CN111273282B - 一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法，确定整个扫描覆盖区域地理范围，建立一个参空间坐标系，用于边界点的相对位置计算，计算雷达扫描区域在OXYZ坐标系Y轴方向的有效范围，计算任意边界点在OXYZ坐标系下的坐标，计算扫描区域边界线的地理范围，通过坐标转换，最终获得一组采用经纬度表示的扫描区域边界点。本发明针对一种具有圆锥状扫描范围的机载雷达，提出了其地面扫描覆盖区域地理位置的计算方法，可以实现雷达在任意扫描角度时地面扫描覆盖区域的计算，对于无人机任务规划或者飞行监控等任务中，雷达扫描区域的可视化提供了计算基础。

Description

一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，尤其是一种无人机机载雷达监控方法。

背景技术

机载雷达是一种常用的无人机目标侦察手段，使用装备在无人机上的雷达对指定地面区域进行扫描，可以发现该区域感兴趣目标并获取其准确地理位置。为了使该类侦察无人机准确高效地完成指定区域的侦察任务，需要根据侦察雷达的工作方式，预先完成相应的任务规划，并在飞行过程中实时监控侦察雷达的扫描区域。由于侦察雷达工作方式的独特性，针对本发明所涉及的侦察无人机，尚无有效的任务规划和任务监控辅助手段。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法。为了解决该类无人机的任务规划和监控问题，本发明可准确计算雷达扫描覆盖区域的地理范围，实现扫描覆盖区域的可视化，用于完成任务规划的有效性评估以及侦察任务的辅助监控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的计算步骤如下：

步骤1：，在以无人机地面投影点为中心的参考地平面上，将雷达地面扫描覆盖区域边界线表征为该平面上的一组离散边界点，通过计算这一组离散边界点的经纬度，实现整个扫描覆盖区域地理范围的计算；

步骤2：建立一个参空间坐标系，用于边界点的相对位置计算；假设雷达执行扫描工作时，飞机飞行平稳，俯仰角和滚转角为0°，以飞机位置的地面投影点为坐标原点，飞机航向方向为Y轴，垂直于地面方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ，则扫描覆盖区域位于XY平面，且关于Y轴对称；

步骤3：计算雷达扫描区域在OXYZ坐标系Y轴方向的有效范围；

根据飞机飞行高度H、雷达框架角α(雷达扫描中心线与飞机中轴线夹角)、雷达扫描视场角θ以及雷达最大扫描距离L₀，计算覆盖区域在Y轴最远点p₁，最近点p₂以及最远有效点p₀，各点的Y坐标计算方法如下：

分别表示p₁，p₂和p₀点的Y轴坐标，进而得到Y轴上有效扫描覆盖范围，当

在Y轴方向的有效扫描范围为

否则有效扫描范围为

步骤4：计算任意边界点在OXYZ坐标系下的坐标；

在步骤3计算出的Y轴有效扫描覆盖范围内任取一点d，过点d作X轴的平行线，与XY平面上的边界曲线相交于d1和d2点，d1和d2点关于Y轴对称；过d点做扫描圆锥体的横截面，e1和e2为截面圆与YZ平面的相交线的端点，直线pp₁和直线pp₂为扫描圆锥面与YZ平面的相交线，e₁e₂为过直线d₁d₂的圆锥截面圆与YZ平面的相交线；首先根据直线pp₁、pp₂以及e₁e₂的相交关系，根据空间几何关系计算e₁,e₂的坐标，计算公式如下：

其中

表示e₁,e₂点的Y轴坐标，

表示e₁,e₂点的Z轴坐标；再根据各点的几何关系计算d₁,d₂的坐标，首先计算过点d的截面圆半径R如下：

然后计算截面圆圆心点e和点d的距离L_ed：

其中y_d为d点的Y坐标，则点d₁,d₂在OXYZ坐标系的坐标分别为：

和

步骤5：计算扫描区域边界线的地理范围；

在步骤2计算所得的Y轴有效扫描覆盖范围内均取N个离散点，按照步骤4计算每一个离散点d对应边界点d₁,d₂的在OXYZ坐标系下的坐标；结合飞机位置经纬度和航向角计算出各边界点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标：

