CN108803374B - 一种无人艇环境数据仿真方法 - Google Patents

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CN108803374B CN201810578534.0A CN201810578534A CN108803374B CN 108803374 B CN108803374 B CN 108803374B CN 201810578534 A CN201810578534 A CN 201810578534A CN 108803374 B CN108803374 B CN 108803374B
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种无人艇环境数据仿真方法，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；依据标准导航格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。本发明通过设置无人艇航行状态和各种仿真环境的场景，能测试和验证各任务系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，降低试验成本。

Description

一种无人艇环境数据仿真方法
技术领域
本发明属于无人船环境仿真软件系统涉及技术领域，尤其涉及一种实时生成雷达辐条的仿真方法。
背景技术
无人艇是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务。为测试和验证无人艇控制系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，减少试验成本，通过模拟无人艇所处的环境，建立无人艇环境仿真系统是研究无人艇的必要手段。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种无人艇环境数据仿真方法，测试和验证无人艇控制系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，减少试验成本。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种无人艇环境数据仿真方法：
步骤1，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；
步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准GPFPS导航报文数据格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；
步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；
步骤4，依据标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。
较佳地，步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇位移运动模型，获取无人艇位移运动模型为无人艇的经纬度坐标
Figure GDA0003077817210000021
其中，Δλ和
Figure GDA0003077817210000022
为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，
Figure GDA0003077817210000023
为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标。
较佳地，步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇姿态运动模型，获取无人艇姿态运动模型包括无人艇运动到t时刻的
横摇角
Figure GDA0003077817210000024
纵摇角
Figure GDA0003077817210000025
升沉
Figure GDA0003077817210000026
其中，TR,TP,TH分别为无人艇的横摇角摆动周期、纵摇角摆动周期和升沉周期，SR,SP,SH分别为无人艇的横摇角摆动幅值、纵摇角摆动幅值和升沉摆动幅值，θR,θP,θH分别为无人艇的横摇角初始摆动相位、纵摇角初始摆动相位和升沉初始摆动相位。
较佳地，步骤1建立海上目标运动模型包括获取在t时刻第i个目标相对无人艇的距离
Figure GDA0003077817210000031
方位
Figure GDA0003077817210000032
其中，
Figure GDA0003077817210000033
为时刻t第i个目标相对无人艇的位置。
较佳地，步骤2根据无人艇当前状态，按照标准GPFPS导航报文数据格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据各字段的方法包括：
人工设定无人艇当前航向角C0，
获取无人艇当前纵摇值Pitch＝SPsin(2πt/TP+θP)，
获取无人艇当前横摇值Roll＝SRsin(2πt/TR+θR)，
获取无人艇当前升沉值Heave＝SHsin(2πt/TH+θH)，
获取无人艇当前的经纬度坐标λ0+Δλ和
Figure GDA0003077817210000034
获取无人艇当前的东向速度Ve＝V0cos(C0)、北向速度Vn＝V0sin(C0)和天向速度Vu＝SHsin(2πt/TH+θH)′＝2πSH/THcos(2πt/TH+θH)，
其中，Sp为纵摇角的摆动幅值，Tp为纵摇角的摆动周期，θp为纵摇角的摆动相位，SR为横摇角的摆动幅值，TR为横摇角的摆动周期，θR为横摇角的摆动相位，SH为升沉的摆动幅值，TH为升沉的摆动周期，θH为升沉的摆动相位，
Figure GDA0003077817210000035
为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标，Δλ和
Figure GDA0003077817210000036
