CN112197762A - 一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，包括以下步骤：建立目标‑地理先验知识库，所述目标‑地理先验知识库包括目标信息、地理信息和平台信息；飞行员在机上根据收到的任务信息，进行目标‑地理信息匹配计算，以确定任务区域半径，并从目标‑地理先验知识库选择以丢失位置为中心，覆盖任务区域的地理信息；在所选取的覆盖任务区域的地理信息中，以目标丢失位置为起点，对目标所处多个点钟方向，分别计算目标路径方向通过时间；基于所述通过时间，确定各点钟方向上最后一个网格点，由此得到目标短时运动轮廓；在目标短时运动轮廓中，飞行员进行可达性、探测覆盖率的计算并进行目标追踪的任务规划。

Description

一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法

技术领域

本发明涉及辅助决策领域，具体涉及一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法。

背景技术

直升机可能会接到突发目标搜索请求，需要在平原、丘陵、山区等野外环境下执行紧急任务，但通常只有目标类别、暴露位置、暴露时间等有限信息，且目标一般已逃脱跟踪。考虑到直升机机动时间和野外环境运动状态复杂性，需要利用有限目标信息和地理环境信息对目标短时机动位置范围进行预测估计，帮助机组人员确定搜索区域和计划，提高突发搜索任务执行效率。

目前现有地面目标位置估计方法可以分为四类，第一类是利用雷达等传感器进行主动跟踪过程中的参数估计；第二类是多机协同探测位置估计；第三类是利用模糊估计等方法对观测结果进行预测更新；第四类是利用先验知识对目标位置进行预测估计。考虑到目标丢失跟踪，存在观测空窗期的场景，前三类方法已不再适用。基于地面道路信息形成道路地图查找表，确定目标运动模型库，包括模型状态转移矩阵、过程噪声协方差矩阵和模型间转移概率矩阵，利用滤波器进行概率计算和多目标状态估计，适用于城市环境，且对模型参数准确性有较高要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，用于克服现有搜索算法不能很好地适用于野外环境下机动目标搜索的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，包括以下步骤：

建立目标-地理先验知识库，所述目标-地理先验知识库包括目标信息、地理信息和平台信息，其中目标信息包括目标类别，以及每个目标类别在不同地质情况下的平均速度和最大运动速度；地理信息包括地图网格经度、网格高度；

飞行员在机上根据收到的任务信息，进行目标-地理信息匹配计算，以确定任务区域半径，并从目标-地理先验知识库选择以丢失位置为中心，覆盖任务区域的地理信息；

在所选取的覆盖任务区域的地理信息中，以目标丢失位置为起点，对目标所处多个点钟方向，分别计算目标路径方向通过时间；

基于所述通过时间，确定各点钟方向上最后一个网格点，由此得到目标短时运动轮廓：

在目标短时运动轮廓中，飞行员进行可达性、探测覆盖率的计算并进行目标追踪的任务规划。

进一步地，所述目标-地理先验知识库还包括平台信息，平台信息包括飞行包络、探测能力、勤务保障；在目标短时运动轮廓中飞行员通过平台信息进行可达性、探测覆盖率的计算。

进一步地，目标信息的具体设置方式为：

建立二维关联数组，其中二维关联数组的横坐标是车辆类型和地质情况，纵坐标为平均运动及最大运动速度。

进一步地，所述地理信息从地理信息系统中获取矢量地图、数字高程模型DEM、遥感影像地图资源，并转换为机载格式，地理信息需要进行定期更新，更新周期依据任务区域变化情况而确定。

进一步地，所述根据收到的任务信息，进行目标-地理信息匹配计算，以确定任务区域半径，包括：

根据收到的任务信息中目标丢失位置p_t0、丢失时间t₀，结合本机位置p_h0、出动时间t_h0、巡航速度v_h，计算任务区域半径R₀：

其中，L₁()为L1范数计算，α为裕度系数，一般设置为1～1.5。

进一步地，所述分别计算目标路径方向通过时间，其中每个网格对应通过时间计算如下：

其中，d_map表示地图网格精度，v_map_i，j表示i点钟第j个网格对应通行速率，h_i，j表示i点钟第j个网格对应海拔高度，v_climb表示目标爬坡速率。

