СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ПОЛОЖЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВО ВРЕМЕНИ ПУЛЬ И СНАРЯДОВ
METHOD OF DEFINING BULLET AND SHELL POSITION COORDINATES IN SPACE AND TIME

Изобретение относится к мишенным средствам для определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов в различных средах с возможностью восстановления их траектории при стрельбе в тире или на полигоне.
Известен способ определения координат точки попадания пуль, реализованный в электронно-акустической мишени (Захаров В.А. "Электронно-акустическая мишень", М.: Радио, 1979, №5, с.13-15), содержащей толстую пуленепробиваемую металлическую пластину с расположенными на ее торцах акустическими датчиками, с помощью которых фиксируют моменты времени прихода звуковой волны от места удара пули по плите до мест расположения пьезокерамических акустических датчиков.
Недостатками способа, использующего в работе указанную электронно-акустическую мишень, является то, что данный способ не позволяет проводить регистрацию пространственно-временного положения движущегося снаряда или пули в среде, отличной от воздушной; не позволяет получать траекторию снаряда или пули; имеет свойство изменять точность измерений, так как при многочисленных выстрелах изменяются свойства пластины; для измерений используются достаточно дорогие пьезокерамические датчики; малые размеры поля регистрации и громоздкость мишени.
Известен "Способ определения внешнебаллистических характеристик полета пуль и снарядов", патент RU 2231738, МПК F41J 5/06, G01S 5/18, опубликован 27.06.2004, выбранный в качестве прототипа, включающий фиксацию моментов времени прохождения фронта звуковой волны через акустические датчики, установленные на мишени в количестве не менее шести, и вычисление характеристик по регрессионной или математической модели с помощью вычислителя. Число датчиков выбирают по минимальному числу неизвестных, которыми являются начало отсчета времени, соответствующее моменту пролета пули или снаряда через плоскость мишени, скорость пули или снаряда, углы наклона их траектории и величина и направление силы ветра, при этом для определения положения датчиков осуществляют идентификацию модели, для чего предварительно на мишень устанавливают контрольную рамку и производят серию выстрелов в заданные точки, причем после каждого выстрела измеряют время срабатывания датчиков и координаты пробоин в контрольной рамке, а затем по методу наименьших квадратов определяют координаты датчиков.
Основным недостатком способа, который не позволяет получить необходимый результат, является низкая точность из-за влияния параметров атмосферы, таких как влажность, температура, плотность и т.д., которые влияют на скорость звука в атмосфере (в среде размещения мишени); движение воздуха (ветер) не обязательно равномерно и однонаправлено, особенно у поверхности земли и у препятствий. Для снарядов с притупленной головной частью при движении со скоростью, большей скорости звука в среде, наблюдается отход головной ударной волны от снаряда, т.е. положение снаряда относительно фронта ударной волны имеет смещение; реальный профиль головной ударной волны не конический, т.е. конус Маха можно рассматривать лишь как упрощенную модель распространения возмущений в окружающей среде от источника малых возмущений; при движении снаряда на дозвуковой скорости способ не работает, так как звуковое возмущение уходит вперед от снаряда.
Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в разработке способа, обеспечивающего контактную регистрацию пространственно-временного положения пуль и снарядов, движущихся практически в любой преграде.
Технический результат - получение данных о пространственно-временном положении (траектории) пули или снаряда при движении в любой среде, упрощение способа и повышение точности определения координат.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, включающем регистрацию моментов времени прохождения фронта звуковой волны через акустические датчики, установленные по крайней мере на одной мишени в количестве, выбранном по числу неизвестных в регрессионной или математической модели мишени, одним из которых является начало отсчета времени, соответствующее моменту пролета пули или снаряда через плоскость мишени, вычисление характеристик движения по регрессионной или математической модели мишени с помощью вычислителя, в отличие от прототипа каждую мишень выполняют в виде пулепробиваемой пластины из материала, расчетная скорость звука в котором в условиях местоположения мишени больше расчетной скорости звука в среде размещения мишени, при этом в заданное число неизвестных в регрессионной или математической модели мишени включают фактическую скорость звука в материале мишени.
Выполнение каждой мишени в виде пулепробиваемой пластины из материала, расчетная скорость звука в котором в условиях местоположения мишени больше расчетной скорости звука в среде размещения мишени, позволяет минимизировать влияние среды размещения на передачу информации (в нашем случае, передача информации осуществляется за счет распространения звуковых колебаний в пластине от удара о нее снарядом). Снижение количества неизвестных в регрессионной или математической модели (в отличие от прототипа не надо учитывать скорость полета пули или снаряда, углы наклона их траектории и величины и направления силы ветра), возможность непосредственного определения координат по пробоине в пластине от пули или снаряда, возможность размещения пластины в любой среде - все это приводит к повышению точности и надежности измерений.
Включение в заданное число неизвестных в регрессионной или математической модели мишени фактической скорости звука в материале мишени также повышает точность определения координат практически в любой среде размещения мишени.
Изобретение поясняется фигурами. На фигуре 1 схематично изображен пример устройства, реализующего заявленный способ. На фигуре 2 показана схема размещения датчиков на мишени.