为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，t为当前时间。
较佳地，步骤2是按照标准GPFPS导航报文数据格式计算无人艇的仿真导航数据。
较佳地，步骤3具体包括；
步骤3.1，建立雷达辐条数据生成模型，记雷达扫描半径R，雷达转速w，记雷达扫描一周的辐条数为m，一个扫描周期内的辐条编号为j，指向正北的辐条编号j＝0，辐条编号随辐条顺时针排列逐个增加，t时刻仿真目标的数量为n，第i个目标中心点对应的距离为
Figure GDA0003077817210000041
方位为
Figure GDA0003077817210000042
目标回波半径为Ri；
步骤3.2，仿真目标集合为T＝{T1,T2,...,Tn}，计算所有目标的回波的方位角范围，记第i个目标的回波方位角范围为
Figure GDA0003077817210000043
其中，
Figure GDA0003077817210000044
记目标回波范围集合
Figure GDA0003077817210000045
步骤3.3，逐个计算雷达辐条回波与目标相交情况，记雷达辐条距离采样点数量为S，第j个辐条对应的方位角度Azij为
Figure GDA0003077817210000046
遍历目标回波范围集合Trange，若存在
Figure GDA0003077817210000047
则第j个辐条能显示第i个目标的回波；
步骤3.4，根据辐条相交情况计算辐条数据，记与辐条j相交的目标的面积的集合为
Figure GDA0003077817210000048
对雷达辐条采样点按照序号遍历，记第j个雷达辐条的第k个采样点的数值为Spoke(j,k)，其中(k＝1,2,...,S)，若
Figure GDA0003077817210000049
则Spoke(j,k)＝1，第k个采样点存在回波，若
Figure GDA00030778172100000410
则Spoke(j,k)＝0，第k个采样点不存在回波。
较佳地，步骤4的方法包括：首先将导航数据和雷达辐条数据按照标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式编码。其次设置网络发送模式以及IP地址和端口号，最后环境数据以UDP数据报文的格式发送至指定地址。
本发明的有益效果在于：使用计算机仿真的方法，模拟无人艇导航雷达和导航设备的输出信息，为无人艇的雷达多目标跟踪系统、航行控制系统、雷达避障系统等任务系统提供模拟环境下的驱动数据，通过设置无人艇航行状态和各种仿真环境的场景，能测试和验证各任务系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明实施例目标距离和方位的示意图，
图2为本发明实施例仿真目标回波角度范围示意图，
图3为本发明实施例仿真雷达辐条计算示意图，
图4为本发明实施例雷达Spoke数据计算示意图，
图5为本发明实施例仿真系统运行工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于海上无人艇环境仿真的方法，包括无人船导航系统仿真模块、海上目标仿真模块、雷达态势显示与数据仿真模块、数据编码通信模块，所述的无人船导航系统仿真模块通过设置船舶位置、速度、摇摆周期等参数，实时生成无人艇导航状态信息，所述的海上目标仿真模块通过输入目标运动参数信息，实时生成仿真海上目标，所述的雷达态势显示与数据仿真模块通过处理无人艇导航状态信息和海上目标信息，计算实时雷达辐条数据，显示雷达态势，所述的数据编码通信模块对雷达辐条数据和导航数据编码，最后将无人艇环境仿真数据发送至网络。
该发明包括如下步骤：
步骤1，建立无人艇姿态和运动模型，建立海上运动目标运动模型。
步骤1.1，无人艇位移运动模型的建立方式如下：
记t0时刻无人艇的经纬度坐标为
Figure GDA0003077817210000061
航向为C0，航速为V0。则经过Δt后，无人艇在x方向和y方向的位移Δx和Δy分别为：
Δx＝V0Δt×sin(C0)
Δy＝V0Δt×cos(C0)
无人艇在Δt时间内的位移对应的经纬度改变量Δλ，
Figure GDA0003077817210000062
用近似公式可表示为：
Figure GDA0003077817210000063
Figure GDA0003077817210000064
此时无人艇的经纬度坐标为
Figure GDA0003077817210000065
α为经度相同时纬度改变1度时产生的距离差，α的值优选为111700米。
步骤1.2，无人艇姿态运动模型的建立方式如下：
记无人艇的横摇角、纵摇角和升沉的摆动周期分别为TR,TP,TH，摆动幅值分别为SR,SP,SH，初始摆动相位分别为θR,θP,θH。则t时刻无人艇的横摇角Rt、纵摇角Pt和Ht为：
Figure GDA0003077817210000071
Figure GDA0003077817210000072
Figure GDA0003077817210000073
步骤1.3，目标运动模型的建立方式如下：
记仿真的目标数量为n，设第i个目标的速度为
Figure GDA0003077817210000074
航向为
Figure GDA0003077817210000075
在t0时刻相对无人艇的距离和方位分别为
Figure GDA0003077817210000076
第i个目标相对无人艇在X方向和Y方向的航速V′ix、V′iy的表达式分别为
Figure GDA0003077817210000077
Figure GDA0003077817210000078
当无人艇和目标运动都为线性时，t时刻第i个目标相对无人艇的位置
Figure GDA0003077817210000079
Yi t，距离
Figure GDA00030778172100000710
方位
Figure GDA00030778172100000711
分别为：
Figure GDA00030778172100000712
Figure GDA00030778172100000713
Figure GDA00030778172100000714
Figure GDA00030778172100000715
