CN111125948A - 基于网格船位布设计算的速度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天测控技术领域中测量船船位布设计算技术领域，具体涉及一种基于网格船位布设计算的速度优化方法。所述优化方法包括：计算弹道海上测控弧段首尾向下海面布船区域，分别取交集，并进行网格粗分；将满足条件的粗网格按照精度要求进行网格细分，获得细网格；记录连续N天的满足约束的细网格，获得精细网格点；根据符合要求的精细网格点，计算部署区域所形成的外接凸多边形；则该多边形内区域为一艘测量船连续N天对多弹道进行测控要求的区域。该方法在保证船位部署计算的全面性和准确性前提下，很大程度减小了计算量，提高计算效率。

Description

基于网格船位布设计算的速度优化方法

技术领域

本发明属于航天测控技术领域中测量船船位布设计算技术领域，具体涉及一种基于网格船位布设计算的速度优化方法。

背景技术

航天器从发射到进入使命轨道，期间有多个关键测控弧段，其中入轨段、几次近地点变轨段等关键测控弧段只有海上测量船能够提供测控支持。传统测量船船位布设多由测量人员手动计算并绘制测量船工作曲线，这种方法工作量大，经验性强，难以适应大规模、高频率的海上测量任务需求。目前一种基于精细网格的船位布设计算方法利用计算机解决了传统人工手算测量船位布设区域的问题。然而基于精细网格的完全循环遍历的计算量级随着测量船数量增加、任务天数的增加成指数级增长，计算效率较低。为了满足航天测控任务的需要，提高船位布设计算效率，有必要针对基于精细网格船位布设计算的实现方法进行改进，降低计算量，提高计算速度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在基于精细网格的测量船船位布设计算中，随着测量船数量增加、任务天数增加而导致的计算量大，计算耗时长的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于网格船位布设计算的速度优化方法，所述优化方法包括：

步骤1：计算一天内多条弹道海上测控弧段首尾向下海面布船区域，分别取交集，并将布船区域交集进行网格粗分；

步骤2：循环遍历计算区域中每一个粗分网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的粗网格；

步骤3：将满足条件的粗网格按照精度要求进行网格细分，获得细网格；

步骤4：在满足条件的粗网格中，循环遍历计算每一个细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的细网格；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直到细网格的网格精度满足任务要求停止计算；

步骤6：记录连续N天的满足约束的细网格，获得精细网格点；

步骤7：根据符合要求的精细网格点，计算部署区域所形成的外接凸多边形；

则该多边形内区域为一艘测量船连续N天对多弹道进行测控要求的区域。

其中，所述步骤1中，计算第一天多条弹道海上飞行段的起点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域A；同时计算第一天多条弹道海上飞行段的终点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域B。

其中，所述步骤1中，有两种情况：第一种情况，若区域A和区域B有交集区域C，则在区域C布设一艘测量船即可满足第一天的测控要求；第二种情况，若区域A和区域B没有交集，则说明该任务需要两艘或以上的测量船进行测控。

其中，所述步骤1的第一种情况下，因区域较小且仅需要一艘测量船，可按照计算精度要求将区域C进行经、纬划分，直接形成多个精细网格，并根据步骤2循环遍历计算区域C中每一个精细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录能够满足全弧段可见性与链路通信的精细网格。

其中，所述步骤1的第二种情况下，将区域A和区域B进行初步经、纬网格粗分，并根据步骤2循环遍历计算区域A中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，同时计算区域B中测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况；找到能够满足对火箭弹道测控全覆盖的区域A中的网格M₁A_i和区域B中的网格M₁B_j，形成粗网格对M₁A_i和M₁B_j。

其中，所述步骤3及步骤4中，将找到的所有粗网格对M₁A_i和M₁B_j进行网格细分，循环遍历计算每一个细分网格中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，以及测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况，记录在区域A和区域B的粗网格对中能够满足全弧段可见性与链路通信的细网格对。