其中(x_p,y_p)为无人机地面投影点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标，φ为无人机航向角，(x_d1,y_d1)为边界点d₁在OXYZ坐标系的XY平面坐标，(x′_d1,y′_d1)为边界点d₁在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标；

根据高斯-克吕格投影直角坐标系与大地坐标系的投影关系，将该高斯直角坐标转换为对应的经纬度坐标，最终获得一组采用经纬度表示的扫描区域边界点。

本发明有益效果针对一种具有圆锥状扫描范围的机载雷达，提出了其地面扫描覆盖区域地理位置的计算方法，可以实现雷达在任意扫描角度时地面扫描覆盖区域的计算。本发明对于无人机任务规划或者飞行监控等任务中，雷达扫描区域的可视化提供了计算基础。

附图说明

图1是本发明机载雷达扫描区域示意图。

图2是本发明机载雷达扫描区域解析图。

图3是本发明机载雷达扫描区域截面图。

图4是本发明本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明涉及的无人机机载雷达工作过程示意图如图1所示。雷达安装在无人机机头位置，其立体扫描范围为圆锥状，扫描中心线位于飞机侧平面上。无人机飞行过程中雷达按一定扫描角度对地面进行持续扫描，扫描到地面目标的有效区域可表示为扫描圆锥体与地平面相切部分，基本扫描形状如图1所示。为了在无人机任务规划，或者飞行监控过程中实现雷达扫描区域的可视化，就需要实时计算无人机飞行过程中，雷达地面扫描覆盖区域的准确地理位置。本发明针对这类问题提出了一种适于计算机实现的计算方法。

现结合附图说明本发明所述方法的具体实现过程。假设雷达工作时飞机飞行平稳，飞机在某一时刻位姿表示为(B,L,H,φ,0,0),其中B为纬度，L为经度，H为高度，φ为航向角，飞机俯仰和滚转角为0°。根据本发明，雷达扫描覆盖区域计算的具体实施过程如下：

步骤1：，在以无人机地面投影点为中心的参考地平面上，将雷达地面扫描覆盖区域边界线表征为该平面上的一组离散边界点，通过计算这一组离散边界点的经纬度，实现整个扫描覆盖区域地理范围的计算；

步骤2：建立一个参空间坐标系，用于边界点的相对位置计算；假设雷达执行扫描工作时，飞机飞行平稳，俯仰角和滚转角为0°，以飞机位置的地面投影点为坐标原点，飞机航向方向为Y轴，垂直于地面方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ，则扫描覆盖区域位于XY平面，且关于Y轴对称，扫描区域基本形状如图2所示。

步骤3：计算雷达扫描区域在OXYZ坐标系Y轴方向的有效范围；

根据飞机飞行高度H、雷达框架角α(雷达扫描中心线与飞机中轴线夹角)、雷达扫描视场角θ以及雷达最大扫描距离L₀，计算覆盖区域在Y轴最远点p₁，最近点p₂以及最远有效点p₀，如图2所示，各点的Y坐标计算方法如下：

分别表示p₁，p₂和p₀点的Y轴坐标，进而得到Y轴上有效扫描覆盖范围，当

在Y轴方向的有效扫描范围为

否则有效扫描范围为

步骤4：计算任意边界点在OXYZ坐标系下的坐标；

在步骤3计算出的Y轴有效扫描覆盖范围内任取一点d，过点d作X轴的平行线，与XY平面上的边界曲线相交于d1和d2点，如图2所示，d1和d2点关于Y轴对称；过d点做扫描圆锥体的横截面如图3所示，e1和e2为截面圆与YZ平面的相交线的端点，如图2所示，直线pp₁和直线pp₂为扫描圆锥面与YZ平面的相交线，e₁e₂为过直线d₁d₂的圆锥截面圆与YZ平面的相交线；首先根据直线pp₁、pp₂以及e₁e₂的相交关系，根据空间几何关系计算e₁,e₂的坐标，计算公式如下：

