一种模拟弹药飞行轨迹测量系统和非通视对抗训练方法与流程

1.本发明涉及一种模拟弹药飞行轨迹测量系统和非通视对抗训练方法。

背景技术：

2.目前实兵对抗训练朝着智能化的方向在发展，直瞄武器通常以激光代替弹药进行实兵对抗训练，具体方法是在武器上加装激光发射机，在人员、装备上安装激光解码装置；对抗训练时武器发射编码激光束，人员、装备上安装的激光解码装置如果接收到编码激光束，则被判为被命中。
3.但是使用上述实兵对抗训练系统在对抗训练中存在以下重大缺陷：实装武器发射的弹药有很强的穿透性，特别是和一些特种弹药，能够穿透装甲和墙壁。在特种作战中，战士可以通过热成像仪发现墙壁另一边的人员，并通过发射实现对目标的打击。而实兵对抗训练中，由于激光的固有特性，武器上加装的激光发射机连纸都无法穿透，因此无法实现对非通视条件下的对抗训练，严重影响了实兵对抗训练，特别是特种作战的效果。
4.在专利“cn113593333a一种应用于实兵交战系统的建筑物模拟器”中，提出了在建筑物外墙上布设激光接收器阵列，当模拟激光炮弹命中激光接收器后，通过被命中激光探测器的空间坐标位置计算出炮弹穿过墙体后的毁伤效果。该方案存在以下不足之处：在墙体上布设激光接收器阵列，激光接收器之间一定会存在一定尺寸的间隙，当某一个激光探测器被命中，只能以该激光探测器与武器之间连线的延长线作为弹丸穿透墙体的弹道，当墙后面的人员不在延长线上，而在激光探测器之间的间隙中时，墙后面人员将无法被命中。也就是说由于模拟弹药飞行轨迹的测量精度和分辨率不足，通过简单布设激光接收器阵列的方法不能完全满足特种作战对非通视目标的对抗训练需求。

技术实现要素：

5.发明目的，针对现有技术的步骤，本发明提供一种模拟弹药飞行轨迹测量系统和非通视对抗训练方法，通过在遮蔽物上安装光传感器和光源阵列，当武器向遮蔽物发射光模拟弹药时，遮蔽物上的光传感器接收到光模拟弹药信号，点亮光传感器对应的光源，武器上的图像传感器测量出光源相在图像传感器的成像位置；由于武器的空间位置、光源的空间位置已知，结合光源在武器图像传感器上的成像位置，可以精确测量出模拟弹药飞行轨迹；由于遮蔽物后面的人员/装备的空间位置已知，如果人员/装备在武器发射模拟弹药的飞行轨迹上时，即可判定被命中。
6.所述系统包括光传感器和光源阵列、空间定位模块、光模拟弹药发射模块、图像采集模块和弹道计算模块。
7.所述弹道计算模块分别与光传感器、空间定位模块、图像采集模块电性连接。
8.所述光传感器和光源阵列安装在遮蔽物上，每个数量光传感器和光源阵列为一组，总数为1组以上，每一个光传感器分别与一个对应的光源电性连接，并通过数据通信接口连接弹道计算模块，每个光源的空间位置在安装时已经确定。
9.所述空间定位模块用于测量武器、人员和装备的空间位置，并将测量数据传输至弹道计算模块；
10.所述光模拟弹药发射模块接收到武器击发信号后，发射能够被所述光传感器接收光模拟弹药信号。
11.所述图像采集模块包括图像传感器，图像传感器安装在武器上，用于接收光源的光信号，并测量出光源在其图像传感器的成像位置，并将测量的结果传输至所述弹道计算模块。
12.所述弹道计算模块用于：接收光传感器的数据，获得被点亮光源的空间位置；接收光源在图像采集模块的图像传感器上成像位置数据，由于武器瞄准点在图像传感器上的位置已知，瞄准线为武器与瞄准点之间的连线，图像传感器在水平、垂直方向的视场角已知，图像传感器在水平、垂直方向上的尺寸已知，可以计算出武器的瞄准线在水平和垂直两个方向相对于点亮的光源与图像传感器连线之间的角度；接收空间定位模块测量的武器的空间位置数据；由于武器发射弹药的弹道飞行轨迹与瞄准线的关系是确定的，武器的空间位置已知，点亮光源的空间位置已知，武器的瞄准线和点亮的光源与武器连线之间的角度已知，可以计算出武器发射弹药的飞行轨迹。
13.所述光模拟弹药发射模块接收到武器击发信号后，发射编码光信号；编码光信号的方向与武器弹药的飞行方向一致，并且编码光信号的光束在水平方向和垂直方向的发散角度在有效射击范围内覆盖1个以上光传感器。
14.安装在遮蔽物上的每一组光传感器和光源均有唯一编号，均有确定的空间位置；所述光传感器能够接收光模拟弹药发射模块发射的光模拟弹药信号并解码；当所述光传感器接收到光模拟弹药信号后，控制对应的光源发射单一波长的光，并在设定的时间内熄灭，设定时间应大于图像传感器的成像时间。