其中，所述步骤5中，对细网格对再进一步划分，重复步骤3、步骤4，直到网格精度满足任务要求，且同时满足对相应测控弧段可见性和链路通信全覆盖时停止计算，记录所有找到的细网格对M₁SA_i和M₁SB_j。

其中，所述步骤6中，按照步骤1～步骤5的方法，分别计算对第二天、第三天…、第N天发射弹道的测控覆盖性能；记录第二天、第三天…、第N天的满足可见性和链路通信约束的细网格对M₂SA_i和M₂SB_j，M₃SA_i和M₃SB_j…，M_NSA_i和M_NSB_j。

其中，所述步骤6中，根据测量船每天移动的距离D为半径，以第一天布船区域中的某一细网格M₁SA_i为圆心做圆，该圆所覆盖的区域与第二天的布船区域的交集即为第二天测量船对应某一网格的可布设区域，对第一天布船区域中所有网格遍历计算，可得到测量船第一天布船区域中每个细网格对应的第二天布船区域，获得第二天对应的测量船布船精细网格点；

然后按照上述方式计算第三天、…、第N天对应的测量船布船精细网格点。

其中，所述步骤7中，对于步骤6中记录下来的精细网格点，按照如下规则计算测量船船位布设区域所形成的外接凸多边形；

将所有离散点构建的区域包络起来形成最终的船位布设区域；定义坐标系经度轴为X轴，纬度轴为Y轴；

计算过程如下：

1)对于所述步骤6中记录下来的各自处于离散状态的精细网格点，在离散点中，找到一点，保证y坐标最大情况下，x坐标最小点，记为A₁点；

2)以A₁点为原点，X轴正向射线A₁x顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为B₁点；

3)以B1点为原点，A₁B₁方向射线A₁B₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记作C₁点；

4)以C₁点为原点，B₁ C₁方向射线B₁C₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为D₁点；

以此类推，直到找到起始点A₁；由此形成起始点为A₁点，最重点也为A₁点的外接凸多边形。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明采用一种基于网格的船位布设计算优化方案，在保证船位部署计算的全面性和准确性前提下，很大程度减小了计算量，提高计算效率。

附图说明

图1为覆盖区域细分优化示意图。

图2为凸多边形计算方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明提供一种基于网格船位布设计算的速度优化方法，所述优化方法能够解决基于网格计算船位中计算重复、计算量大的问题，有效的提升计算效率；

所述优化方法包括：

步骤1：计算一天内多条弹道海上测控弧段首尾向下海面布船区域，分别取交集，并将布船区域交集进行网格粗分；

步骤2：循环遍历计算区域中每一个粗分网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的粗网格；

步骤3：将满足条件的粗网格按照精度要求进行网格细分，获得细网格；

步骤4：在满足条件的粗网格中，循环遍历计算每一个细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的细网格；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直到细网格的网格精度满足任务要求停止计算；

步骤6：记录连续N天的满足约束的细网格，获得精细网格点，并剔除不符合要求的船位点；

步骤7：根据符合要求的精细网格点，计算部署区域所形成的外接凸多边形；

则该多边形内区域为一艘测量船连续N天对多弹道进行测控要求的区域。

其中，所述步骤1中，计算第一天多条弹道海上飞行段的起点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域A；同时计算第一天多条弹道海上飞行段的终点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域B。

其中，所述步骤1中，有两种情况：第一种情况，若区域A和区域B有交集区域C，则在区域C布设一艘测量船即可满足第一天的测控要求；第二种情况，若区域A和区域B没有交集，则说明该任务需要两艘或以上的测量船进行测控。

其中，所述步骤1的第一种情况下，因区域较小且仅需要一艘测量船，可按照计算精度要求将区域C进行经、纬划分，直接形成多个精细网格，并根据步骤2循环遍历计算区域C中每一个精细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录能够满足全弧段可见性与链路通信的精细网格。

