СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ СТРЕЛКА ПО ЗВУКУ ВЫСТРЕЛА ПРИ ДВИЖЕНИИ ОБЪЕКТА ОБСТРЕЛА
METHOD OF LOCATING SHOOTER BY SOUND OF SHOT DURING MOVEMENT OF SHELLING OBJECT

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к определению местоположения стрелка на местности при движении объекта обстрела с использованием звука от выстрела.
Из существующего уровня техники известен способ определения направления на источник звука, который включает два датчика звука и по разности времени прихода звуковой волны определяется пеленг на источник звука - [1]. Кроме того, известны способы определения дальности, например, патенты №№2406964, 2494336, известны также устройства и способы, определяющие координаты с использованием датчиков звука [2, 3, 4, 5].
Наиболее близким к заявленному техническому решению является: «Способ определения местоположения стрелка по звуку выстрела» - [2]. Патент №2610908 Российская Федерация. Антропов В.А., Антропов А.В., Успаленко В.Б., 2017 год.
Недостатком данного технического решения является:
- невозможность решения задачи при движении объекта.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются:
- определение координат стрелка при движении объекта обстрела в реальных условиях передвижения войск и техники;
- обеспечение точности определения координат с минимальными затратами машинного времени;
- минимизация времени вычислительного процесса;
- однозначное и гарантированное определение трех пространственных координат, служащих основанием для использования устройств подавления средств обстрела.
i
i
Данные задачи решаются за счет того, что заявленный способ определения координат объекта, включает размещение четырех датчиков, регистрирующих возмущение воздушной среды, в измерительных точках с известными координатами, регистрацию датчиками звукового сигнала от выстрела, определение моментов времени t, соответствующих достижению сигналом каждого из датчиков, и интервалов времени Δt, соответствующих задержке распространения сигнала к периферийным датчикам относительно одного из датчиков, выбранного за базовый, определение координат стрелка на основании полученных данных и координат датчиков. Датчики размещают следующим образом: три датчика располагаются вдоль прямой, перпендикулярной возможному направлению на стрелка в горизонтальной плоскости и на известных расстояниях друг от друга, при этом первый из этих датчиков принимают за базовый, второй и третий (иногда будем называть периферийными), а четвертый датчик располагается на вертикали базового также на известном расстоянии. Анализ распространения звука позволяет составить три уравнения, решение которых позволяет определить неизвестные параметры, это: расстояния d между базовым датчиком и стрелком, угла χ между направлением на стрелка и прямой расположения периферийных датчиков, угла γ между направлением на стрелка и вертикалью базового датчика. Эти параметры находятся решением уравнений с учетом ограничений 180>χ>0. За счет движения объекта начальные расстояния между датчиками изменятся в соответствии с измеренными временными разностями прихода звуковой волны к периферийным датчикам относительно базового датчика и скоростью движения объекта. Что касается четвертого датчика, находящегося на вертикали базового датчика, то он фиксирует сигнал звука, который в совокупности с сигналом базового датчика дает разность сигналов, однако это измерение, как показывает анализ, несет ошибку, связанную с движением объекта и нуждается в корректировке.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность определения местоположения стрелка при движении объекта, повышение точности измерения пространственных координат при минимальном времени расчета.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг. 1 представлена картина распространения звука в некоторой, в общем случае, наклонной плоскости; этот рисунок позволяет понять принцип формирования уравнений при расчете неизвестных параметров местоположения стрелка.
- на фиг. 2 представлена схема, позволяющая определить текущие координаты периферийных датчиков из-за движения объекта, а также определить истинное значения времени рассогласования в приходе звуковой волны к датчикам D и А.
Работает устройство по данному способу следующим образом.
1
1
Пусть имеем скорость распространения звука в воздухе равной ν, а скорость движения объекта обстрела известна, примем ее равной u. Скорость звука в воздухе легко рассчитывается по формулам физики и в основном зависит от температуры воздуха. Пусть необходимо определить направление на точку О - угол χ и расстояние OA=d. Согласно фиг. 1, с приходом звука в точку А, звук одновременно приходит и в точки В' и С'. Расстояния ВВ' и СС' зависят от скорости звука и разностей времени прихода звука в точку A, и в точки В и С (в точках В' и С' находился звук в момент его прихода к датчику А). Из рисунка видно, что за время преодоления звуком расстояния ВВ' датчик звука переместится из точки B в точку В. Соответственно за время преодоления звуком расстояния СС' датчик звука переместится из точки C в точку С.
Местоположение датчиков А, В и С являются определяющими при нахождении координат местоположения стрелка и именно в моменты прихода к ним звуковой волны. Это положение не изменяется придвижении объекта, как и в статической постановке [2].