步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准GPFPS导航报文数据格式规定的导航参数，以50Hz的频率实时计算无人艇的仿真导航数据。
标准GPFPS导航报文数据格式如下：
$GPFPS,GPSWeek,GPSTime,Heading,Pitch,Roll,Lattitude,Longitude,Altitude,Headdc,Heave,Ve,Vn,Vu,Baseline,NSV1,NSV2,Status*cs<CR><LF>
表1导航报文数据格式表
Figure GDA0003077817210000081
根据步骤1当中的无人艇运动和姿态模型，各字段的数值计算公式如表所示：
表2导航报文数据计算公式
Figure GDA0003077817210000082
Figure GDA0003077817210000091
其中，
(1)报文报头及时间信息(字段1-3)
字段1Header为固定信息，取值为“$GPFPS”，
字段2GPSWeek和3UTCTime取系统当前时间。
(2)无人艇当前航信息(字段4)
字段号4Heading表示无人艇当前航向，取值为C0。
(3)无人艇当前姿态信息(字段5、6、11)
字段号5Pitch、6Roll、11Heave分别表示无人艇当前纵摇值、横摇值和升沉，根据步骤一中的无人艇姿态运动模型，字段号5、6、11分别取值为SPsin(2πt/TP+θP)、SRsin(2πt/TR+θR)和SHsin(2πt/TH+θH)。
(4)无人艇当前位置信息(字段7-10)
字段号7Lattitude和8Longitude分别表示无人艇当前的纬度坐标和经度坐标，根据步骤一中的无人艇运动模型，字段号7Lattitude和8Longitude分别取值为
Figure GDA0003077817210000092
和λ0+Δλ。
字段号9Altitude表示无人艇当前高度，取固定值“0”。
字段号10Head_dc表示无人艇偏流角，取固定值“0”。
(5)无人艇当前速度信息(字段12-14)
字段号12Ve、13Vn、14Vu分别表示无人艇当前东向速度、北向速度和天向速度。其中根据步骤一的中的无人艇运动模型，东向速度和北向速度分别为V0cos(C0)和V0sin(C0)，无人艇天向速度通过步骤一姿态运动模型中的升沉信息对时间求导可以得到。即无人艇的天向速度的表达式为
Vu＝SHsin(2πt/TH+θH)′＝2πSH/THcos(2πt/TH+θH)。
(6)无人艇GPS卫星信息(字段15-17)
字段号15Baseline表示GPS接收天线之间的距离，字段号16NSV1和17NSV2表示两个GPS接收天线接收到卫星数量，由于输出仿真导航数据，设定上述字段为固定值即可。
字段号15取固定值“10”，字段号16取固定值“12”，字段号17取固定值“12”。
步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据。建立雷达辐条数据生成模型具体包括如下步骤：
步骤3.1，设雷达扫描半径R，雷达转速w，记雷达扫描一周的辐条数为m，一个扫描周期内的辐条编号为j,指向正北的辐条编号j＝0，辐条编号随着顺时针增加，根据步骤一，t时刻仿真目标的数量为n，第i个目标中心点对应的距离为
Figure GDA0003077817210000101
方位为
Figure GDA0003077817210000102
目标回波半径为Ri。
步骤3.2，仿真目标集合为T，T＝{T1,T2,...,Tn}，计算所有目标的回波的方位角范围。记第i个目标的回波方位角范围为
Figure GDA0003077817210000111
其中
Figure GDA0003077817210000112
记目标回波范围集合
Figure GDA0003077817210000113
步骤3.3，逐个计算雷达辐条回波与目标相交情况，记雷达辐条距离采样点数量为S。第j个辐条对应的方位角度Azij为
Figure GDA0003077817210000114
遍历目标回波范围集合Trange，若存在
Figure GDA0003077817210000115
表明第j个辐条能显示第i个目标的回波。图3表示第341号辐条能显示目标T1，第364号辐条能同时显示目标T1和T2。
步骤3.4，根据辐条相交情况计算辐条数据。记与辐条j相交的目标的面积的集合为
Figure GDA0003077817210000116
对雷达辐条采样点按照序号遍历，记第j个雷达辐条的第k个采样点的数值为Spoke(j,k)其中(k＝1,2,...,S)，若
Figure GDA0003077817210000117
则Spoke(j,k)＝1，表示该采样点存在回波，若
Figure GDA0003077817210000118
则Spoke(j,k)＝0，表示该采样点不存在回波。考虑图3情况下，j＝364时，雷达Spoke数据计算示意图如图4表示。
步骤4，依据标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络，具体方法包括：
首先将导航数据和雷达辐条数据按照标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式编码。其次设置网络发送模式以及IP地址和端口号，最后环境数据以UDP数据报文的格式发送至指定地址。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于：
步骤1，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；
步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准GPFPS导航报文数据格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；
步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；
步骤4，依据标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络；
