一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法技术

本发明专利技术涉及一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法，在火炮外弹道理论基础上，建立炮口三维坐标系，根据雷达位置坐标和射角信息，创建了一个雷达视在速度矢量到炮口坐标系速度矢量之间的修正三角形，根据火炮外弹道初速辨识原理，采用平滑滤波、最小二乘二阶多项式拟合法以及速度积分法，建立雷达坐标系中的速度以及距离随时间函数关系，在修正三角形中，实现炮弹实际速度方向和雷达测量视线之间时变夹角的准确解算，最终采用投影法将雷达测量速度准确修正到炮口坐标系中。量速度准确修正到炮口坐标系中。量速度准确修正到炮口坐标系中。

【技术实现步骤摘要】
一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法


[0001]本专利技术属于雷达与火炮外弹道测量
，具体地说是一种雷达视在速度的修正方法，用于当雷达测速视线和炮弹的外弹道飞行速度方向不共线时，将雷达测量速度修正到火炮坐标系。

技术介绍

[0002]根据火炮外弹道理论和实践经验，火炮的外弹道初速是对落点散布影响最大的关键性指标之一，对弹丸落点估计、射击修正以及炮弹的气动参数设计等应用具有非常重要的意义。
[0003]火炮外弹道理论中，炮弹在空间位置和速度随时间的变化都是在炮口空间直角坐标系里进行描述。时间以炮弹出炮口时刻为时间零点进行计时，速度大小为炮弹相对炮口原点的速度，速度方向为外弹道切线方向。炮口空间直角坐标系定义水平面向炮口的方向为坐标系X轴方向，铅垂向上方向为Y轴方向，Z轴通过右手螺旋法则确定，即右手四指从X轴的正向以90
°
指向转向Y轴的正向，这时大拇指所指的方向就是Z轴的正向，XOY平面称为射面，火炮身管在XOY平面内，身管和水平面俯仰夹角θ0称为射角。参见图1。
[0004]火炮的外弹道初速并不是炮弹实际出炮口时的瞬时速度，而是根据初始段(约3000倍弹径)弹道速度测量值进行参数辨识得到的一个理论化的外弹道等效速度值。初速辨识模型中，明确初始段弹道轨迹可认为是一条直线，速度方向沿射角方向不变，大小以二次函数规律变化。初速辨识需要测量的信息包括两个主要部分，一是要准确获得炮弹出炮口时刻，得到发射时间零点；二是要以发射时间零点为起点，准确测量初始段弹道上炮弹的速度值。这两个信息都必须在炮口空间坐标系中进行描述，结合这两个信息进行初速辨识，获得火炮发射时间零点时刻的理论初速值V0。火炮发射时间零点可以通过声、光等传感器准确获得，因此初始段弹道速度测量的准确性就成为准确辨识初速的核心要素。
[0005]多普勒测速雷达具有非接触、测量准确，实时性好的特点，是外弹道测速的主要手段。根据雷达原理，雷达测量的速度方向是天线阵面与目标的连线方向，这个方向也可称为雷达视线方向，速度大小是目标实际速度在雷达测速视线上的投影分量，雷达测量的目标速度称为雷达的视在速度，也称为雷达的径向速度。
[0006]在实际火炮外弹道初速测量时，受火炮平台和测量场景限制，雷达无法放置在炮口上，这时雷达的视在速度就不是实际炮口坐标系中炮弹相对于炮口的速度，必须进行视线修正才能获得真实的、高精度的外弹道速度数据。参见图2。
[0007]由图2可以看出，从炮弹出炮口起始到测量结束整个过程中，雷达测速视线随着炮弹的位置不断变化，也就是说不同时间或者不同位置的炮弹实际速度方向到雷达测量视线的夹角φ是不同的，即炮弹实际速度矢量和雷达测量视速度矢量之间的投影夹角是时变的，同时，由于不同的火炮、不同发射条件以及不同炮弹的外弹道速度大小差别也很大，因此难以用一个固定的模型进行速度修正。

