飞行器运动参数测量方法
【专利摘要】本发明涉及飞行器运动参数测量方法，利用布设在飞行器运动轨迹地面投影附近的若干微型声学测量测点，每个测点包括1个声学传声器及其配套设备，利用测量到的飞行器超音速飞行时产生的激波信号到时差，可以迅速、准确地给出飞行器运动的轨迹、速度、时变的加速度等参数。给出了飞行器运动的完整数学描述，解决了通过测量运动轨迹附近激波信号到时差推算运动轨迹、速度、加速度及其高阶微分量的问题，为飞行器运动参数测量提供了一种新颖、廉价、精确、便捷、实用的技术方法。
【专利说明】飞行器运动参数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种快速精确测量超音速飞行器运动参数的声学方法，尤其涉及一种 利用飞行器运动轨迹激波的声学特性确定飞行器运动参数的计算方法。
【背景技术】
[0002] 针对飞行器运动参数的各种探测技术研究一直受到世界各国的重视，目前已有的 方法有：红外探测系统、声探测系统、激光探测系统以及超短波雷达探测系统等。现有的计 算方法大多是由观测量直接对目标进行定位，再根据离散的或连续的位置信息得到运动轨 迹以及运动参数；而利用运动目标的衍生信号（例如运动激波）进行间接测量并反演得到 运动参数的研究工作大多采用比较简单的模型，难以反映目标的真实运动情况。高速运动 的飞行器会在空气中摩擦产生涡流、激波和飞行噪声，当飞行器运动速度接近并超过音速 时，这种飞行噪声更为明显。
[0003] 在飞行器运动参数的声探测定位系统与方法领域国内外已有的相关专利中以及 国内外已公开发表的论文中，涉及与本发明相关的内容均无相同之处。经过试验验证，本发 明是一种新颖、廉价、精确、便捷、实用的技术方法，克服了以往方法的不足之处。
[0004] 本发明使用声探测技术，通过布设一系列声传感器，精确测定运动激波到达每个 传感器的时间差，建立起合理的数学模型和代价函数，可以精确计算出飞行器运动的轨迹、 速度、时变的加速度等参数。
[0005] 张彤等人的另一项国家发明专利"狙击弹道的声学测量方法"，专利号： ZL201110194046. 8,授权公告日：2013年8月14日。该专利是按照匀速直线运动模型由3 个声学基阵的观测量计算出弹道激波方向线，进而通过循环迭代搜索的方法得到弹道直线 方程以及着靶点和狙击手位置，而本发明的测量对象是运动目标的轨迹为任意曲线，速度 矢量、加速度矢量及其高阶微分量都可以是时变的，具有更加广泛的适用性。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是提供一种可对飞行器运动参数进行快速准确测量的声学测量方法， 给出了飞行器运动的完整数学描述，解决了现有声探测方法存在的飞行器空间位置测量误 差大、计算过程长以及无法测量和计算运动轨迹、速度和加速度及其高阶微分量等参数的 问题。
[0007] 本发明的技术解决方案是：
[0008] 飞行器运动参数测量方法，其特殊之处在于：包括以下主要步骤：
[0009] 1】搭建测试系统，并建立坐标系：
[0010] 测试系统包括：在飞行器运动轨迹地面投影线附近布设的3m+l个测点、无线数据 汇集处理单元，m为待定运动参数三维矢量的个数；
[0011] 坐标系：以测试现场任意指定点为坐标原点的三维空间正交坐标系；
[0012] 每个测点设置一个传声器，每个测点还包括与传声器配套的数据采集单元、存储 单元、GPS、无线传输设备以及微处理器单元，
[0013] 所述数据采集单元用于对来自传声器的模拟信号进行采样和量化得到数字信号； 所述存储单元用于接收数字信号并进行暂时存放；所述微处理器单元用于从存储单元中的 数据判断出激波到达时刻值，并通过无线传输设备把该时刻值传送到无线数据汇集处理单 元；各个测点通过GPS实现整个测试系统的时间统一；
[0014] 2】用全站仪测量和标定出各测点传声器在坐标系中的空间坐标： C. (.V, , ι'(. ,0)./ = 0J.···,3m :
[0015] 3】利用各个测点测量并记录的飞行器所产生激波到达各个传声器的时刻： 匕.;,/ = 0.1,….3m ,把最先接收到激波信号的测点命名为测点0,其坐标为：，
[0016] 计算其它测点与测点0之间的激波到达时间差，= 1二…Jtm
[0017] 3. 1】预估任意一组具有m个三维矢量的运动参数：与?,?χρ.ιν,,,Ο)对应的飞行器 所产生激波的迸发点坐标:4 ，兄?z 、该点瞬时弹速^ νβ,, %、该点瞬时加速度 )、该点加速度的瞬时变化率,.為」，依此类推，直到第m个三维矢量 参数1，将这3m个值作为搜索的起点；