进一步地，所述基于所述通过时间，确定各点钟方向上最后一个网格点，由此得到目标短时运动轮廓，包括：

以T分钟目标可能运动范围为一个轮廓段，对各点钟方向上的网格通过时间进行累加，则每个轮廓段上最后一个网格点(i，n)通过以下公式确定：

则满足上述公式的最大的n即为该轮廓段上在i点钟方向的最后一个网格点；其中n表示对应第N条轮廓段的网格点；

把每个点钟方向上最后一个网格点依次连接起来所围成的范围即为目标短时运动轮廓。

进一步地，所述可达性的计算表示为：

以本机场站位置P为起点，对应时间为T，对应N为轮廓段，距离每个点钟方向对应n的距离，若每个点钟对应网格位置均满足以下公式，则满足可达性要求：

p_i，n为第i点钟第n个网格的位置，L₁()为L1范数计算，v_h为巡航速度。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明针对野外环境下直升机执行突发目标搜索任务需求，利用有限情报信息和先验知识，生成基于点钟方向的地面机动目标短时运动轮廓，计算速度快，所需资源少，处理结果直观，可辅助机组人员进行快速任务决策。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为一种目标-地理先验知识库的示意图；

图3为基于点钟方向的野外机动目标短时位置轮廓估计示意。

具体实施方式

本发明提出了一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，主要步骤如图1所示，包括：

S1，建立目标-地理先验知识库

目标-地理先验知识库主要包括目标信息、地理信息和平台信息，如图2所示，其中：

目标信息包括目标类别、平均运动及最大运动速度；其中目标类别主要是车辆类型；平均运动及最大运动速度与车辆类型和地质情况相关，需要建立二维关联数组，其中二维关联数组的横坐标例如可以是车辆类型和地质情况，纵坐标为平均运动及最大运动速度，方便后续查表。目标信息通过对大量同类目标的采样获取并保存。

地理信息包括网格精度、网格高度、表面地质等，具体获取方法为：从地理信息系统中获取矢量地图、数字高程模型DEM、遥感影像等地图资源，并转换为机载格式，网格精度指DEM地图栅格分辨率，现有30米精度公开数据集已可满足本发明中对野外机动目标位置估计的需求；网格高度只当前网格海拔高度，一般为float类型；表面地质包括草地、林地、耕地、岩地、岸滩、水系等，一般需要对光学/红外/高光谱遥感影像等进行处理，提取和生成地理表面地质信息；地理信息需要进行定期更新，更新周期依据任务区域变化情况而确定。

平台信息包括飞行包络、探测能力、勤务保障等，飞行包络包括速度-高度-耗油率等平台飞行性能；探测能力包括传感器类型、传感器探测范围、传感器探测分辨率等；勤务保障包括平台完好率、设备完好率、人员状态、出动时间等。平台信息通过飞机自带的使用手册、勤务保障系统来获取相关数据。

S2，目标-地理信息匹配

飞行员在机上根据收到的任务信息，进行目标-地理信息匹配计算，具体如下：

S2.1，根据收到的任务信息中对目标属性的描述以及目标所处地的地质类型，在目标-地理先验知识库中匹配目标类别，从先验知识库中提取该目标类别的最大运动速度v_max；

S2.2，根据收到的任务信息中目标丢失位置p_t0、丢失时间t₀，结合本机位置p_h0、出动时间t_h0、巡航速度v_h，计算任务区域半径R₀：

其中，L₁()为L1范数计算，α为裕度系数，一般设置为1～1.5。

S2.3，根据目标丢失位置和任务区域半径，从目标-地理先验知识库选择以丢失位置为中心，覆盖任务区域的地理信息；

S3，基于地理信息的目标点钟方向运动时间计算

在所选取的覆盖任务区域的地理信息中，以目标丢失位置为起点，以目标所处12个点钟方向，即第1点钟为正北(12点)、第2点钟为北偏东30°(1点)、第3点钟为北偏东60°(2点)、第4点钟为正东(3点)、第5点钟为东偏南30°(4点)、第6点钟为东偏南60°(5点)、第7点钟为正南(6点)、第8点钟为南偏西30°(7点)、第9点钟为南偏西60°(8点)、第10点钟为正西(9点)、第11点钟为西偏北30度(10点)、第12点钟为西偏北60°(11点)，分别计算目标路径方向通过时间；其中在所选取的地理信息中，每个网格对应通过时间计算如下：

其中，d_map表示地图网格精度，v_map_i，j表示i点钟第j个网格对应通行速率，h_i，j表示i点钟第j个网格对应海拔高度，v_climb表示目标爬坡速率。