其中

表示e₁,e₂点的Y轴坐标，

表示e₁,e₂点的Z轴坐标；再根据图3所示各点的几何关系计算d₁,d₂的坐标，首先计算过点d的截面圆半径R如下：

然后计算截面圆圆心点e和点d的距离L_ed：

其中y_d为d点的Y坐标，则点d₁,d₂在OXYZ坐标系的坐标分别为：

和

步骤5：计算扫描区域边界线的地理范围；

在步骤2计算所得的Y轴有效扫描覆盖范围内均取N个离散点，按照步骤4计算每一个离散点d对应边界点d₁,d₂的在OXYZ坐标系下的坐标；结合飞机位置经纬度和航向角计算出各边界点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标：

其中(x_p,y_p)为无人机地面投影点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标，φ为无人机航向角，(x_d1,y_d1)为边界点d₁在OXYZ坐标系的XY平面坐标，(x′_d1,y′_d1)为边界点d₁在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标；

根据高斯-克吕格投影直角坐标系与大地坐标系的投影关系，将该高斯直角坐标转换为对应的经纬度坐标，最终获得一组采用经纬度表示的扫描区域边界点。

实施例如下：

1)以飞机投影点为原点建立空间直角坐标系OXYZ，如图2所示。飞机位于p点，坐标原点O为飞机位置p垂直于地面的投影点，Y轴与飞机的航向平行，Z轴垂直于地面向上。雷达工作时其扫描覆盖区域如图2中虚线区域所示，该区域位于坐标系OXYZ的XY平面上，且关于Y轴对称。

2)计算雷达扫描区域在OXYZ坐标系Y轴方向的有效范围。设雷达框架角(雷达扫描轴线与飞机中轴线夹角)为α(逆时针为正)，扫描视场范围角θ，雷达最大扫描距离为L₀，飞机当前高度为H。此时，扫描区域在Y轴的最远点表示为p₁，最近点表示为p₂，与雷达最大扫描距离对应的有效扫描距离点表示为p₀。记直线pp₁与Y轴的夹角为β₁＝α+θ/2，直线pp₂与Y轴的夹角为β₂＝α-θ/2，直线pp₀于与Y轴的夹角为β₀＝-arcsin(H/L₀)。则对于雷达扫描覆盖区域的中轴线上任意一点d，其在Y轴方向有效范围为：

其中y_d表示扫描区域内任意一点d的Y轴坐标，H为飞机当前高度，β₁,β₂,β₀分别为直线pp₁,pp₂,pp₀与Y轴的夹角。

3)计算雷达扫描覆盖区域边界线任意一点的坐标。对于扫描区域中轴线上任意一点d，其对应的边界线上的点d₁,d₂如图2所示。点d₁,d₂的Y坐标即为y_d，Z坐标为0，X坐标计算方法如下：

过点d做垂直于扫描圆锥体中心线的截面如图3所示，截面为圆形，中心点记为e，则边界点d₁,d₂为截面与XY平面相交线的两端点。记该截面与YZ平面相交线的两个端点为e₁,e₂，则e₁,e₂分为位于直线pp₁和pp₂上。直线pp₁、pp₂和e₁e₂在YZ平面的直线方程为：

则e₁,e₂在YZ平面分别为直线pp₁和直线pp₂与直线e₁e₂的交点，根据上述直线方程可得点e₁在YZ平面的坐标为：

点e₂在YZ平面的坐标为：

根据e₁,e₂两点坐标计算得图3中截面圆的半径R：

线段ed的长度D为：

根据图3所示各点的几何关系可得线段dd₁或dd₂的长度为

按上述计算最终可得点d₁,d₂的X坐标为

如图3所示，R为扫描圆锥面过点d的截面圆半径，D为截面圆圆心点e与点d的距离；

4)计算扫描区域边界线的地理范围。在步骤(2)计算的扫描区域Y轴范围内等距取N个离散点，对于任一离散点d,根据步骤(3)计算其对应的扫描区域边界点d₁,d₂在XY平面的坐标(x_d1,y_d1)和(x_d2,y_d2)：