技术实现思路

[0008]要解决的技术问题
[0009]为了解决多普勒测速雷达的测速视线和火炮弹道不共线时，如何将雷达视在速度准确修正到真实炮口坐标系中的问题。本专利技术提供一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法。
[0010]技术方案
[0011]一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法，其特征在于步骤如下：
[0012]步骤1：建立炮口坐标系与雷达位置坐标计算
[0013]根据外弹道理论建立炮口三维直角坐标系(X,Y,Z)，所述炮口三维直角坐标系定义水平面向炮口的方向为坐标系X轴方向，铅垂向上方向为Y轴方向，Z轴通过右手螺旋法则确定，坐标原点O为炮口；
[0014]确定雷达在坐标系中的坐标A(x0,y0,z0)；其中，雷达距离炮口前后方向的距离用坐标x0表示，雷达在垂直向上方向与炮口高度差用坐标y0表示，雷达与XOY平面的垂直左右距离用坐标z0表示，则雷达到炮口的距离为AO：
[0015][0016]其中，ADEF为平行XOZ平面的长方形，其中OE为Y轴的延长线，AD和EF均与X轴平行，ED与Z轴平行；
[0017]步骤2：计算雷达与火炮身管轴线的垂直距离AB
[0018]已知火炮的射角为θ0，OG为火炮身管延长到雷达高度平面的长度，OG和水平面夹角即为射角θ0，即：x0＝AD，y0＝OE，z0＝AF，则
[0019][0020]因此可得雷达到火炮身管轴线的垂直距离：
[0021][0022]步骤3：计算雷达和弹丸之间的实时距离AP(t)
[0023]炮弹发射后从炮口原点O沿OP方向运动，O点为雷达测量起始点，P代表炮弹飞行轨迹，是一个动点，沿初始段弹道运动直到测量结束，雷达测速视线AP的方向和初始段炮弹速度方向的夹角为φ(t)也随测量时间不断变化；AP可分为两个部分，一部分以雷达为圆心，以雷达和炮口距离为半径在AP上截取AC＝AO，AO是一个固定值，CP随测量时间不断增加，是测量速度的函数，CP(t)这一段采用雷达测量视在速度积分计算；
[0024]a)对雷达数据进行平滑滤波和最小二乘二阶多项式拟合，得到雷达坐标系下炮弹视在速度的二阶多项V
R
(t)＝at2+bt+c式；时间t从炮弹出炮口为起始0时刻，测量结束时间为终止时刻，代入不同的时间t可得到对应时间雷达测量的视在速度；a、b、c为拟合系数；
[0025]b)对AP(t)＝∫V
R
(t)dt＝∫(at2+bt+c)dt＝A
′
t3+B
′
t2+C
′
t+D
′
，A
′
、B
′
、C
′
、D
′
为拟合系数；其中时间t和a)中相同，积分结果中常数项
在计算时，t从炮弹出炮口为起始0时刻，测量结束时间为终止时刻，代入不同的时间t可得到对应时间雷达和炮弹之间的距离；
[0026]步骤3：雷达测速数据视线修正计算
[0027]雷达测速视线AP和初始段炮弹速度方向的夹角φ(t)为：
[0028][0029]根据投影法可得雷达视在速度修正到炮口坐标系中的速度为：
[0030][0031]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0032]一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0033]有益效果
[0034]本专利技术提供的一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法，解决了火炮外弹道初速测量雷达测量视在速度修正到真实炮口坐标系中的问题。本专利技术在火炮外弹道理论基础上，建立炮口三维坐标系，根据雷达位置坐标和射角信息，创建了一个雷达视在速度矢量到炮口坐标系速度矢量之间的修正三角形，根据火炮外弹道初速辨识原理，采用平滑滤波、最小二乘二阶多项式拟合法以及速度积分法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火炮外弹道初速测量雷达视线修正方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立炮口坐标系与雷达位置坐标计算根据外弹道理论建立炮口三维直角坐标系(X,Y,Z)，所述炮口三维直角坐标系定义水平面向炮口的方向为坐标系X轴方向，铅垂向上方向为Y轴方向，Z轴通过右手螺旋法则确定，坐标原点O为炮口；确定雷达在坐标系中的坐标A(x0,y0,z0)；其中，雷达距离炮口前后方向的距离用坐标x0表示，雷达在垂直向上方向与炮口高度差用坐标y0表示，雷达与XOY平面的垂直左右距离用坐标z0表示，则雷达到炮口的距离为AO：其中，ADEF为平行XOZ平面的长方形，其中OE为Y轴的延长线，AD和EF均与X轴平行，ED与Z轴平行；步骤2：计算雷达与火炮身管轴线的垂直距离AB已知火炮的射角为θ0，OG为火炮身管延长到雷达高度平面的长度，OG和水平面夹角即为射角θ0，即：x0＝AD，y0＝OE，z0＝AF，则＝AF，则因此可得雷达到火炮身管轴线的垂直距离：步骤3：计算雷达和弹丸之间的实时距离AP(t)炮弹发射后从炮口原点O沿OP方向运动，O点为雷达测量起始点，P代表炮弹飞行轨迹，是一个动点，沿初始段弹道运动直到测量结束，雷达测速视线AP的方向和初始段炮弹速度方向的夹角为φ(t)也随测量时间不断变化；AP可分为两个部分，一部分以雷达为圆心，以雷达和炮口距离为半径在AP上截取AC＝AO，AO是一个固定值，CP随测量时间不断增加，是测量速度的函数，CP(t)这一段采用雷达测量视在速度积分计算；a)对雷达数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄根全，杨雪林，张强，高青松，王栋，周永伟，谢敏，张楠，
申请(专利权)人：西安电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：