15.所述图像采集模块还包括成像镜头，图像传感器在成像镜头后部；成像镜头和图像传感器组合后具有确定的视场角；镜头的方向与武器的瞄准方向一致。
16.所述系统执行如下步骤：
17.步骤a1，在武器上安装光模拟弹药发射模块、图像采集模块和空间定位模块，通过校准预先获取武器瞄准点在图像传感器的成像位置；空间定位模块将实时定位信息传输至弹道计算模块；
18.步骤a2，光模拟弹药发射模块接收到武器的击发信号后，发射包含武器编号信息的光信号；
19.步骤a3，光传感器接收到光模拟弹药发射的光信号后进行解码，解析出武器的编号信息，同时点亮对应的光源1次；并记录接收到光信号的时间；将光传感器和光源的编号、武器编号信息和点亮光源的时间传输至弹道计算模块；
20.步骤a4，图像采集模块接收到点亮的光源信号后，测量出光源在图像传感器上成像位置；由于视场角已知，武器瞄准点在图像传感器的成像位置已知，计算出光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度；
21.步骤a5，弹道计算模块对点亮光源的时间和图像采集模块接收到的光源信号的时间进行匹配，确定在图像采集模块成像的光源的编号及其空间位置、发射模拟弹药的武器编号及其空间位置；由于武器的空间位置已知，光源的空间位置已知，光源与武器的连线相
对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度已知，可以计算出武器在空间坐标中的瞄准线；由于瞄准线与武器的弹道关系是确定的，可以计算出武器发射模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹。
22.其中，步骤a4包括：已知水平方向视场角fov
x
，垂直方向视场角fovy，图像传感器水平尺寸a
x
，图像传感器垂直尺寸ay，光源在图像传感器上成像的水平位置g
x
、垂直位置gy，瞄准线在图像传感器上成像的水平位置m
x
、垂直位置my；
23.通过如下公式求解光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平方向的角度θ
x
、垂直方向的角度θy：
24.θ
x
＝(fov
x
/a
x
)
*
(m
x-g
x
)
25.θy＝(fovy/ay)
*
(my–gy
)
26.图像采集模块将光源相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度数据、接收到光源信号的时间传输至弹道计算模块。
27.本发明还提供了一种非通视对抗训练方法，采用所述模拟弹药飞行轨迹测量系统，执行如下步骤：
28.步骤b1，在参训人员身上、或装备上安装空间定位模块，空间定位模块将参训人员的实时空间定位信息、或装备的实时空间定位信息传输至弹道计算模块；
29.步骤b2，参训人员操作武器发射模拟弹药后，通过模拟弹药飞行轨迹测量系统，计算出模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹；
30.步骤b3，弹道计算模块根据弹药的穿透性能和遮蔽物的抗穿透性能，判断弹药能否穿透遮蔽物；如果不能穿透遮蔽物，则未命中目标；如果能够穿透目标，则将弹药在空间坐标中的飞行轨迹延长至遮蔽物后面，如果在延长线上有参训人员或装备，则该参训人员或装备被命中，否则未命中目标。
31.本发明具有如下有益效果：(1)通过在遮蔽物上布设光传感器和光源阵列，被武器发射的光束覆盖时能够同步点亮；通过图像采集模块对光源的成像位置的计算，精确测量出武器在空间坐标系中的瞄准点，模拟出模拟弹药在空间坐标系中飞行轨迹。
32.(2)解决了特种作战中运用热成像等新型装备在非通视条件下进行对抗训练的问题。
33.(3)有效克服了原交战系统对抗时不能穿透遮蔽物，严重脱离战场实际的缺陷。
附图说明
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
35.图1为本发明系统的组成示意图。
36.图2为光传感器和光源的组成示意图。
37.图3为图像采集模块的组成示意图。