[0018] 3. 1. 1】计算，凡^，24)点处的运动激波锥面半角Θ
[0019]
【权利要求】
1.飞行器运动参数测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 1】搭建测试系统，并建立坐标系： 测试系统包括：在飞行器运动轨迹地面投影线附近布设的3m+l个测点、无线数据汇集 处理单元，m为待定运动参数三维矢量的个数； 坐标系：以测试现场任意指定点为坐标原点的三维空间正交坐标系； 每个测点设置一个传声器，每个测点还包括与传声器配套的数据采集单元、存储单元、 GPS、无线传输设备以及微处理器单元， 所述数据采集单元用于对来自传声器的模拟信号进行采样和量化得到数字信号；所述 存储单元用于接收数字信号并进行暂时存放；所述微处理器单元用于从存储单元中的数据 判断出激波到达时刻值，并通过无线传输设备把该时刻值传送到无线数据汇集处理单元； 各个测点通过GPS实现整个测试系统的时间统一； 2】用全站仪测量和标定出各测点传声器在坐标系中的空间坐标： 3】利用各个测点测量并记录的飞行器所产生激波到达各个传声器的时刻： %1，|' = 0?1?-，3〇1，把最先接收到激波信号的测点命名为测点0，其坐标为：<^;#,.：^，0)， 计算其它测点与测点〇之间的激波到达时间差，=& -k，/ = 1，2,…，3m: 3. 1】预估任意一组具有m个三维矢量的运动参数：与气对应的飞行器所 产生激波的迸发点坐标、该点瞬时弹速％(V()t%、该点瞬时加速度 、该点加速度的瞬时变化率依此类推，直到第m个三维矢量 参数屯，将这3m个值作为搜索的起点； 3. 1. 1】计算4 点处的运动激波锥面半角9 〇，
3. 1. 2】计算4)^4?，兄v点处的速度矢量线&与A〇、c〇连线的夹角小。， 速度矢量线tfv",.，vni,，v)的直线方程：
上述两直线之间夹角cK的计算公式为：
3. 1.3】通过无线数据汇集处理单元设定阈值6,如果I (^-(90° -0^1〉6,则调整 4,(?,.'^24、)和1(1.，?.，^)的取值，使得1小。-(9〇°-9。）|<3即可；
3.2】任意设定步长八扒7^=八+1紅/ = 12，?，3丨叫1 =〗，2，"、况，式中1'4>是飞行器 到达4? j t<j的时刻；式c
3.2.1】计算4(^，3/,1,，5)，〖=1，2，一3111点处的运动激波锥面半角0 1，
3. 2. 2】计算4 p = 1，2,…，3m点处的速度矢量线17;与Ai、Q连线的夹角小i， 速度矢量线Mn.，》i.P = 〗，2^%3m的直线方程：
Afi，i = 1，2,…，3m连线的直线方程：
上述两直线之间夹角t的计算公式为：
3. 3】如果|小厂(90 ° - 0 i) | > S，则重复第3. 2】步，改变，继续搜索 4 (-ri，凡I,，z4 )"'= U，-"，3m 和 S(v&，VHi )，，' = !，2,…，3^^ 可； 4】定义函数Q为：
Tit在第3. 2】步得到，
5】飞行器运动参数搜索范围自适应调整： 5. 1】搜索起点的其它值不变，仅改变x4 ?以S x>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，5〈n〈500 ; 如果函数Q的极小值Qmin取在+?a < ?，则执行步骤5. 2】； 如果函数Q的极小值9_取在了、设定范围的两端，即气+?'紅》= 0或a =n，则 改变?的起始搜索点为' 心?或\ +(?-2)?釭，重复本步骤，直到符合转到执 行步骤5. 2】的条件； 5. 2】搜索起点的其它值不变，仅改变以S y>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 1】； 如果函数Q的极小值Qmin取在兄％ +夕4.V3 < # < ?，则执行步骤5. 3】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即>'4 +於办夕=0或运=n， 则改变的起始搜索点为'卸或+(" -2)4>，重复本步骤，直到符合 转到执行步骤5. 3】的条件； 5. 3】搜索起点的其它值不变，仅改变z4 ?