CN107741227B - 一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，包括如下步骤：a)首先获取救生装置和/或示位标发出的呼救信号，在机载计算机平台计算遇险目标的位置参数；b)接着获取离散的经纬度数据作为遇险目标的位置数据；c)再根据已获取的离散经纬度数据对遇险目标的连续轨迹进行拟合；d)最后在机载电子海图上根据拟合轨迹显示遇险目标的实时位置。本发明提供的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，利用从呼救信号中获取的稀疏离散数据，对搜救目标位置进行拟合形成连续轨迹，可大大提高搜救效率，从而保证在复杂多变的现场环境下，能够获取遇险目标的实时位置，对搜救目标有效进行锁定和跟踪。

Description

一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法

技术领域

本发明涉及一种搜救目标锁定跟踪处理方法，尤其涉及一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法。

背景技术

承担海上救援的各类航空飞行器(飞机、直升机)，具有速度快、搜索范围大等诸多优势，这为海上遇险搜救提供了十分有效的手段。加装于这些航空飞行器上的电子海图显示系统，能显示各类机载目标探测器(雷达、光电设备、信标机、自动识别系统等)收集的海面态势信息和搜救目标信息，并可通过显示设备在海图上直观地呈现出搜救目标的位置和在海面中的姿态信息，这为遇险目标搜索营救提供了极大的便利性。

但是，由于搜索营救的现场环境具有较高的复杂性和不确定性，海面态势会发生动态变化，因此这又会影响对目标搜索定位的准确性和实时性。一方面在海况十分复杂时，机载目标探测器自身工作会受到影响，空间中各类光电噪声会干扰机载探测器探测灵敏度，造成信息数据不连续，无法有效进行锁定和跟踪；另一方面，搜救目标自身位置和状态，随时会自主或被动的发生变化，这种变化带来的位置不确定性也将影响承载救援任务的航空飞行器进行有效施救。

因此，对于救援航空飞行器来说，在各类目标探测器收集的目标位置数据不连续的情况下，面对复杂多变的现场环境，如何有效进行锁定和跟踪，从而获取遇险目标的实时位置，一直是本领域急需解决的技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，能够利用已经采集的稀疏数据，对搜救目标位置进行拟合形成连续轨迹，利用该轨迹进行搜救目标的锁定与跟踪，可大大提高搜救效率。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，包括如下步骤：a)首先获取救生装置和/或示位标发出的呼救信号，在机载计算机平台计算遇险目标的位置参数；b)接着获取离散的经纬度数据作为遇险目标的位置数据；c)再根据已获取的离散经纬度数据对遇险目标的连续轨迹进行拟合；d)最后在机载电子海图上根据拟合轨迹显示遇险目标的实时位置。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述救生装置为AIS-SART、数字选择性呼叫装置、AIS-MOB或光电反射装置，所述示位标为VHF应急示位标或雷达应急示位标，所述步骤a)通过航空飞行器上加装的雷达、光电设备、信标机和/或自动识别探测系统进行信号接收。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述步骤a)针对装备AIS、数字选择性呼叫或北斗救生设备的位置合作目标，从AIS、数字选择性呼叫装置或北斗求救报文中获取原始位置参数；针对无救生装备的非位置合作目标，先利用雷达主动探测，或利用VHF测距测向设备进行主动定位；最后当遇险目标进入预设阈值后，再利用光电设备进行实际场景中的目标识别。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述步骤b)中位置数据为从第0个位置开始，到第m个位置的离散经纬度数据组成的矩阵：

B_i为第i个位置的经度，L_i为第i个位置的纬度。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述步骤c)将离散经纬度数据分区段进行拟合，随后将所有分区段拟合轨迹进行连接得到遇险目标的全部拟合轨迹。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述步骤c)将n个离散经纬度数据划分为一组，具体拟合过程如下：

先构建格雷姆矩阵G，

接着按如下表达式计算矩阵因子：

L_i为机载探测设备获取的离散的纬度数据，w_i为权数；

再计算向量d：

B_i为离散的经纬度之间的函数关系；

最后根据最小二乘法的正规方程表达式：Ga＝d，计算出系数向量a。

上述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其中，所述步骤c)采用截断方式处理，n的取值为5，并固定拟合多项式的次数为二次，拟合后的遇险目标的近似轨迹如下：b^*(l)＝a₀+a₁l+a₂l²。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，利用从呼救信号中获取的稀疏离散数据，对搜救目标位置进行拟合形成连续轨迹，可大大提高搜救效率，从而保证在复杂多变的现场环境下，能够获取遇险目标的实时位置，对搜救目标有效进行锁定和跟踪。

