СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА
METHOD OF MEASURING INITIAL SHELL VELOCITY

Предлагаемое изобретение относится к средствам радиолокационного наблюдения траекторий баллистических объектов и может быть использовано при измерении начальной скорости снаряда.
Известно, что при измерении начальной скорости снаряда широко применяются доплеровские радиолокаторы, осуществляющие наблюдение их на траектории, причем полученные данные для определения скорости относятся к участкам траектории, находящимся на некотором расстоянии от среза ствола.
Известен способ для измерения скорости - патент США «Метод измерения скорости доплеровским радиолокатором», в котором начальная скорость определяется по группе равноотстоящих временных участков в доплеровском эхо-сигнале, причем длительность временных участков выбирается автоматически по регистрации количества импульсов первого временного участка доплеровского сигнала [1]. В вычислении начальной скорости не учитываются задержка появления доплеровского сигнала после вылета снаряда из ствола и отличие текущей скорости снаряда от радиальной скорости, которое вызвано смещением положения радиолокатора относительно оси движения снаряда. Это ограничивает точность применяемого способа определения скорости высокоскоростных объектов на малой дальности.
Отличие радиальной скорости от начальной скорости объекта учитывается в другом известном устройстве - патент США «Хронограф скорости», который жестко прикреплен к стволу и временной участок в доплеровском эхо-сигнале привязан к известному участку траектории движения объекта, который определяется с помощью угловой разрешающей способности радиолокатора [2]. Обнаружение объекта на этом участке осуществляется амплитудным методом, что требует высокой стабильности энергетических характеристик радиолокатора и отражающей способности объекта.
Известны также устройство и способ для измерения начальной скорости снаряда - патент Российской Федерации «Способ измерения начальной скорости снаряда и устройство для его осуществления» [3]. Устройство содержит доплеровский радиолокатор, регистратор длительности временных участков доплеровского сигнала, умножитель, фотодатчик выхода снаряда из ствола, генератор временных импульсов, счетчик временных участков, буферное запоминающее устройство, сравнивающее устройство, измеритель суммарной длительности временных участков и сумматор.
Способ заключается в том, что по группе длительностей следующих друг за другом временных участков в доплеровском эхо-сигнале снаряда формируют последовательность текущих скоростей. В сформированной последовательности определяют достоверность каждого значения текущей скорости снаряда. Достоверность значений текущей скорости проверяют по обеспечению требуемой точности измерения, что не позволяет использовать этот способ на малых расстояниях, где возрастает методическая ошибка, обусловленная тем, что доплеровское смещение вызвано радиальной составляющей скорости движущегося снаряда.
0
Начальная скорость V и текущая скорость V связаны между собой следующим соотношением
0
где β - коэффициент регрессии скорости, а (x-x) - удаление снаряда от ствола. Тогда относительная погрешность измерения начальной скорости может быть выражена как
β
x
0
где σ - абсолютная погрешность определения коэффициента регрессии скорости, σ - абсолютная погрешность определения удаления снаряда от ствола, σV - абсолютная погрешность определения начальной скорости, σV - абсолютная погрешность текущей скорости.
При анализе двух последних слагаемых в выражении (2) выявлено, что их вклад в ошибку измерения начальной скорости снижается при уменьшении удаления снаряда, где измеряется текущая скорость.
мет
Относительная погрешность измерения текущей скорости σV/V зависит от многих факторов и в общем случае является суммой относительной ошибки определения длительности временного участка Т, относительной ошибки определения пройденного пути D и методической ошибки δV. Относительную погрешность измерения текущей скорости можно представить так:
D
T
где σ - ошибка пройденного пути, σ - ошибка измерения длительности временного участка.
мет
т
D
Анализ выражения (3) показывает, что для повышения точности измерения текущей скорости необходимо увеличивать длительность временного участка Т и протяженность пройденного пути D. Также следует снижать методическую ошибку δV, ошибку измерения длительности временного участка σ и величину ошибки пройденного пути σ. Эти ошибки снижаются при уменьшении удаления до движущегося снаряда.
Целью данного изобретения является повышение точности определения начальной скорости снаряда с помощью измерений текущей скорости на малых удалениях от ствола.
Эта цель достигается за счет того, что в способе измерения начальной скорости снаряда по положению траектории, зарегистрированной группе длительностей временных участков с общим началом в доплеровском эхо-сигнале, где каждый последующий меньше предыдущего, и по ряду групп предполагаемых путей с общим началом формируют ряд групп значений, обратных возможным величинам текущей скорости, определяют ту группу ряда, где разница между каждым предыдущим и последующим значениями, обратными возможным величинам текущей скорости снаряда, минимальна, и разница между первым и вторым значениями положительна, и по ним вычисляют начальную скорость по удаленности и протяженности соответствующих им путей этой группы.