以S z>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 2】； 如果函数Q的极小值Qmin取在+r4z，G</< n，则执行步骤5. 4】； 如果函数Q的极小值(^取在了设定范围的两端，即= 〇或y =n， 则改变、的起始搜索点为或、+(w-2)4z ?重复本步骤，直到符合转 到执行步骤5. 4】的条件； 5. 4】搜索起点的其它值不变，仅改变V(lx以S Vx > 〇为步长，其变化范围设定为进行n步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 3】； 如果函数Q的极小值Qmin取在V&+ e ? S Vx，〇 < e < n，则执行步骤5. 5】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即v^+e ? Svx，e =〇或e =n， 则改变V&的起始搜索点为v^-OiD ? 5 Vx或V(lx+(n-2) ? 5 Vx，重复本步骤，直到符合 转到执行步骤5. 5】的条件； 5. 5】搜索起点的其它值不变，仅改变V(ly，以S Vy>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 4】； 如果函数Q的极小值Qmin取在? S Vy，〇〈 € <n，则执行步骤5. 6】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即Vdy+l ? 5Vy, € =〇或€ =n， 则改变Vdy的起始搜索点为Vdy-Oi-2) ? 5 Vy或V(ly+(n-2) ? 5 Vy，重复本步骤，直到符合 转到执行步骤5. 6】的条件； 5. 6】搜索起点的其它值不变，仅改变V(lz，以S Vz>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 5】； 如果函数Q的极小值Qmin取在vQz+ n ? S Vz，〇〈 n <n，则执行步骤5. 7】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即v^+n ? Svz, n =〇或n =n， 则改变v%的起始搜索点为Vh-Oi-2) ? 5 Vz或V(lz+(n-2) ? 5 Vz，重复本步骤，直到符合 转到执行步骤5. 7】的条件； 5. 7】搜索起点的其它值不变，仅改变ata，以S ax>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 6】； 如果函数Q的极小值Qmin取在aj P ? S ax，〇〈 p <n，则执行步骤5. 8】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即ajp ? 5ax，p =0或p =n， 则改变ata的起始搜索点为'-(n-2) ? S ax或a(lx+(n-2) ? S ax，重复本步骤，直到符合转到 执行步骤5. 8】的条件； 5. 8】搜索起点的其它值不变，仅改变a(ly，以S ay>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 7】； 如果函数Q的极小值Qmin取在〇 ? S ay，〇〈 〇 <n，则执行步骤5. 9】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即a^+o ? 5ay, 〇 =0或〇 =n， 则改变、的起始搜索点为、-〇1-2) ? S ay或a(ly+(n-2) ? S ay，重复本步骤，直到符合转到 执行步骤5. 9】的条件； 5. 9】搜索起点的其它值不变，仅改变a(lz，以S az>〇为步长，其变化范围设定为进行n步 搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 8】； 如果函数Q的极小值Qmin取在aQz+ t ? S az，〇〈 t <n，则执行步骤5. 10】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即a^+T ? Saz, t =〇或t =n， 则改变'的起始搜索点为^-(n-2) ? S az或a(lz+(n-2) ? S az，重复本步骤，直到符合转到 执行步骤5. 10】的条件； 5. 