其中，所述步骤1的第二种情况下，将区域A和区域B进行初步经、纬网格粗分，并根据步骤2循环遍历计算区域A中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，同时计算区域B中测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况；找到能够满足对火箭弹道测控全覆盖的区域A中的网格M₁A_i和区域B中的网格M₁B_j，形成粗网格对M₁A_i和M₁B_j。

其中，所述步骤3及步骤4中，将找到的所有粗网格对M₁A_i和M₁B_j进行网格细分，循环遍历计算每一个细分网格中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，以及测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况，记录在区域A和区域B的粗网格对中能够满足全弧段可见性与链路通信的细网格对。

其中，所述步骤5中，对细网格对再进一步划分，重复步骤3、步骤4，直到网格精度满足任务要求，且同时满足对相应测控弧段可见性和链路通信全覆盖时停止计算，记录所有找到的细网格对M₁SA_i和M₁SB_j。

其中，所述步骤6中，按照步骤1～步骤5的方法，分别计算对第二天、第三天…、第N天发射弹道的测控覆盖性能；记录第二天、第三天…、第N天的满足可见性和链路通信约束的细网格对M₂SA_i和M₂SB_j，M₃SA_i和M₃SB_j…，M_NSA_i和M_NSB_j。

其中，所述步骤6中，根据测量船每天移动的距离D为半径，以第一天布船区域中的某一细网格M₁SA_i为圆心做圆，该圆所覆盖的区域与第二天的布船区域的交集即为第二天测量船对应某一网格的可布设区域，对第一天布船区域中所有网格遍历计算，可得到测量船第一天布船区域中每个细网格对应的第二天布船区域，获得第二天对应的测量船布船精细网格点；

然后按照上述方式计算第三天、…、第N天对应的测量船布船精细网格点。

其中，所述步骤7中，对于步骤6中记录下来的精细网格点，按照如下规则计算测量船船位布设区域所形成的外接凸多边形；

将所有离散点构建的区域包络起来形成最终的船位布设区域；定义坐标系经度轴为X轴，纬度轴为Y轴；

计算过程如下：

1)对于所述步骤6中记录下来的各自处于离散状态的精细网格点，在离散点中，找到一点，保证y坐标最大情况下，x坐标最小点，记为A₁点；

2)以A₁点为原点，X轴正向射线A₁x顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为B₁点；

3)以B1点为原点，A₁B₁方向射线A₁B₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记作C₁点；

4)以C₁点为原点，B₁ C₁方向射线B₁C₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为D₁点；

以此类推，直到找到起始点A₁；由此形成起始点为A₁点，最重点也为A₁点的外接凸多边形。

实施例1

以运载火箭发射至星箭分离前后，运载火箭海上飞行段需要1艘以上测量船完成多天、多条发射弹道在一定区间内的连续跟踪测控为例，结合附图对本发明的具体实施进行说明。具体步骤如下：

步骤一、计算第一天多条弹道海上飞行段的起点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域A；同时计算第一天多条弹道海上飞行段的终点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域B。

此时有两种情况：第一种情况，若区域A和区域B有交集区域C，则在区域C布设一艘测量船即可满足第一天的测控要求；第二种情况，若区域A和区域B没有交集，则说明该任务需要两艘或以上的测量船进行测控。

步骤二、第一种情况下，因区域较小且仅需要一艘测量船，可按照计算精度要求将区域C进行经、纬划分，形成多个精细网格，循环遍历计算区域C中每一个网格对关键弧段的可见性和链路通信情况，记录能够满足全弧段可见性与链路通信的网格。

步骤三、第二种情况下，将区域A和区域B进行初步经、纬网格粗分，循环遍历计算区域A中测量船S_A对相应测控弹道的可见性和链路通信情况，同时计算区域B中测量船S_B对应的测控弹道的可见性和链路通信情况。找到能够满足对火箭弹道测控全覆盖的区域A中的网格M₁A_i和区域B中的网格M₁B_j，形成粗网格对M₁A_i和M₁B_j；