其中y_d表示扫描区域内任意一点d的Y轴坐标。

设无人机在点p处的位姿参数为(B,L,H,φ,0,0)，首先根据大地坐标系与高斯-克吕格投影直角坐标系的投影关系，计算其在高斯-克吕格投影直角坐标系下的坐标(x_p,y_p)(地理坐标系转换通用计算公式)，然后计算Y轴上的离散点d对应的两个边界点d₁,d₂在高斯-克吕格投影直角坐标系下的坐标(x′_d1,y′_d1)，(x′_d2,y′_d2)：

再将该直角坐标转换为对应的经纬度坐标。

对于扫描区域在Y轴有效范围内等距取的N个离散点，按照上述计算方法依次计算每一个离散点d对应的两个扫描区域边界点d₁,d₂的经纬度坐标，最终生成由2N的边界点组成的扫描区域边界点集，根据每一个边界点的经纬度可在地图上绘制出相应的扫描覆盖区域图形。

Claims (1)

1.一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：在以无人机地面投影点为中心的参考地平面上，将雷达地面扫描覆盖区域边界线表征为该平面上的一组离散边界点，通过计算这一组离散边界点的经纬度，实现整个扫描覆盖区域地理范围的计算；

步骤2：建立一个参空间坐标系，用于边界点的相对位置计算；假设雷达执行扫描工作时，飞机飞行平稳，俯仰角和滚转角为0°，以飞机位置的地面投影点为坐标原点，飞机航向方向为Y轴，垂直于地面方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ，则扫描覆盖区域位于XY平面，且关于Y轴对称；

步骤3：计算雷达扫描区域在OXYZ坐标系Y轴方向的有效范围；

根据飞机飞行高度H、雷达框架角α即雷达扫描中心线与飞机中轴线夹角、雷达扫描视场角θ以及雷达最大扫描距离L₀，计算覆盖区域在Y轴最远点p₁，最近点p₂以及最远有效点p₀，各点的Y坐标计算方法如下：

分别表示p₁，p₂和p₀点的Y轴坐标，进而得到Y轴上有效扫描覆盖范围，当

在Y轴方向的有效扫描范围为

否则有效扫描范围为

步骤4：计算任意边界点在OXYZ坐标系下的坐标；

在步骤3计算出的Y轴有效扫描覆盖范围内任取一点d，过点d作X轴的平行线，与XY平面上的边界曲线相交于d₁和d₂点，d₁和d₂关于Y轴对称；过d点做扫描圆锥体的横截面，e₁和e₂为截面圆与YZ平面的相交线的端点，直线pp₁和直线pp₂为扫描圆锥面与YZ平面的相交线，e₁e₂为过直线d₁d₂的圆锥截面圆与YZ平面的相交线；首先根据直线pp₁、pp₂以及e₁e₂的相交关系，根据空间几何关系计算e₁,e₂的坐标，计算公式如下：

其中

表示e₁,e₂点的Y轴坐标，

表示e₁,e₂点的Z轴坐标；再根据各点的几何关系计算d₁,d₂的坐标，首先计算过点d的截面圆半径R如下：

然后计算截面圆圆心点e和点d的距离L_ed：

其中y_d为d点的Y坐标，则点d₁,d₂在OXYZ坐标系的坐标分别为：

和

步骤5：计算扫描区域边界线的地理范围；

在步骤2计算所得的Y轴有效扫描覆盖范围内均取N个离散点，按照步骤4计算每一个离散点d对应边界点d₁,d₂的在OXYZ坐标系下的坐标；结合飞机位置经纬度和航向角计算出各边界点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标：

其中(x_p,y_p)为无人机地面投影点在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标，φ为无人机航向角，

为边界点d₁在OXYZ坐标系的XY平面坐标，

为边界点d₁在高斯-克吕格投影直角坐标系下的地理坐标；

根据高斯-克吕格投影直角坐标系与大地坐标系的投影关系，将高斯直角坐标转换为对应的经纬度坐标，最终获得一组采用经纬度表示的扫描区域边界点。

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