зм
зср
Устройство для реализации способа состоит из пулепробиваемой мишени в виде квадратной алюминиевой пластины 1, акустических (тензометрических) датчиков 2 (Д1, Д2, Д3 и Д4), количество которых выбрано по числу неизвестных в математической модели мишени, вычислителя (компьютера, на фигуре не показан). Датчики 2 расположены на поверхности мишени 1 в ее углах на одинаковом расстоянии от краев мишени. В данном случае мишень 1 располагают в среде типа песчаный грунт, при этом соблюдают условие, что скорость звука в мишени 1 (расчетная скорость звука в алюминии с≈5000÷6000 м/с) в условиях месторасположения мишени (т.е. с учетом температуры окружающей среды, давления и т.п.) больше скорости звука в среде размещения мишени (расчетная скорость звука в песке с≈300 м/с). Таким образом, звуковое возмущение от удара снаряда о мишень будет распространяться по мишени с большей скоростью, чем в среде ее размещения, это позволяет не учитывать параметры среды размещения, которые могут приводить к изменению скорости звука в среде размещения (разноплотность, массовая скорость, локальные температурные перепады и т.д.), то есть минимизируется влияние среды размещения на передачу информации, что в свою очередь приводит к повышению точности определения координат.
Материал мишени 1 выбирают инертным к среде размещения, имеющим небольшую прочность (должен быть пробиваемым и обеспечивающим несущую способность конструкции мишени); плотность материала мишени (в общем случае должна быть как можно более близкой к плотности среды размещения) примерно в 2 раза больше плотности среды размещения. Скорость звука в материале мишени 1 практически не изменяется при ее размещении в песчаном грунте на глубине нескольких метров. Толщину мишени 1 выбирают минимальной, исходя из размеров мишени, которая зависит от отклонений траектории снаряда 3, а также из условия обеспечения несущей способности конструкции мишени (в данном примере выполнения толщина мишени примерно 1 мм при длине стороны мишени 1 м).
зм
1
2
3
4
Заявляемый способ осуществляют следующим образом (см. фигуры 1, 2). Расстояние S между двумя соседними по периметру мишени датчиками 2 определяют заранее (в данном случае расстояния между датчиками равны). Мишень 1 устанавливают в среде размещения, в данном примере в песке. Снаряд 3 пробивает поверхность алюминиевой пластины 1. От точки удара по алюминиевой пластине распространяется акустическая волна со скоростью звука с. Датчиками 2 (Д1, Д2, Д3 и Д4) фиксируют моменты прихода акустической волны (t, t, t, t), то есть количество датчиков меньше, чем в прототипе, следовательно повышается надежность измерений.
1
Осуществляя непосредственную привязку между точкой попадания и датчиком Д1 (примем, что датчик Д1 находится ближе всех к точке соударения), через геометрические соотношения, например через расстояние r между точкой попадания и датчиком Д1, расстояние между датчиками S, угол α (например, угол α между линией, соединяющей точку соударения с датчиком Д1 и линией, соединяющей датчики Д1, Д2, см. фиг.2) выражают неизвестные, составляют систему уравнений, являющуюся математической моделью мишени 1.
С помощью вычислителя решают систему
зфм
где c - фактическая скорость звука в алюминиевой пластине 1;
0
t - момент удара снаряда 3 об алюминиевую пластину 1;
1
2
3
4
t, t, t и t - моменты прихода акустической волны на регистрирующие датчики 2 (Д1, Д2, Д3 и Д4);
1
2
3
4
r - расстояние от точки соударения до 1-го датчика 2 (Д1), соответственно, r, r и r - до 2-го (Д2), 3-го (Д3) и 4-го (Д4);
S - расстояние между соседними по периметру мишени датчиками 2;
α - угол между линией, соединяющей точку соударения с датчиком Д1 и линией, соединяющей датчики Д1, Д2.
0
зфм
1
0
зфм
1
Система четырех уравнений содержит четыре неизвестные (t, c, r и α), на мишени установлено четыре датчика, находятся значения всех четырех неизвестных (t, c, r и α). Аналогично по теореме косинусов выводятся уравнения для различного количества датчиков 2 и для их любого местоположения.
1
2
3
4
Соответственно, по найденным значениям r, α и известному расстоянию S между датчиками 2 определяют расстояния от точки соударения до датчиков 2 (r, r и r), а по координатной привязке мишени в пространстве и координаты точки соударения в пространстве.
Модель мишени может быть регрессионной.
Включение в заданное число неизвестных в регрессионной или математической модели мишени фактической скорости звука в материале мишени также повышает точность определения координат практически в любой среде размещения мишени.
По нескольким мишеням, установленным на пути движения пули или снаряда, определяют траекторию движения пули или снаряда в преграде.
Таким образом, при осуществлении заявляемого способа получаем данные (координаты и момент времени попадания снаряда в мишень) о пространственно-временном положении (в том числе траекторию) пули или снаряда, движущихся в любой среде, в том числе отличной от воздушной, повышается точность и надежность измерений.