网格粗分方法如下，以海上飞行段起点对应的海面布船圆形区域为例：

计算该圆形区域的直径D，经过多次任务分析，D的值在1000公里到3000公里之间。为了保证第一次粗分的计算效率，经过多次计算试验得出，当D∈(1000,2000)公里时，粗分网格步长d为100公里；当D∈(2000,3000)公里时，粗分网格步长d为200公里；

步骤四、将步骤三中找到的所有粗网格对M₁A_i和M₁B_j进行网格细分，循环遍历计算每一个细分网格中测量船S_A对相应测控弹道的可见性和链路通信情况，以及测量船S_B对应的测控弹道的可见性和链路通信情况，记录在区域A和区域B的粗网格对中能够满足全弧段可见性与链路通信的细网格对。

网格细分方法如下。

如图1所示。A、B为海上飞行段起点和终点，圆C和圆D分别为起点、终点的海上覆盖区域，∠α为天线最大仰角值，起点星下点高度为h，O点为圆C和圆D圆心连线的中点。对于火箭发射海上测控任务来说，相关约束有测量船数量(N)、星下点距离(h)，天线仰角范围、任务弧段长度等。根据相关约束条件得出：

细分网格步长d'为：

d'＝d·Δ

步骤五、对细网格再进一步划分，重复步骤四、步骤五，直到网格精度满足任务要求，且同时满足对相应测控弹道可见性和链路通信全覆盖时停止计算，记录所有找到的精细网格对M₁SA_i和M₁SB_j。

步骤六、按照步骤一～步骤五的方法，分别计算对第二天、第三天…、第N天发射弹道的测控覆盖性能。记录第二天、第三天…、第N天的满足可见性和链路通信约束的细网格对M₂SA_i和M₂SB_j，M₃SA_i和M₃SB_j…，M_NSA_i和M_NSB_j；

步骤七、根据测量船每天移动的距离D为半径，以第一天布船区域中的某一网格M₁SA_i为圆心做圆，该圆所覆盖的区域与第二天的布船区域的交集即为第二天测量船对应某一网格的可布设区域，对第一天布船区域中所有网格遍历计算，可得到测量船第一天布船区域中每个网格对应的第二天布船区域。

步骤八、按照步骤七的方法计算第三天、…、第N天对应的测量船布船精细网格点。

步骤九、对于步骤八中记录下来的点，按照如下规则计算测量船船位布设区域所形成的外接凸多边形。

将所有离散点构建的区域包络起来形成最终的船位布设区域。计算方法如图2所示，图中X轴为经度轴，Y轴为纬度轴。

计算过程如下：

1)找到离散点中，保证y坐标最大情况下，x坐标最小点，记为A点；

2)以A点为原点，X轴正向射线Ax顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为B点；

3)以B点为原点，AB方向射线AB顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记作C点；

4)以C点为原点，BC方向射线BC顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为D点；

以此类推，直到找到起始点A。

步骤十、若在步骤五中直到网格精度达到任务要求时仍没有找到网格对M₁A_i和M₁B_j，则说明需要至少三艘测量船进行测控任务。此时，取各弹道海上飞行测控段首尾中间点在海面的测控区域的交集D为第三艘测量船的可布设区域。将区域A、B、D按照步骤四～步骤十的方法进行由粗到细的网格划分，并同时计算测量船S_A、测量船S_B和测量船S_D所对应的测控弹道的可见性和链路通信情况。记录连续N天能够对火箭弹道全覆盖的网格对，并根据测量船每天移动距离约束找到合适的船位部署区域。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述优化方法包括：

步骤1：计算一天内多条弹道海上测控弧段首尾向下海面布船区域，分别取交集，并将布船区域交集进行网格粗分；

步骤2：循环遍历计算区域中每一个粗分网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的粗网格；

步骤3：将满足条件的粗网格按照精度要求进行网格细分，获得细网格；

步骤4：在满足条件的粗网格中，循环遍历计算每一个细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录满足要求的细网格；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直到细网格的网格精度满足任务要求停止计算；