S4，基于点钟方向的目标短时运动轮廓计算

如图3所示，以T分钟目标可能运动范围为一个轮廓段，对各点钟方向上的网格通过时间进行累加，则每个轮廓段上最后一个网格点(i，n)通过以下公式确定：

则满足上述公式的最大的n即为该轮廓段上在i点钟方向的最后一个网格点。其中n表示对应第N条轮廓段的网格点，T的取值为5～10min，N的取值为2～12。

把每个点钟方向上最后一个网格点依次连接起来所围成的范围即为目标短时运动轮廓。

S5，基于目标短时运动轮廓的任务可行性计算

在目标短时运动轮廓中，飞行员根据平台信息进行可达性、探测覆盖率的计算并进行目标追踪的任务规划，其中，可达性计算如下：

以本机场站位置P为起点，对应T为5min，对应N为6，距离每个点钟方向对应n的距离，若每个点钟对应网格位置均满足以下公式，则满足可达性要求：

p_i，n为第i点钟第n个网格的位置，L₁()为L1范数计算，v_h为巡航速度。

探测覆盖率计算如下：

飞行员在地图上选择特定点，以该点为起点，根据探测半径R_d、探测角度θ_d，S_dt为探测扇面与目标短时运动轮廓范围的交叉面积，S_t为目标短时运动轮廓范围，β为计算探测覆盖率：

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立目标-地理先验知识库，所述目标-地理先验知识库包括目标信息、地理信息和平台信息，其中目标信息包括目标类别，以及每个目标类别在不同地质情况下的平均速度和最大运动速度；地理信息包括地图网格经度、网格高度；

飞行员在机上根据收到的任务信息，进行目标-地理信息匹配计算，以确定任务区域半径，并从目标-地理先验知识库选择以丢失位置为中心，覆盖任务区域的地理信息；

在所选取的覆盖任务区域的地理信息中，以目标丢失位置为起点，对目标所处多个点钟方向，分别计算目标路径方向通过时间；

基于所述通过时间，确定各点钟方向上最后一个网格点，由此得到目标短时运动轮廓；

在目标短时运动轮廓中，飞行员进行可达性、探测覆盖率的计算并进行目标追踪的任务规划。

2.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述目标-地理先验知识库还包括平台信息，平台信息包括飞行包络、探测能力、勤务保障；在目标短时运动轮廓中飞行员通过平台信息进行可达性、探测覆盖率的计算。

3.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，目标信息的具体设置方式为：

建立二维关联数组，其中二维关联数组的横坐标是车辆类型和地质情况，纵坐标为平均运动及最大运动速度。

4.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述地理信息从地理信息系统中获取矢量地图、数字高程模型DEM、遥感影像地图资源，并转换为机载格式，地理信息需要进行定期更新，更新周期依据任务区域变化情况而确定。

5.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述根据收到的任务信息，进行目标-地理信息匹配计算，以确定任务区域半径，包括：

根据收到的任务信息中目标丢失位置p_t0、丢失时间t₀，结合本机位置p_h0、出动时间t_h0、巡航速度v_h，计算任务区域半径R₀：

其中，L₁()为L1范数计算，α为裕度系数，一般设置为1～1.5。

6.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述分别计算目标路径方向通过时间，其中每个网格对应通过时间计算如下：

其中，d_map表示地图网格精度，v_map_i，j表示i点钟第j个网格对应通行速率，h_i，j表示i点钟第j个网格对应海拔高度，v_climb表示目标爬坡速率。

7.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述基于所述通过时间，确定各点钟方向上最后一个网格点，由此得到目标短时运动轮廓，包括：

以T分钟目标可能运动范围为一个轮廓段，对各点钟方向上的网格通过时间进行累加，则每个轮廓段上最后一个网格点(i，n)通过以下公式确定：

则满足上述公式的最大的n即为该轮廓段上在i点钟方向的最后一个网格点；其中n表示对应第N条轮廓段的网格点；

把每个点钟方向上最后一个网格点依次连接起来所围成的范围即为目标短时运动轮廓。

8.根据权利要求1所述的基于点钟方向的野外机动目标位置估计方法，其特征在于，所述可达性的计算表示为：

以本机场站位置P为起点，对应时间为T，对应N为轮廓段，距离每个点钟方向对应n的距离，若每个点钟对应网格位置均满足以下公式，则满足可达性要求：

p_i，n为第i点钟第n个网格的位置，L₁()为L1范数计算，v_h为巡航速度。

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