CN105678074A - 一种快速计算任务区域覆盖率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速计算任务区域覆盖率的方法，为飞行航线的观测覆盖有效性的评估提供评估依据。该方法包含以下步骤：(1)根据观测设备参数和任务区域参数计算离散步长；(2)将任务区域离散化；(3)由于地球纬度圈大小随纬度变化，需考虑其对离散点的坐标造成的偏差并进行修正；(4)计算覆盖率。本发明将面积的计算转换为离散点的统计，从而简化了覆盖率的计算，降低了飞行观测覆盖率计算的复杂度，为难以计算出相交面积的地理平台提供了有效的解决方案，可有效地完成对飞行航线的观测覆盖有效性的评估。仿真表明，本发明能降低飞行观测覆盖率计算的复杂度，有效地完成对飞行航线的观测覆盖有效性的评估。

Description

一种快速计算任务区域覆盖率的方法

技术领域

本发明属于航线规划评估领域，具体涉及一种快速计算任务区域覆盖率的方法，其为机载观测设备对预定任务区域的覆盖计算方法，根据快速计算的任务区域覆盖率，对飞行航线的有效性进行评估。

背景技术

飞行器携带观测设备执行观测任务时，需对飞行航线进行规划。其中，飞机在沿航线飞行的过程中，观测设备观测到的区域对预先设定的任务区域的覆盖情况是评估航线有效性的重要参考依据。可以用覆盖率来描述观测设备观测到的区域对总体任务区域的覆盖程度，覆盖率等于观测设备的观测范围与任务区域相交的面积除以任务区域的总面积。通常情况下，由于地面起伏、飞行约束等因素的影响，设备的观测范围和任务区域通常表现为不规则图形，难以用数学表达式对图形边界进行描述，任务面积和相交面积的计算非常复杂，从而导致覆盖率的计算非常复杂。通过本发明的快速计算方法，将面积的计算转换为离散点的统计，从而简化了覆盖率的计算。

飞行观测覆盖率是评估观测任务执行有效性的重要参数之一，传统的覆盖率计算方法是通过计算观测设备的观测范围与预定的任务区域相交的面积，然后除以任务区域的面积得到飞行观测覆盖率。但是由于任务区域常常为不规则的图形，导致相交面积和总面积的计算非常复杂，从而影响对观测任务执行有效性的评估。

发明内容

本发明针对在飞行观测覆盖率计算中存在的上述问题，给出了一种基于离散化处理快速计算飞行观测覆盖率的方法，其为一种新的覆盖率计算方法，不再将计算集中在不规则图形面积上，而是转换为离散点的观测和统计，极大地简化了覆盖率计算，有效地完成对飞行航线的观测覆盖有效性的评估。

本发明解决其技术问题采用的技术方案，一种快速计算任务区域覆盖率的方法，包括以下具体步骤：

步骤1)计算离散步长

将任务区域离散化之前需要对离散步长进行计算。离散步长不宜过大，过大则会导致离散化后形成的点阵太稀疏，不能有效地表示区域信息；离散步长不宜过小，过小则会导致离散化后形成的点阵间距太小，超出观测设备的分辨能力并且导致计算量庞大。当观测设备为雷达时，其距离分辨率计算满足：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{c}{2B}---\left(1\right)$

其中δ_r表示观测雷达的距离分辨率，c为光速3×10⁸m/s，B为雷达信号带宽。

离散步长的距离长度不应小于观测雷达的距离分辨率，否则超出观测设备的分辨能力。根据实际观测任务的需求，离散步长的距离长度N_dis可按下式计算：

N_dis＝σδ_r(2)

其中σ为系数因子，取值与具体的观测任务有关，一般限定在1到10之间。

离散步长N_dis确定后，利用经纬度坐标与距离的计算关系可以得到经度的离散步长N_long和纬度的离散步长N_lat，以经纬度的离散步长对任务区域进行离散化。

步骤2)将任务区域离散化

以任务区域边界上经度最小值、经度最大值、纬度最小值、纬度最大值的点为边界点，平行于经纬线作任务区域的外接矩形，以经度的离散步长N_long和纬度的离散步长N_lat作平行于经纬线的网状线将该外接矩形分割成点阵，并剔除在任务区域外部却在外接矩形内部的点，构成任务区域点阵。

步骤3)对纬度造成的偏差进行修正

当任务区域足够的大，就需要考虑地球弯曲带来的影响。当将任务区域离散化时，其外接矩形将不是个严格的矩形，纬度越高其底边越窄，可以近似为一个曲边梯形模型。假设地球近似为球形，则纬度θ对应的地球切面圆周长满足：