步骤6：记录连续N天的满足约束的细网格，获得精细网格点；

步骤7：根据符合要求的精细网格点，计算部署区域所形成的外接凸多边形；

则该多边形内区域为一艘测量船连续N天对多弹道进行测控要求的区域。

2.如权利要求1所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤1中，计算第一天多条弹道海上飞行段的起点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域A；同时计算第一天多条弹道海上飞行段的终点对应的多个海面布船区域，取区域的交集为区域B。

3.如权利要求2所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤1中，有两种情况：第一种情况，若区域A和区域B有交集区域C，则在区域C布设一艘测量船即可满足第一天的测控要求；第二种情况，若区域A和区域B没有交集，则说明该任务需要两艘或以上的测量船进行测控。

4.如权利要求3所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤1的第一种情况下，因区域较小且仅需要一艘测量船，可按照计算精度要求将区域C进行经、纬划分，直接形成多个精细网格，并根据步骤2循环遍历计算区域C中每一个精细网格对测控弧段的可见性和链路通信情况，记录能够满足全弧段可见性与链路通信的精细网格。

5.如权利要求4所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤1的第二种情况下，将区域A和区域B进行初步经、纬网格粗分，并根据步骤2循环遍历计算区域A中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，同时计算区域B中测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况；找到能够满足对火箭弹道测控全覆盖的区域A中的网格M₁A_i和区域B中的网格M₁B_j，形成粗网格对M₁A_i和M₁B_j。

6.如权利要求5所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤3及步骤4中，将找到的所有粗网格对M₁A_i和M₁B_j进行网格细分，循环遍历计算每一个细分网格中测量船S_A对相应测控弧段的可见性和链路通信情况，以及测量船S_B对应的测控弧段的可见性和链路通信情况，记录在区域A和区域B的粗网格对中能够满足全弧段可见性与链路通信的细网格对。

7.如权利要求6所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤5中，对细网格对再进一步划分，重复步骤3、步骤4，直到网格精度满足任务要求，且同时满足对相应测控弧段可见性和链路通信全覆盖时停止计算，记录所有找到的细网格对M₁SA_i和M₁SB_j。

8.如权利要求5所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤6中，按照步骤1～步骤5的方法，分别计算对第二天、第三天…、第N天发射弹道的测控覆盖性能；记录第二天、第三天…、第N天的满足可见性和链路通信约束的细网格对M₂SA_i和M₂SB_j，M₃SA_i和M₃SB_j…，M_NSA_i和M_NSB_j。

9.如权利要求5所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤6中，根据测量船每天移动的距离D为半径，以第一天布船区域中的某一细网格M₁SA_i为圆心做圆，该圆所覆盖的区域与第二天的布船区域的交集即为第二天测量船对应某一网格的可布设区域，对第一天布船区域中所有网格遍历计算，可得到测量船第一天布船区域中每个细网格对应的第二天布船区域，获得第二天对应的测量船布船精细网格点；

然后按照上述方式计算第三天、…、第N天对应的测量船布船精细网格点。

10.如权利要求9所述的基于网格船位布设计算的速度优化方法，其特征在于，所述步骤7中，对于步骤6中记录下来的精细网格点，按照如下规则计算测量船船位布设区域所形成的外接凸多边形；

将所有离散点构建的区域包络起来形成最终的船位布设区域；定义坐标系经度轴为X轴，纬度轴为Y轴；

计算过程如下：

1)对于所述步骤6中记录下来的各自处于离散状态的精细网格点，在离散点中，找到一点，保证y坐标最大情况下，x坐标最小点，记为A₁点；

2)以A₁点为原点，X轴正向射线A₁x顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为B₁点；

3)以B1点为原点，A₁B₁方向射线A₁B₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记作C₁点；

4)以C₁点为原点，B₁ C₁方向射线B₁C₁顺时针扫描，找到旋转角最小时扫描到的点，记为D₁点；

以此类推，直到找到起始点A₁；由此形成起始点为A₁点，最重点也为A₁点的外接凸多边形。

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