Предлагается устройство измерения начальной скорости снаряда, содержащее доплеровский радиолокатор, генератор временных импульсов, сравнивающее устройство, сумматор, (N+1) регистраторов длительности временного участка, (N+2) умножителя, (N+1) вычитающих устройств, банк ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности, причем первый выход доплеровского радиолокатора подсоединен к первым входам (N+1) регистраторов длительности временного участка, ко вторым входам которых через генератор временных импульсов подключен второй выход доплеровского радиолокатора, выходы (N+1) регистраторов длительности временного участка подсоединены соответственно к первым входам первых (N+1) умножителей, первые входы первых N вычитающих устройств подсоединены соответственно к выходам первых N умножителей, каждый другой вход N вычитающих устройств подключен к выходу каждого следующего умножителя, выход (N+2)-го умножителя соединен с первым входом (N+1)-ого вычитающего устройства, выходы первых N вычитающих устройств подключены к N входам сумматора, а его выход соединен с первым входом сравнивающего устройства, один выход которого подсоединен к входу банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности, а его каждый из (N+1) выходов подключен соответственно ко второму входу из первых (N+1) умножителей, выход первого вычитающего устройства дополнительно соединен со вторым входом сравнивающего устройства, второй выход которого подключен к первому входу (N+2)-го умножителя, а его второй вход соединен с (N+2)-м выходом банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности, выход первого умножителя дополнительно соединен с другим входом (N+1)-го вычитающего устройства.
Новая совокупность признаков позволяет зафиксировать принадлежность группы длительностей временных участков при движении снаряда непосредственно после вылета к определенным интервалам пути и их удаленности от ствола, что повышает точность измерения начальной скорости снаряда.
Кроме этого, предложенная совокупность признаков не требует высокой стабильности энергетических характеристик радиолокатора и отражающей способности объекта, а также делает необязательным применение датчиков, которые определяют момент вылета снаряда из ствола, что расширяет возможности использования предлагаемого способа там, где установка этих датчиков невозможна или не была предусмотрена.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для измерения начальной скорости снаряда,
где 1 - доплеровский радиолокатор;
2 - генератор временных импульсов;
3 - регистратор длительности первого временного участка;
4 - регистратор длительности второго временного участка;
5 - регистратор длительности третьего временного участка;
6 - регистратор длительности (N+1)-го временного участка;
7 - первый умножитель;
8 - второй умножитель;
9 - третий умножитель;
10- (N+1)-й умножитель;
11 - (N+2)-й умножитель;
12 - первое вычитающее устройство;
13 - второе вычитающее устройство;
14 - N-e вычитающее устройство;
15 - (N+1)-e вычитающее устройство;
16 - сумматор;
17 - сравнивающее устройство;
18 - банк ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности.
На фиг.2 приведена схема взаимного расположения доплеровского радиолокатора, ствола и снаряда на траектории.
На фиг.3 показан график зависимостей значений, обратных величинам возможных текущих скоростей, от дальности.
На фиг.4 показана зависимость обратной величины текущей скорости от удаленности от ствола.
Сущность измерения начальной скорости снаряда по предлагаемому способу заключается в следующем.
i
i
i
i
i
i,m
На одной из возможных дальностей  (при m=М) производится начало регистрации группы длительностей временных участков t=Т+α, где i=1, 2, …, N+1, T - детерминированная длительность временного участка, α - случайная составляющая. Окончание регистрации временных участков фиксируется моментом, при котором происходит изменение радиального расстояния на величину . Предполагаемые пути D, которые проходит снаряд в соответствии с обозначениями на фиг.2, выражаются как
m=L, L+1, …, L+J.
Значения обратной величины возможной текущей скорости на этих предполагаемых путях определяются соответственно
м
м
i,м
Из соотношения (1) детерминированные длительности группы временных участков, за которое снаряд проходит расстояние от х до х+D равны
i,M
С учетом малости βD<<1 имеем следующую группу равенств:
или
i
где ε - малая положительная величина, зависящая от коэффициента регрессии скорости β.
м
В случае отсутствия шума, графики зависимостей значений, обратных величинам возможных текущих скоростей, для группы из двух временных участков от дальности предполагаемых путей приведены на фиг.3. Видно, что зависимости пересекаются только в одной области дальности R, причем значения возможных текущих скоростей в соответствии с (7) равны текущей скорости снаряда V.