38.图4为模拟弹药飞行轨迹测量方法的流程图。
39.图5为非通视对抗训练方法的流程图。
具体实施方式
40.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
41.图1～图5中标号解释如下：1-光传感器，2-光源，3-空间定位模块，4-光模拟弹药发射模块，5-图像采集模块，6-弹道计算模块，7-滤光片，8-光电传感器，9-信号调理电路，10-微处理器，11-通信电路，12-驱动电路，13-发光元件,14-成像镜头，15-图像传感器，16-镜筒，17-微处理器，18-通信电路。
42.图1所示为本发明一种模拟弹药飞行轨迹测量系统的组成示意图。模拟弹药飞行轨迹测量系统包含光传感器1和光源2组成的阵列、空间定位模块3、光模拟弹药发射模块4、图像采集模块5和弹道计算模块6。
43.光传感器1和光源2安装在遮蔽物上，每个光传感器连接一个对应的光源，每个光源的空间位置在安装时已经确定。
44.图2所示为光传感器和光源的组成示意图。
45.光传感器1包含滤光片7、光电传感器8、信号调理电路9、微处理器10、通信电路10.光源2包含驱动电路12和发光元件13.
46.光模拟弹药发射模块4发射的光模拟弹药信号照射到光传感器1上，经滤光片7 滤除有效波长以外的干扰光信号后，被光电传感器8接收，转换为电信号；再通过信号调理电路9进行滤波和放大；由微处理器10进行解码，解析出武器的编号信息；控制光源2的驱动电路12点亮发光元件13；并通过通信电路10将光传感器和光源的编号、武器编号信息和点亮光源的时间传输至弹道计算模块6。
47.光电传感器8可选用光电池、或光电二极管；微处理器10可选用stm32系列微处理器；发光元件13可选用980nm波长红外发光管；通信电路10可选用wifi、485等有线或无线通信芯片。
48.武器端安装空间定位模块3、光模拟弹药发射模块4、图像采集模块5。
49.空间定位模块3可以选用北斗定位模块、或者uwb室内定位系统等，用于确定武器的空间位置。
50.光模拟弹药发射模块4由镜筒、激光器、镜片、微处理器、驱动电路、击发器等组成，该模块为通用技术，在此不做详细描述。镜筒的出光方向与武器的瞄准方向一致。
51.光模拟弹药发射模块4通过击发器采集武器的击发信号，接收到击发信号后微处理器通过驱动电路驱动激光器向外发射编码激光束。
52.图3所示为为图像采集模块的组成示意图。
53.图像采集模块5包含成像镜头14、图像传感器15、镜筒16、微处理器17、通信电路18.成像镜头14和图像传感器15安装在镜筒16内，光源信号经过成像镜头14在图像传感器15感光面上成像，成像镜头14和图像传感器15感光面积确定了图像采集模块5的视场角。图像传感器15的成像信号传输至微处理器17进行处理，计算出光源信号在图像传感器15上的成像位置，结合图像采集模块5的视场角、以及武器瞄准点在图像传感器的成像位置，可以计算出光源相对于武器瞄准点在水平和垂直方向的角度数据。并通过通信电路18将光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度数据、接收到光源信号的时间传输至弹道计算模块6。
54.成像镜头14可以通过镀滤光膜，使光源信号能够透过，滤除其他干扰光。
55.图像传感器15可以选用ccd。由于光模拟弹药发射模块4发射的激光束可能会覆盖多个光传感器1，因此会有多个对应的光源2点亮。可以通过某一个光源成像位置计算出光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度数据，例如可以规定如果接收到多个光源信号，用左上角的1个光源进行计算；也可以规定以多个光源信号组成的图形的几何中心来进行计算。计算光点在ccd上的成像位置为通用技术，在此不做详细描述。
56.人员、装备等目标上安装空间定位模块3，用于确定人员、装备等目标的空间位置。
57.图4所示为模拟弹药飞行轨迹测量方法的流程图。具体步骤如下：
58.1)武器上安装光模拟弹药发射模块、图像采集模块和空间定位模块，通过校准预先获取武器瞄准点在图像传感器的成像位置；例如使用武器的瞄准器瞄准1个led灯，获取led灯在图像传感器的成像位置，即可得到武器瞄准点在图像传感器的成像位置。瞄准线为武器与瞄准点之间的连线。