所述步骤2根据无人艇当前状态，按照标准GPFPS导航报文数据格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据各字段的方法包括：
人工设定无人艇当前航向角C0，
获取无人艇当前纵摇值Pitch＝SPsin(2πt/TP+θP)，
获取无人艇当前横摇值Roll＝SRsin(2πt/TR+θR)，
获取无人艇当前升沉值Heave＝SHsin(2πt/TH+θH)，
获取无人艇当前的经纬度坐标λ0+Δλ和
Figure FDA0003077817200000011
获取无人艇当前的东向速度Ve＝V0cos(C0)、北向速度Vn＝V0sin(C0)和天向速度Vu＝SHsin(2πt/TH+θH)′＝2πSH/THcos(2πt/TH+θH)，
其中，所述Sp为纵摇角的摆动幅值，Tp为纵摇角的摆动周期，θp为纵摇角的摆动相位，所述SR为横摇角的摆动幅值，TR为横摇角的摆动周期，θR为横摇角的摆动相位，所述SH为升沉的摆动幅值，TH为升沉的摆动周期，θH为升沉的摆动相位，
Figure FDA0003077817200000021
为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标，Δλ和
Figure FDA0003077817200000022
为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，t为当前时间；
所述步骤2是按照标准GPFPS导航报文数据格式计算无人艇的仿真导航数据，标准GPFPS导航报文数据格式如下：
$GPFPS,GPSWeek,UTCTime ,Heading,Pitch,Roll,Lattitude,Longitude,Altitude,Headdc,Heave,Ve,Vn,Vu,Baseline,NSV1,NSV2,Status*cs<CR><LF>
Figure FDA0003077817200000023
2.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇位移运动模型，获取所述无人艇位移运动模型为无人艇的经纬度坐标
Figure FDA0003077817200000024
其中，Δλ和
Figure FDA0003077817200000025
为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，
Figure FDA0003077817200000026
为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标。
3.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇姿态运动模型，获取所述无人艇姿态运动模型包括无人艇运动到t时刻的
横摇角
Figure FDA0003077817200000031
纵摇角
Figure FDA0003077817200000032
升沉
Figure FDA0003077817200000033
其中，TR,TP,TH分别为无人艇的横摇角摆动周期、纵摇角摆动周期和升沉周期，SR,SP,SH分别为无人艇的横摇角摆动幅值、纵摇角摆动幅值和升沉摆动幅值，θR,θP,θH分别为无人艇的横摇角初始摆动相位、纵摇角初始摆动相位和升沉初始摆动相位。
4.根据权利要求2所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立海上目标运动模型包括获取在t时刻第i个目标相对无人艇的
距离
Figure FDA0003077817200000034
方位
Figure FDA0003077817200000035
其中，
Figure FDA0003077817200000036
Yi t为时刻t第i个目标相对无人艇的位置。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤3具体包括；
步骤3.1，建立雷达辐条数据生成模型，记雷达扫描半径R，雷达转速w，记雷达扫描一周的辐条数为m，一个扫描周期内的辐条编号为j，指向正北的辐条编号j＝0，辐条编号随辐条顺时针排列逐个增加，t时刻仿真目标的数量为n，第i个目标中心点对应的距离为
Figure FDA0003077817200000041
方位为
Figure FDA0003077817200000042
目标回波半径为Ri；
步骤3.2，仿真目标集合为T＝{T1,T2,...,Tn}，计算所有目标的回波的方位角范围，记第i个目标的回波方位角范围为
Figure FDA0003077817200000043
其中，
Figure FDA0003077817200000044
记目标回波范围集合
Figure FDA0003077817200000045
步骤3.3，逐个计算雷达辐条回波与目标相交情况，记雷达辐条距离采样点数量为S，第j个辐条对应的方位角度Azij为
Figure FDA0003077817200000046
遍历目标回波范围集合Trange，若存在
Figure FDA0003077817200000047
则第j个辐条能显示第i个目标的回波；
步骤3.4，根据辐条相交情况计算辐条数据，记与辐条j相交的目标的面积的集合为
Figure FDA0003077817200000048
对雷达辐条采样点按照序号遍历，记第j个雷达辐条的第k个采样点的数值为Spoke(j,k)，其中k＝1，2，...，S，若
Figure FDA0003077817200000049
则Spoke(j,k)＝1，第k个采样点存在回波，若
Figure FDA00030778172000000410
则Spoke(j,k)＝0，第k个采样点不存在回波。
6.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤4的方法包括：首先将导航数据和雷达辐条数据按照标准GPFPS导航报文数据格式和雷达辐条数据格式编码，其次设置网络发送模式以及IP地址和端口号，最后环境数据以UDP数据报文的格式发送至指定地址。
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