附图说明

图1为本发明机载搜救系统架构示意图；

图2为本发明机载电子海图搜救目标轨迹拟合流程图；

图3为本发明机载电子海图搜救目标轨迹拟合示意图；

图4为本发明机载电子海图搜救目标轨迹分区段组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明机载搜救系统架构示意图；图2为本发明机载电子海图搜救目标轨迹拟合流程图。

请参见图1和图2，本发明的机载探测设备包括雷达、光电反射装置、AIS(船舶自动识别系统,Automatic Identification System)和DSC(数字选择性呼叫，DigitalSelective Calling)。本发明的技术方案分为搜救目标识别方法、位置和状态数据表示方法、离散数据轨迹数学模型的建立，轨迹拟合方法改进四大部分，下面一一展开进行详细描述。

一、搜救目标识别方法：

航空飞行器加装雷达、光电设备、信标机、自动识别系统等探测设备，能与海上遇险船只或落水人员配备的救生设备配合工作，快速获取求救信号和遇险目标的大致位置。海面航行船舶一般配备了VHF应急示位标、雷达应急示位标、AIS-SART(AIS搜救应答器，AISSearch And Rescue Transponder)、数字选择性呼叫装置；海面上的作业人员配备AIS-MOB(AIS便携式应急示位标，AIS Man OverBoard)、光电反射装置等。当海面作业或航行时遇到紧急事故，通过救生装置和各类示位标发出呼救信号，航空飞行器通过一系列探测设备进行信号接收，在机载计算机平台计算遇险目标的位置参数，同时存储并在电子海图显示系统进行目标显示，施救人员能直观的观测遇险目标的实时位置。目前海上遇险船只或落水人员配备的救生设备不尽相同，可能有一种或几种，一般情况，能直接给出位置信息的，例如AIS、DSC、甚至北斗等，可直接从求救报文中获取经纬度信息进行施救，这类目标称作位置合作目标。而仅仅给出求救信号，位置数据比较模糊的(一种原因是船上定位装置失效、另一种是船上没有安装相关设备)，必须利用雷达进行搜救，同时可能配备VHF信标机的，也可开启信号探测设备，对目标主动测距测向，这类目标称作非位置合作目标。至于光探测手段，则是离目标比较近距离时，更直接的定位方法，可直接进行现实场景中的目标识别。因船上配备的设备不尽相同，多种手段的定位方式能提高定位成功率。

二、搜救目标的位置数据表示方法：

通过机载探测器采集的搜救目标位置数据，得到的是一连串的离散数据量，每个数据包括经度(表示为B)和纬度(表示为L)信息。数据表示格式如下：

1.经度：B＝bbb.bbb°(保留小数点后3位，例如：东经123.123°)；

2.纬度：L＝ll.lll°(保留小数点后3位，例如：北纬23.123°)；

某一单点位置i处，表示方法为：

P_i＝{B_i,L_i} (1)

所有目标位置数据为从第0个位置开始，到第m个位置组成的矩阵，为m组式(1)的表示形式：

第0组为：P₀＝{B₀,L₀}

第1组为：P₁＝{B₁,L₁}

……

第i组为：P_i＝{B_i,L_i}

以上矩阵通用的表示形式为

实际当中位置数据为连续数据，观测数据是其中的采样点。这里连续数据的表示方法为：

经度：b(t)＝f(t) (3)

纬度：l(t)＝g(t) (4)

由式(3)和式(4)可见，经纬度数据是时间t的函数，经过变换，消去变量t可得经纬度存在函数关系为：

b(l)＝h(l) (5)

三、离散数据轨迹数学模型的建立

从式(2)可以看出，遇险目标的位置数据或称作移动轨迹，是一串离散数组，而遇险目标的连续轨迹式(5)是客观存在，但无法通过机载探测设备获取，并且是无法精确表达的。本发明采用一种多项式，对遇险目标的连续轨迹式(5)进行拟合，最大程度的逼近式(5)，获得遇险目标的近似轨迹。