59.空间定位模块将实时定位信息传输至弹道计算模块；
60.2)光模拟弹药发射模块接收到武器的击发信号后，发射包含武器编号信息的光信号；
61.3)光传感器接收到光模拟弹药发射的光信号后进行解码，解析出武器的编号信息，同时点亮对应的光源1次；并记录接收到光信号的时间；将光传感器和光源的编号、武器编号信息和点亮光源的时间传输至弹道计算模块；
62.4)图像采集模块接收到点亮的光源信号后，测量出光源在图像传感器上成像位置；由于视场角已知，武器瞄准点在图像传感器的成像位置已知，可以计算出光源与武器连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度；图像采集模块将光源与武器连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度数据、接收到光源信号的时间传输至弹道计算模块；
63.5)弹道计算模块对点亮光源的时间和图像采集模块接收到光源信号的时间进行匹配，确定在图像采集模块成像的光源的编号及其空间位置、发射模拟弹药的武器编号及其空间位置；由于武器的空间位置已知，光源的空间位置已知，由三角函数的基本知识可以根据两个空间已知点可以得到线的空间位置，因此可以得到光源与武器的连线的空间位置；由于光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度已知，可以通过三角函数的基本知识计算出武器在空间坐标中的瞄准线；由于瞄准线与武器的弹道关系是确定的，因此可以计算出武器发射模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹。
64.图5所示为非通视对抗训练方法的流程图。具体步骤如下：
65.1)在参训人员安装空间定位模块，空间定位模块将参训人员实时空间定位信息传输至弹道计算模块；
66.2)参训人员操作武器发射模拟弹药后，通过模拟弹药飞行轨迹的测量方法，计算出模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹；
67.3)弹道计算模块根据弹药的穿透性能、和遮蔽物的抗穿透性能，判断弹药能否穿透遮蔽物；如果不能穿透遮蔽物，则未命中目标；如果能够穿透目标，则将弹药在空间坐标中的飞行轨迹延长至遮蔽物后面，如果在延长线上有参训人员，则该参训人员被命中，否则未命中目标。
68.发明提供了一种模拟弹药飞行轨迹测量系统和非通视对抗训练方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术
领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：

1.一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，包括光传感器和光源阵列、空间定位模块、光模拟弹药发射模块、图像采集模块和弹道计算模块；所述弹道计算模块分别与光传感器、空间定位模块、图像采集模块电性连接；所述光传感器和光源阵列安装在遮蔽物上，每一个光传感器分别与一个对应的光源电性连接，并通过数据通信接口连接弹道计算模块，每个光源的空间位置在安装时已经确定；所述空间定位模块用于测量武器、人员和装备的空间位置，并将测量数据传输至弹道计算模块；所述光模拟弹药发射模块接收到武器击发信号后，发射能够被光传感器接收的光模拟弹药信号；所述图像采集模块包括图像传感器，图像传感器安装在武器上，用于接收光源的光信号，并测量出光源在图像传感器的成像位置，并将测量结果传输至弹道计算模块；所述弹道计算模块用于：接收光传感器的数据，获得被点亮光源的空间位置；接收光源在图像采集模块的图像传感器上成像位置数据，计算出武器的瞄准线在水平和垂直两个方向相对于点亮的光源与武器连线之间的角度；接收空间定位模块测量的武器的空间位置数据；计算出武器发射弹药的飞行轨迹。2.根据权利要求1所述一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，所述光模拟弹药发射模块接收到武器击发信号后，发射编码光信号；编码光信号的方向与武器弹药的飞行方向一致，并且编码光信号的光束在水平方向和垂直方向的发散角度在有效射击范围内覆盖1个以上光传感器。