C_θ＝2πR·cosθ(3)

其中R为地球半径，取值6371000m，θ为纬度。

由上式可知，任务区域底边长度应随纬度呈余弦变化，假设某离散点的经纬度坐标为(Long_i,Lat_i)，由步骤2可得任务区域中的最小纬度坐标值记为Lat_min，则该离散点的纬度修正因子ρ_i可表示为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{cos\left({\mathrm{Lat}}_i\right)}{\cos \left({\mathrm{Lat}}_{min}\right)}---\left(4\right)$

则修正后的离散点所表示的面积为ρ_i·ΔS(ΔS为修正前离散点所表示的面积)，完成对任务区域点阵中离散点的修正。

步骤4)计算覆盖率

逐个判断任务区域点阵中的点是否被观测设备观测到，统计出任务区域点阵中所有被观测到的点的数目N₁，记任务区域点阵中所有点的总数为N，则此时观测设备对任务区域的覆盖率η由下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{N_1}{N}\×100\%---\left(5\right)$

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所采用的离散化方法无需通过计算观测设备的观测范围与任务区域相交的面积和任务区域的总面积来计算任务区域覆盖率，避免了不规则图形面积的计算，能降低任务区域覆盖率计算的复杂度，从而快速计算任务区域覆盖率，为飞行航线有效性的评估提供依据。

(2)本发明中到离散步长与离散化处理的精细程度有关，为避免过分离散化和离散化不足的问题，离散步长计算中引入了观测设备的分辨率约束，使得离散化步长更加合理。

(3)由于地球纬度圈大小随纬度变化，需考虑不同纬度下离散点所表示的面积差异，利用曲边梯形模型对纬度造成的偏差进行修正，提高实际应用中覆盖率计算的准确性。

附图说明

图1为本发明基于离散化方法快速计算任务区域覆盖率的流程图；

图2为任务区域离散化示意图；

图3为考虑地球纬度影响对偏差进行修正的示意图；

图4为某个航路点上的覆盖率计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

观测源的观测范围与任务区域相交的面积和任务区域的总面积的计算是飞行观测覆盖率计算的难点，本发明采用离散化方法将任务区域离散为点阵，通过统计被观测的点总数来模拟相交面积，点阵中的点总数来模拟任务区域总面积，从而完成飞行观测覆盖率的计算。本发明在离散化过程中考虑到观测设备的观测分辨率对离散步长进行选取，保证离散化后点阵中的点能被有效观测。本发明在离散化过程中还考虑到纬度影响带来的偏差，并对偏差进行修正。其流程图如图1所示，具体包括4个步骤。

步骤1)计算离散步长

将任务区域离散化之前需要对离散步长进行计算。离散步长不宜过大，过大则会导致离散化后形成的点阵太稀疏，不能有效地表示区域信息；离散步长不宜过小，过小则会导致离散化后形成的点阵间距太小，超出观测设备的分辨能力并且导致计算量庞大。当观测设备为雷达时，其距离分辨率计算满足：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{c}{2B}---\left(1\right)$

其中δ_r表示观测雷达的距离分辨率，c为光速3×10⁸m/s，B为雷达信号带宽。

离散步长的距离长度不应小于观测雷达的距离分辨率，否则超出观测设备的分辨能力。根据实际观测任务的需求，离散步长的距离长度N_dis可按下式计算：

N_dis＝σδ_r(2)

其中σ为系数因子，取值与具体的观测任务有关，一般限定在1到10之间。

离散步长N_dis确定后，利用经纬度坐标与距离的计算关系可以得到经度的离散步长N_long和纬度的离散步长N_lat，以经纬度的离散步长对任务区域进行离散化。

步骤2)将任务区域离散化

将任务区域离散为点阵。如图2所示，以任务区域D边界上经度最小值、经度最大值、纬度最小值、纬度最大值的点为边界点，平行于经纬线作任务区域的外接矩形，以经度的离散步长N_long和纬度的离散步长N_lat作平行于经纬线的网状线将该外接矩形分割成点阵，并剔除在任务区域外部却在外接矩形内部的点(如图2中X₁、X₂、X₃、X₄)，构成任务区域点阵供观测设备观测。