Для получения значения текущей скорости при большом значении отношения сигнал-шум достаточно иметь всего два члена в группе. Однако в присутствии шумов из-за флюктуации отраженного сигнала и многолучевого распространения электромагнитной энергии из m рядов N+1 групп возможных значений текущих скоростей имеется одна группа, в которой отличия минимальны, и возможное значение текущей скорости, которое соответствует максимальной длительности временного участка, наиболее близко к значению текущей скорости снаряда.
0
1,м
2,м
м
0
Значение начальной скорости V определяется из (7) с учетом расстояния между центрами первого D и второго Dпутей и их удаленности (x-x) от ствола. Из рассмотрения фиг.4 коэффициент регрессии скорости β определяется как
м
1,м
0
С учетом (8) и β(x+D-x)<<1 из (1) значение обратной величины начальной скорости вычисляется как
Таким образом, за счет применения предлагаемой оценки текущих скоростей снаряда и определения дальности до соответствующих им путей обеспечивается измерение начальной скорости снаряда при небольших удалениях от ствола и соответственно повышается точность измерения начальной скорости снаряда.
Заявляется устройство, реализующее предлагаемый способ для измерения начальной скорости снаряда.
Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.
i
На некотором удалении от ствола после вылета снаряда из ствола орудия амплитуда доплеровского сигнала увеличивается до порогового уровня, при котором срабатывает обнаружитель доплеровского радиолокатора 1 и через второй выход запускает генератор временных импульсов 2. С выхода генератора временных импульсов 2 они начинают поступать на вторые входы N+1 регистраторов длительности временных участков 3, 4, 5, 6, на первые входы которых приходят доплеровские импульсы с первого выхода доплеровского радиолокатора 1. Регистраторы длительности временных участков 3, 4, 5, 6 считают количество временных импульсов с генератора временных импульсов 2 за фиксированное количество К, доплеровских импульсов, причем каждое следующее меньше предыдущего. Данные, определяемые выражением (4) для m=L+J, из банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути 18 поступают с его N+1 выходов на вторые входы соответствующих (N+1) умножителей 7, 8, 9, 10. По данным с выходов регистраторов длительностей временных участков 3, 4, 5, 6 соответственно, с помощью умножителей 7, 8, 9, 10 по зависимости (5) вычисляется группа из N+1 значений, обратных величинам возможной текущей скорости. Полученные данные с первых N умножителей 7, 8, 9 поступают на первые входы N вычитающих устройств 12, 13, 14, на другие входы которых поступают значения, обратные величинам возможной текущей скорости, соответственно с каждого следующего умножителя 8, 9, 10. С выходов N вычитающих устройств 12, 13, 14 полученные данные поступают на N входов сумматора 16, и результат суммирования поступает на первый вход сравнивающего устройства 17, на второй вход которого приходят данные с первого вычитающего устройства 12. Затем данные, определяемые выражением (4) для m=L+J-1 из банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности 18, поступают с его N+1 выходов на вторые входы соответствующих N+1 умножителей 7, 8, 9, 10, и сравнивающее устройство 17 повторяет процесс формирования группы значений, обратных величинам возможных текущих скоростей, до тех пор, пока знак результата с сумматора 16 не изменится, при этом m=М, а на выходе первого умножителя 7 данные будут близки к величине обратной текущей скорости снаряда V. При этом разность значений обратных величин возможных текущих скоростей с первого вычитающего устройства 12, поступающая через второй вход сравнивающего устройства 17 на первый вход умножителя 11, должна быть положительной. На другой вход умножителя 17 поступает с (N+2)-го выхода банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности 18 величина первого сомножителя выражения (9). Таким образом, с выхода (N+1)-го вычитающего устройства 15 по приходящим результатам на его входы с первого умножителя 7 и умножителя 11 имеем значение, обратное величине начальной скорости снаряда.
В предлагаемой структуре устройства может быть использована и другая процедура поиска минимального отличия значений в группе рядов, обратных величинам возможной текущей скорости снаряда.
Техническая реализация предлагаемого устройства возможна с применением дискретных цифровых элементов и средств вычислительной техники.
По предлагаемому способу и устройству был изготовлен макетный образец измерителя начальной скорости снаряда. Моделирование, а также натурные испытания макета подтвердили возможность способа измерять начальную скорость снарядов при сопровождении снаряда под углами к траектории, когда отличие радиальной скорости от текущей скорости снаряда значительно превышает требуемую точность измерения, что позволяет измерять начальную скорость каждого снаряда в очереди от орудий с большой скорострельностью.
Источники информации
1. Патент США №3918061, НКИ 343/8 от 04.11.75 г.
2. Патент США №4030097, НКИ 343/8 от 14.06.77 г.
3. Патент Российской Федерации №2250476, МКИ G01S 13/58 от 30.09.2002 г. - прототип.