1
1
1
1
1
1
1
Звук распространяется из точки О, координаты которой определяются в данной задаче, и достигает в разное время датчиков. Согласно фиг. 2, звук при данном расположении датчиков и местоположении точки выстрела достигает сначала датчика D, затем датчика A, затем датчиков В и С. В момент достижения звуком датчика А датчики В и С находились в точках В и С соответственно. Звуковая волна достигает этих датчиков в точках В и С, координаты которых учитывают факт перемещения датчиков из-за движения объекта. Координаты точек В и С участвуют в составлении уравнений для решения навигационной задачи. Расстояния АВ и ВС были первоначальным и известным расположением датчиков В и С на прямой АС. С учетом движения объекта эти датчики переместились в точки В и С. При этом расстояния ВВ и СС равны:
1
1
1
2
ВВ=u⋅Δt, СС=u⋅Δt,
1
B
A
где Δt=t-t - разница прихода звуковой волны к датчикам А и В;
2
C
A
Δt=t-t - разница времени прихода звуковой волны к датчикам А и С;
u - скорость движения объекта обстрела.
В данном случае датчик А был принят за базовый и относительно его определяются промежутки времени достижения звука датчиков. Рассмотрим принцип определения координат стрелка.
Для этого рассмотрим два косоугольных треугольника ОАВ и ОАС - фиг. 1. В этих треугольниках OA и ОВ' равны между собой: ОА=ОВ', и аналогично ОА=ОС', как радиусы одной окружности. Воспользуемся теоремой косинусов:
а
2
2
2
=b+с-2bc⋅cosA,
а
где треугольник ABC является косоугольным, а сторона  расположена против угла А (угол А это угол ОАВ, угол между направлением на точку выстрела и прямой расположения датчиков звука). Примем значение угла А равным χ.
Для нашего случая (фиг. 1) имеем:
а
а
а
а
1
2
Эта система двух уравнений содержит два неизвестных параметра: угол χ и расстояние OA=d, все остальные параметры известны, в том числе расстояние от датчика А до датчика В равно , с учетом движения объекта обстрела расстояние  увеличится за счет движения объекта, расстояние от датчика С до датчика А исходное равно a+b, но оно аналогично увеличится, при этом приращения расстояний  и +b не равны между собой, а они пропорциональны промежуткам времени Δtи Δt.
1
2
В свою очередь сторона OB=d+ν⋅Δt и ОС=d+ν⋅Δt;
1
B
A
2
C
A
где Δt=t-t, Δt=t-t
Запишем:
а
1
2
Здесь обозначено АВ=+u⋅Δt, ВС=b+u⋅Δt.…
Раскроем скобки и упростим выражение, получим:
Если обозначить:
а
1
1
=2⋅ν⋅Δt,
а
2
2
=2⋅ν⋅Δt,
1
1
a
b=2⋅+u⋅Δt,
2
2
a
b=2⋅(+b+u⋅Δt),
1
1
1
а
2
2
с=(+u⋅Δt)-(ν⋅Δt),
2
2
2
a
2
2
c=(+b+u⋅Δt)-(ν+Δt),
то имеем:
Это система двух уравнений с постоянными коэффициентами и двумя неизвестными. Обозначим
1
2
d=x, d⋅cosχ=x;
тогда:
Расчет этой системы уравнений позволяет определить две переменных - угол χ и расстояние d.
Для расчета третьего параметра, угла возвышения γ, обозначим расстояние OD равное l, тогда согласно фиг. 2 имеем:
3
l=d-ν⋅Δt,
3
D
A
где Δt=t-t - рассогласование времени прихода звуковой волны к датчикам D и A в точках D и A.
Из треугольника OAD найдем третье уравнение системы:
2
2
2
l=h+d-2⋅h⋅d⋅cosγ,
откуда:
или
здесь h=AD.
Параметр γ может быть определен из вышеприведенных выкладок, а может быть определен и из системы трех уравнений.
Таким образом, по данному способу определения местоположения стрелка при движении объекта обстрела составляются три уравнения, из которых определяются неизвестные параметры γ, d, χ. Все три уравнения представлены в тексте выше.
3
Динамика данной задачи приводит к необходимости отдельного определения Δt, которое в статической постановке определяется однозначно, как разность прихода звуковой волны к датчикам D и A.
1
1
Вернемся к фиг. 2. Согласно рисунку, звук от выстрела сначала приходит к датчику звука в точку D, затем звук приходит к базовому датчику в точку А. Однако, за счет того, что объект движется, а датчики А и D находятся на одной вертикали, то временное расстояние между этими точками оказываются зависящими как от расстояния AD, так и от времени движения объекта от прихода звуковой волны к датчику D (в точке D) до прихода звуковой волны к датчику А. Согласно фиг. 2 расстояние OD может быть записано в виде
3
OD=d-Δt⋅ν.