线性拟合模型遵守最小二乘法原理，有效的拟合数学模型为以下多项式模型：

b^*(l)＝a₀+a₁l+a₂l²+......+a_nlⁿ (6)

利用拟合的轨迹b^*(l)逼近遇险目标的实际轨迹b(l)是本发明要解决的主要问题。确定式(6)的系数向量a＝a₀,a₁,......a_n后，即可得出遇险目标的轨迹模型。

首先，确定式(6)系数向量a，根据最小二乘法的正规方程表达式：

Ga＝d (7)

在式(7)中解出a即可，因此需计算格雷姆矩阵G和向量d，矩阵G为对称非奇异矩阵，表达式为

式(8)中的矩阵因子g_(k,j)的表达式为：

其中，L_i为机载探测设备获取的离散的纬度数据，w_i为权数，默认为1。以上可得出格雷姆矩阵G的唯一解。

向量d的表达式为：

式(10)中：

以上确定了矩阵G和向量d，即可解出式(6)的系数矩阵，得到a＝a₀,a₁,......a_n的数值，从而获得了遇险目标位置的拟合轨迹。

四、轨迹拟合方法的改进

以上方法可获得在局部范围内，遇险目标的位置拟合轨迹。当数据量偏大时，或者目标的移动轨迹随机性变大时，拟合的轨迹除了一部分较为准确外，其他会产生失真，并且由式(8)和式(9)可以看出，也将带来较大的数据计算量。为使得数据更精确，并减少数据计算规模，本发明采用截断方式处理，如图3所示，每5个位置数据为一组，并固定拟合多项式的次数为二次，见下式：

b^*(l)＝a₀+a₁l+a₂l² (12)

在此区段内独立计算拟合轨迹，随后将这些轨迹进行连接，如图4所示，将得到更为符合现实场景的全部拟合轨迹。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.一种机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)首先获取救生装置和/或示位标发出的呼救信号，在机载计算机平台计算遇险目标的位置参数；

b)接着获取离散的经纬度数据作为遇险目标的位置数据；

c)再根据已获取的离散经纬度数据对遇险目标的连续轨迹进行拟合；

d)最后在机载电子海图上根据拟合轨迹显示遇险目标的实时位置；

所述救生装置为AIS-SART、数字选择性呼叫装置、AIS-MOB或光电反射装置，所述示位标为VHF应急示位标或雷达应急示位标，所述步骤a)通过航空飞行器上加装的雷达、光电设备、信标机和/或自动识别探测系统进行信号接收；

所述步骤a)针对AIS-SART、AIS-MOB、数字选择性呼叫装置或北斗救生设备的位置合作目标，从AIS-SART、AIS-MOB、数字选择性呼叫装置或北斗求救报文中获取原始位置参数；针对无救生装备的非位置合作目标，先利用雷达主动探测，或利用VHF测距测向设备进行主动定位；最后当遇险目标进入预设阈值后，再利用光电设备进行实际场景中的目标识别；

所述经纬度数据是时间t的函数，所述步骤c)将离散经纬度数据分区段进行拟合，随后将所有分区段拟合轨迹进行连接得到遇险目标的全部拟合轨迹；

所述步骤c)将n+1个离散经纬度数据划分为一组，具体拟合过程如下：

先构建格雷姆矩阵G，

接着按如下表达式计算矩阵因子：

L_i为第i个位置的纬度，w_i为权数；

再计算向量d：

B_i为第i个位置的经度；

最后根据最小二乘法的正规方程表达式：Ga＝d，计算出系数向量a。

2.如权利要求1所述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其特征在于，所述步骤b)中位置数据为从第0个位置开始，到第m个位置的离散经纬度数据组成的矩阵：

B_i为第i个位置的经度，L_i为第i个位置的纬度。

3.如权利要求1所述的机载电子海图搜救目标轨迹拟合方法，其特征在于，所述步骤c)采用截断方式处理，n的取值为5，并固定拟合多项式的次数为二次，拟合后的遇险目标的近似轨迹如下：b^*(l)＝a₀+a₁l+a₂l²。

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