3.根据权利要求2所述一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，安装在遮蔽物上的每一组光传感器和光源均有唯一编号；所述光传感器能够接收光模拟弹药发射模块发射的光模拟弹药信号并解码；当所述光传感器接收到光模拟弹药信号后，控制对应的光源发射单一波长的光，并在设定的时间内熄灭。4.根据权利要求3所述一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，所述图像采集模块还包括成像镜头，图像传感器在成像镜头后部；成像镜头和图像传感器组合后具有确定的视场角；镜头的方向与武器的瞄准方向一致。5.根据权利要求4所述一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，所述系统执行如下步骤：步骤a1，在武器上安装光模拟弹药发射模块、图像采集模块和空间定位模块，通过校准预先获取武器瞄准点在图像传感器的成像位置；空间定位模块将实时定位信息传输至弹道计算模块；步骤a2，光模拟弹药发射模块接收到武器的击发信号后，发射包含武器编号信息的光信号；步骤a3，光传感器接收到光模拟弹药发射的光信号后进行解码，解析出武器的编号信息，同时点亮对应的光源1次；并记录接收到光信号的时间；将光传感器和光源的编号、武器编号信息和点亮光源的时间传输至弹道计算模块；步骤a4，图像采集模块接收到点亮的光源信号后，测量出光源在图像传感器上成像位置；由于视场角已知，武器瞄准点在图像传感器的成像位置已知，计算出光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度；
步骤a5，弹道计算模块对点亮光源的时间和图像采集模块接收到的光源信号的时间进行匹配，确定在图像采集模块成像的光源的编号及其空间位置、发射模拟弹药的武器编号及其空间位置；已知武器的空间位置、光源的空间位置、光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度，计算出武器在空间坐标中的瞄准线；由于瞄准线与武器的弹道关系是确定的，计算出武器发射模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹。6.根据权利要求5所述一种模拟弹药飞行轨迹测量系统，其特征在于，步骤a4包括：已知水平方向视场角fov
x
，垂直方向视场角fov
y
，图像传感器水平尺寸a
x
，图像传感器垂直尺寸a
y
，光源在图像传感器上成像的水平位置g
x
、垂直位置g
y
，瞄准线在图像传感器上成像的水平位置m
x
、垂直位置m
y
；通过如下公式求解光源与武器的连线相对于武器瞄准线在水平方向的角度θ
x
、垂直方向的角度θ
y
：θ
x
＝(fov
x
/a
x
)
*
(m
x-g
x
)θ
y
＝(fov
y
/a
y
)
*
(m
y
–
g
y
)图像采集模块将光源相对于武器瞄准线在水平和垂直方向的角度数据、接收到光源信号的时间传输至弹道计算模块。7.一种非通视对抗训练方法，其特征在于，采用所述模拟弹药飞行轨迹测量系统，执行如下步骤：步骤b1，在参训人员身上、或装备上安装空间定位模块，空间定位模块将参训人员的实时空间定位信息、或装备的实时空间定位信息传输至弹道计算模块；步骤b2，参训人员操作武器发射模拟弹药后，通过模拟弹药飞行轨迹测量系统，计算出模拟弹药在空间坐标中的飞行轨迹；步骤b3，弹道计算模块根据弹药的穿透性能和遮蔽物的抗穿透性能，判断弹药能否穿透遮蔽物；如果不能穿透遮蔽物，则未命中目标；如果能够穿透目标，则将弹药在空间坐标中的飞行轨迹延长至遮蔽物后面，如果在延长线上有参训人员或装备，则该参训人员或装备被命中，否则未命中目标。

技术总结

本发明公开了一种模拟弹药飞行轨迹测量系统和非通视对抗训练方法，所述系统包括光传感器和光源阵列、空间定位模块、光模拟弹药发射模块、图像采集模块和弹道计算模块；所述弹道计算模块分别与光传感器、空间定位模块、图像采集模块电性连接。本发明解决了特种作战中运用热成像等新型装备在非通视条件下进行对抗训练的问题。抗训练的问题。抗训练的问题。