Время, за которое датчик D преодолел расстояние
1
3
DD=u⋅δt,
3
D
A
1
где δt=t-t - время рассогласования между приходом звука к датчику D (в точке D) и к датчику А (в точке А).
1
1
1
1
3
В момент, когда датчик D получил звуковой сигнал (точка D), звук находился, также, в точке L. Далее датчик D движется в сторону точки D со скоростью u, а звук движется из точки К к точке К со скоростью звука ν. За время δt звуковая волна оказалась в точке К, пройдя через точку D, значит, разность прихода волны в точки А и D численно равна времени прохождения этой волной расстояния DK, то есть
3
Δt=DK/ν.
Именно DK является характеристикой временного рассогласования между временем прихода звука к датчику D и датчику А.
3
3
Здесь умышленно введены обозначения δt (измеренное) не равное Δt (вычисленное) значение.
1
1
1
1
1
1
Для определения расстояния DK заметим, что OA=OK, OD=OL и OD=OK (как радиусы окружностей), отсюда следует вывод, что DK=AL. Примем, что угол DKD=90 градусов, а угол DDK=χ ввиду того, что расстояние OD много больше величины AD (это единственное в данной работе приближение).
1
1
Тогда из треугольника DKD найдем
1
3
KD=δt⋅(u⋅cos(180-χ)).
3
1
1
За время δt точка D переместилась в точку D, а звук переместился из точки К в точку К. Учтя это, длина отрезка
3
DK=δt⋅(ν-u⋅cos(180-χ)).
Или
3
3
Δt=δt⋅(ν-u⋅cos(180-χ))/ν.
3
3
Из приведенных соотношений видно, что величина δt не равна Δt. Это видно также из выражений
3
3
DK=δt⋅(ν-u⋅cos(180-χ)) и Δt=DK/ν.
3
3
3
Чем выше скорость объекта u, тем больше вклад скорости объекта обстрела в значение δt. Расчеты показывают, что пройденный путь объектом за время δt составляет единицы сантиметров, а то и миллиметры, но далее они сказываются на величине Δt, а та, в свою очередь, на значение γ, что нежелательно, так как этот параметр является решающим при нахождении азимута при инструментальной реализации способа.
3
Влияние движения объекта приводит к ошибкам в измерении Δt из-за того, что скорость объекта в одном случае увеличивает путь, проходимый звуковой волной (при углах χ более 90 градусов), а в другом случае (при углах χ менее 90 градусов) уменьшает этот путь за счет проекции скорости объекта на направление распространения звука.
3
Таким образом, расчет Δt по формуле
3
3
Δt=δt⋅(ν-u⋅cos(180-χ))/ν
3
позволяет более точно определить этот параметр, а не опираться на измеренное значение δt.
3
3
3
3
3
3
3
Расчеты показали, что чем выше скорость объекта u, тем больше вклад скорости объекта обстрела в значение δt. При скоростях объекта в пределах от 36 до 72 км/час (10…20 м/с) величина Δt всегда отличается от δt, т.е. влиянием неравенства δt и Δt нельзя пренебречь; нужно измерять δt, а затем с использованием формулы вводить поправку и вычислять Δt,
а
а
а
1
2
Что касается влияния скорости объекта на местоположение датчиков, то это влияние достаточно велико. Например, изменение положения датчиков относительно базового датчика при углах χ близких к 0 и 180 градусам при начальном разнесении датчиков от базового датчика =5 метров, b=5 метров и скоростях движения объекта 20 м/с и звука - 330 м/с, Δt=0,016129 сек., Δt=0,0343392 сек. коррекция  составляет 0,32258 метра, +b - соответственно 0,64516 метра, что, конечно, значимо для целей навигации.
Авторами были проведены численные расчеты, подтверждающие предложенный в работе способ. Эти результаты не вошли в данный материал, так как оказались слишком объемными и заслоняющими материалы данной заявки. При необходимости они могут быть представлены в адрес ФИПС.
Литература
1. Патент РФ №2377594. Способ определения координат объекта. Гришин Алексей Валерьевич (RU), Кортюков Иван Иванович (RU), Ниточкин Евгений Николаевич (RU), Хорошко Алексей Николаевич (RU), Штарев Сергей Леонидович (RU) Российская Федерация, - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU). Начало действия патента 23.06.2008 год.
2. Патент №2 610908 Российской Федерации. Способ определения местоположения стрелка по звуку выстрела. Антропов В.А., Антропов А.В., Успаленко В.Б., 2017 год.
3. Патент №2323449. Способ определения пеленга источника звука. Шмелев В.В. и др. - 2006 г.
4. Патент №2494336. Способ оценки дальности идо точки выстрела. - 2010 г.
5. Патент №2406964. Устройство для определения координат места выстрела из огнестрельного оружия. - 2010 г.ц
6. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1960.