步骤3)对纬度造成的偏差进行修正

当任务区域足够的大，就需要考虑地球弯曲带来的影响。当将任务区域离散化时，其外接矩形将不是个严格的矩形，纬度越高其底边越窄，可以近似为一个曲边梯形模型，如图3所示。假设地球近似为球形，则纬度θ对应的地球切面圆周长满足：

C_θ＝2πR·cosθ(3)

R为地球半径6371000m，θ为纬度。

由上式可知，任务区域底边长度应随纬度呈余弦变化，假设某离散点的经纬度坐标为(Long_i,Lat_i)，由步骤2可得任务区域中的最小纬度坐标值记为Lat_min，则该离散点的纬度修正因子ρ_i可表示为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{cos\left({\mathrm{Lat}}_i\right)}{\cos \left({\mathrm{Lat}}_{min}\right)}---\left(4\right)$

其中Lat_i为离散点的纬度坐标，Lat_min为任务区域中的最小纬度坐标值。

则修正后的离散点所表示的面积为ρ_i·ΔS(ΔS为修正前离散点所表示的面积)，经纬度坐标可表示为(ρ_iLong_i,Lat_i)，完成对任务区域点阵中离散点的修正。

步骤4)计算覆盖率

逐个判断任务区域点阵中的点是否被观测设备观测到，统计出任务区域点阵中所有被观测到的点的数目N₁，记任务区域点阵中所有点的总数为N，则此时观测设备对任务区域的覆盖率η由下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{N_1}{N}\×100\%---\left(5\right)$

本发明所采用的离散化方法无需通过计算观测源的观测范围与任务区域相交的面积和任务区域的总面积来计算飞行覆盖率，避免了不规则图形面积的计算，能降低飞行观测覆盖率计算的复杂度，对某次飞行航线的观测覆盖率计算后的统计分布可以作为对飞行航线有效性评估的依据。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种快速计算任务区域覆盖率的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤1)计算离散步长，用于任务区域的离散化；

步骤2)根据步骤1)计算的离散步长，将任务区域离散化；

步骤3)对纬度造成的偏差进行修正；

步骤4)计算任务区域覆盖率。

2.根据权利要求1所述的一种快速计算任务区域覆盖率的方法，其特征在于：所述步骤1)中的离散步长的计算中，离散步长不宜过大，过大则会导致离散化后形成的点阵太稀疏，不能有效地表示区域信息；离散步长不宜过小，过小则会导致离散化后形成的点阵间距太小，超出观测设备的分辨能力并且会导致计算量庞大，观测设备为雷达时，其距离分辨率为：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{c}{2B}$

其中c为光速3×10⁸m/s，B为雷达信号带宽；

离散步长的距离长度不应小于观测设备的距离分辨率，否则会超出观测设备的分辨能力，根据实际观测任务的需求，离散步长的长度N_dis可按下式计算：

N_dis＝σδ_r

其中σ为系数因子，取值与具体的观测任务有关，一般限定在1到10之间。

3.根据权利要求1所述的一种快速计算任务区域覆盖率的方法，其特征在于：所述步骤3)中的对纬度造成的偏差进行修正，具体为：

由于地球纬度圈大小随纬度变化，当将任务区域离散化时其外接矩形将不是个严格的矩形，通过构造曲边梯形模型对纬度造成的偏差进行修正，得到修正后的离散点坐标再进行覆盖率计算；

当将任务区域离散化时，其外接矩形将不是个严格的矩形，纬度越高其底边越窄，可以近似为一个曲边梯形模型，假设地球近似为球形，则纬度θ对应的地球切面圆周长满足：

C_θ＝2πR·cosθ

R为地球半径，取值6371000m，θ为纬度；

由上式可知，任务区域底边长度应随纬度呈余弦变化，假设某离散点的经纬度坐标为(Long_i,Lat_i)，则该离散点的纬度修正因子ρ_i为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{cos\left({\mathrm{Lat}}_i\right)}{\cos \left({\mathrm{Lat}}_{min}\right)}$

其中Lat_min为任务区域中的最小纬度坐标值；

若△S为修正前离散点所表示的面积，则修正后的离散点所表示的面积为ρ_i·△S。

4.根据权利要求1所述的一种快速计算任务区域覆盖率的方法，其特征在于：所述步骤4)计算任务区域覆盖率，具体的，逐个判断任务区域点阵中的点是否被观测设备观测到，统计出任务区域点阵中所有被观测到的点的数目N₁，记任务区域点阵中所有点的总数为N，则此时观测设备对任务区域的覆盖率η由下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{N_1}{N}\×100\%.$