[发明专利]飞行器运动参数测量方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

本发明的技术解决方案是：

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：

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13个测点、无线数据汇集处理单元；

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：把最先接收到激波信号的测点命名为测点0，其坐标为：

计算其它测点与测点0之间的激波到达时间差，

3.1】预估任意一组具有4个三维矢量的运动参数：与对应的飞行器所产生激波的迸发点坐标该点瞬时弹速该点瞬时加速度该点加速度的瞬时变化率将这12个值作为搜索的起点；

3.1.1】计算点处的运动激波锥面半角θ₀，

其中v_S为当地声速；

3.1.2】计算点处的速度矢量线与A₀、C₀连线的夹角φ₀，

速度矢量线的直线方程：

A₀C₀连线的直线方程：

上述两直线之间夹角φ₀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δ，如果|φ₀-(90°-θ₀)|＞δ，则调整和的取值，使得|φ₀-(90°-θ₀)|≤δ即可；

3.2】任意设定步长Δt，式中是飞行器到达的时刻；式中依次搜索和