10】搜索起点的其它值不变，仅改变bta，以Sbx>0为步长，其变化范围设定为进行n 步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 9】； 如果函数Q的极小值Qmin取在V+d ? S bx，0〈d〈n，则执行步骤5. 11】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即t^+d ? S bx, d = 0或d = n，则改 变的起始搜索点为? 5bx*b(lx+(n-2) ? 5bx，重复本步骤，直到符合转到执行 步骤5. 11】的条件； 5. 11】搜索起点的其它值不变，仅改变ky，以Sby>0为步长，其变化范围设定为进行n 步搜索，每一步搜索时都先执行步骤5. 10】； 如果函数Q的极小值Qmin取在tV+e ? S by，0〈e〈n，则执行步骤5. 12】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即bdy+e ? s by, e = 0或e = n，则改 变13(|7的起始搜索点为13(|7-(11-2)*5 137或13(|7+(11-2)*5 137，重复本步骤，直到符合转到执行 步骤5. 12】的条件； 5. 12】搜索起点的其它值不变，仅改变，以Sbz>0为步长，其变化范围设定为进行n 步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 11】； 如果函数Q的极小值Qmin取在V+f ? S bz，0〈f<n，则执行步骤5. 13】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即t^+f ? S bz, f = 0或f = n，则改 变b%的起始搜索点为? 5\或1^+(11-2) ? 5bz，重复本步骤，直到符合转到执行 步骤5. 13】的条件； 依此类推，……；
5. (3m-2)】搜索起点的其它值不变，仅改变W(lx，以S Wx>〇为步长，其变化范围设定为进 行n步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. 3 (m-1)】； 如果函数Q的极小值Qmin取在wQx+p ? 5 wx, 0〈p〈n，则执行步骤5. (3m-l)】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即w^+p ? S wx, p = 0或p = n，则改 变的起始搜索点为w^-OiD ? ? 5wx，重复本步骤，直到符合转到执行 步骤5. (3m-l)】的条件；
5. (3m-l)】搜索起点的其它值不变，仅改变W(ly，以S Wy>〇为步长，其变化范围设定为进 行n步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. (3m-2)】； 如果函数Q的极小值Qmin取在wQy+q ? 5 wy, 0〈q〈n，则执行步骤5. 3m】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即Ww+q ? S wy, q = 0或q = n，则改 变Wy的起始搜索点为Wdy-Oi-2) ? 5wy或Wdy+Oi-2) ? 5wy，重复本步骤，直到符合转到执行 步骤5. 3m】的条件； 5. 3m】搜索起点的其它值不变，仅改变W(lz，以S Wz>〇为步长，其变化范围设定为进行n步搜索，每一步搜索时先执行步骤5. (3m-l)】； 如果函数Q的极小值Qmin取在w^+r ? 5 wz, 0〈r〈n，则执行步骤6】； 如果函数Q的极小值Qmin取在了设定范围的两端，即w^+r ? S wz, r = 0或r = n，则改 变、的起始搜索点为w%- (n-2) ? S wz或W&+ (n-2) ? S wz，重复本步骤，直到函数Q的极小 值 Qmin 取在 wQz+r ? S wz, 〇〈r〈n ;
2.根据权利要求1所述的飞行器运动参数测量方法，其特征在于：所述步骤5. 1】中的 n 为 10。
【文档编号】G01C23/00GK104280046SQ201410546553
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】张彤, 张敏, 孙德玉, 赵奇峰, 吴江, 胡军照, 田传艳 申请人:西北核技术研究所