後且離該槍炮系統10相對應於一安全距離，該微處理器72設定該引爆電路80至它的備炸(arm)模式。
儘管已經描述及說明了多個特定的實施例，但應該理解的是，在不背離本發明之範圍的情況下可對本發明做許多變化、修改、改變及其等之組合。例如，該槍炮系統10可以是安裝在一發射載具上的一大口徑槍炮，及該彈道電腦30中的該中央處理器40可包括一額外的通道47用於連接與該天線32分開的另一天線。使用這個額外的天線，該中央處理器40接收另一信號強度輸入及/或速度回授；在距離該彈道電腦30一已知的距離處之該額外的信號強度輸入允許對該發射體的膛口速度及飛行中速度/位置做更準確的決定。此外，該發射體可包含一自毀引爆機制，藉此未爆炸的彈藥將在其遭備炸或點燃之後自我毀滅。在另一實施例中，該微處理器72也可額外地根據該都卜勒頻移輸入42決定該發射體的實際速度。在又一實施例中，本發明可用於發射催淚瓦斯及類似刺激物。
10‧‧‧槍炮系統
20‧‧‧槍管
30‧‧‧彈道電腦
32‧‧‧天線
34‧‧‧射頻(RF)類比前端
40‧‧‧中央處理器
41‧‧‧信號強度指示(RSSI)輸入
42‧‧‧都卜勒頻移輸入
43‧‧‧資料接收輸入
44‧‧‧資料發送輸出
45‧‧‧使用者輸入
46，47‧‧‧通道
50‧‧‧彈藥
52‧‧‧彈藥包
60‧‧‧發射體
62‧‧‧炸藥
70‧‧‧控制電路
72‧‧‧微處理器
72a‧‧‧資料接收輸入
72b‧‧‧信號強度指示符(RSSI)輸入
72c‧‧‧資料發送輸出
73‧‧‧射頻(RF)類比電路
75‧‧‧天線
76‧‧‧計時器
80‧‧‧引爆電路
92‧‧‧流量感測器
94‧‧‧微機電加速計
96‧‧‧資料單元
410~450‧‧‧流程框
第1圖依據本發明之一實施例說明一槍炮系統；第2圖說明與第1圖中所顯示的該槍炮系統一起使用的 一彈道電腦；第3圖說明一發射體的一控制電路，它形成第1圖中所顯示的該彈藥之一部分；第4圖依據本發明之另一個實施例說明用於更新該發射體之一觸發時間的一演算法。
410~450‧‧‧流程框

Claims (6)

  1. 一種用於規劃發射體之觸發時間之方法，該方法包含以下步驟：在一發射體從一相關聯的槍管離開之後，判定該發射體的一膛口速度；在該發射體已經遭發射之後的一預定時間，判定該發射體的一飛行速度；及計算該發射體的膛口速度及飛行速度與藉由一相關聯的彈道電腦所判定的該發射體的膛口速度及飛行速度之偏差，及在該發射體抵達其目標之該剩餘的飛行時間期間規劃該觸發時間，藉此最佳化該發射體的效能；其中判定該發射體之膛口速度及飛行速度之步驟，包含在該發射體遭發射之後相關的預定時間，從該發射體發出一信號、及判定藉由連接到該彈道電腦的一天線所接收的該信號強度、及自儲存在該彈道電腦的信號強度-距離資料計算該發射體的速度。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含在發射該發射體之後相關的預定時間，藉由一流量感測器判定該發射體的膛口速度及飛行速度。
  3. 如請求項2所述之方法，進一步包含以飛行時間對由一微機電(MEMs)加速計而得的該發射體之加速度積分，來判定該發射體的膛口速度及飛行速度。
  4. 如請求項2或3所述之方法，其中判定該發射體之膛口速度及飛行速度的結果遭發送回至該彈道電腦。
  5. 如請求項4所述之方法，其中藉由獨立的流程所判定的該發射體之膛口速度及飛行速度與可靠性加權因數相結合。
  6. 如請求項4所述之方法，其中藉由獨立的流程所判定的該發射體之膛口速度及飛行速度透過使用一卡爾曼(Kalman)濾波演算法遞迴地獲得。
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