CN112577490A - 一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，该方法通过计算机程序来实现，首先，忽略会合过程中不稳定因素的影响；然后，利用等效路径或等效误差圆进行判断和识别，按照等效路径能够相交的条件进行判别，而不必考虑航速限制导致能否会合的问题；或者沿等效误差圆做航向误差方向的切线，即可框定出高速目标可能的航行区域。本发明针对高速目标的航速信息不准确或者航速不固定、高速目标的航向信息不准确、高速目标的位置信息不够准确等问题，给出了一套减少分析参量的等效方法，并通过边界条件的估计和比较进行分析判别，提出了提高低速目标与高速目标主动会合的方法。
Description
技术领域
本发明属于基于先验信息不充分情况下的目标相对运动分析领域，更具体地，涉及一种基于参数等效和参数估计的低速目标主动与高速目标会合的判别处置方法。
背景技术
通常的航行会合分析都是基于高速目标追踪低速目标或目标信息已知的情况开展的。在高速目标追踪低速目标时，只要高速目标能够发现低速目标且航程足够，高速目标就能够追上低速。在目标位置航速等信息确知的情况下，可以通过目标相对位置、航速、航向等信息进行合理的航路规划，在各种先验条件已知的情况下，能够确知低速目标是否能够与高速目标会合以及会合的时间和位置。
然而现有低速目标主动会合高速目标的情况往往会存在高速目标的相关参数信息难以准确确定的问题，主要是高速目标的位置信息存在较大误差、航速航向不够准确稳定等，这就需要在目标相对位置、航速、航向等信息无法准确确定的条件下，对低速目标能否与高速目标会合进行判别，并通过合理的处置方法提高低速目标主动会合高速目标的成功概率。
目前，由于应用场景相对较少、获取准确信息困难会引起不确定因素较多等诸多问题，导致现有相关研究较为缺乏。
发明内容
为了解决低速目标需要主动接近高速目标时，在目标位置与运动参数等信息不够精准的情况下，难以对低速目标能否与高速目标会合进行判别的问题，本发明的首要目的在于提供一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，该方法提出了一种基于参数等效和参数估计的低速目标主动会合判别方法，并且基于该方法提出了能够提高会合概率的处置方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，该方法有效的弥补了物联网通信系统通信吞吐量有限的特点，并能够保证设备功耗进一步降低。
经研究，参数信息难以准确确定，主要是指高速目标的航向信息不准确或者航向不固定、高速目标的位置信息不够准确、高速目标的航速信息不准确或者航速不固定。这样的情况下低速目标主动会合高速目标会有许多现实困难。参数信息难以准确确定条件下，低速目标主动会合高速目标的主要困难有下面几个方面：
(一)高速目标的航速信息不准确(或者航速航向不稳定)的问题。
当高速目标为非配合目标的情况下，可能难以准确获得高速目标的航航速信息，而且高速目标的航速还可能在没有先验知识的情况下发生变化，还可能因外界条件的变化收到影响和干扰，低速目标在与高速目标会合前同样会存在这样的问题因外界条件的变化收到影响和干扰的问题，而且这样的变化随着时间的推移不具备稳定性，会导致难以进行低速目标能否达成主动会合高速目标目的的判别，同时也难以对低速目标进行主动会合高速目标的航速和航向等参数的设置。
(二)高速目标的航向信息不准确(或者航向不固定)的问题。
当高速目标为非配合目标的情况下，有时受多重因素的影响会难以获得高速目标的准确航向信息，且航向信息也很难保证长时间保持稳定，另外高速目标的航向还可能在没有先验信息的情况下发生变化。所有以上情况都会影响到低速目标能否达成主动与高速目标会合的判别，以及低速目标以什么样的航向和航速才能更加有利于达到与高速目标主动会合的目的。
(三)高速目标的位置信息不够准确的问题。
当高速目标为非配合目标的情况下，可能难以准确获得高速目标的位置，而高速目标的位置信息不够准确会影响低速目标与高速目标的相对方位和距离，还会进一步对高速目标航向和航速的判别，从而进一步会影响低速目标主动会合高速目标的判别和处置方法的确定。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，该方法通过计算机程序来实现，首先，忽略会合过程中不稳定因素的影响，例如低速目标的航向航速不稳定和高速目标航速信息不准确和航速航行不稳定性；然后，利用等效路径或等效误差圆进行判断和识别，在高速目标的预定航向上通过分析低速目标可能与之会合的位置进行判别，即用低速目标初始位置与可能会合位置的连线作为等效路径替代真实的路径，按照等效路径能够相交的条件进行判别，而不必考虑航速限制导致能否会合的问题；或者沿等效误差圆做航向误差方向的切线，即可框定出高速目标可能的航行区域。
所述等效路径，是指低速目标初始位置与其与高速目标可能会合的位置的直线路径。
所述等效误差圆，是指当高速目标的位置信息不准确时，高速目标的方位和距离偏差等效为一个以高速目标预判位置为圆心的圆形。当高速目标的位置信息不准确时，以低速目标的初始视角来看，高速目标的方位和距离都可能存在一定的偏差，但是高速目标在方位和距离上的偏差通常具有左右和前后的对称性，当高速目标在方位和距离上的偏差较自身较小的情况下，这样的区域可以近似看成一个矩形，随着低速目标主动向与高速目标会合的方向行进，这一矩形的方向会发生旋转，所以可以将高速目标的方位和距离偏差等效为一个以高速目标预判位置为圆心的圆形，可以等效定义为等效误差圆。
进一步，在判别过程中，高速目标的航速可以使用预估航速，低速目标的航速可以使用低速目标初始位置与可能会合位置的连线上的等效航速代替真实的航速，当低速目标的最大航速能够达到会合所需要的等效航速vn时，可以初步判别低速目标能够用等效航速在相应位置上与高速目标会合。
更进一步，只要低速目标的等效航速v大于或等于会合需要的等效航速vn，低速目标就能够通过在到达准确探测的高速目标航线上转向并与高速目标相向而行达成与高速目标会合目的。
当高速目标航向信息不准确(或者航向不固定)时，低速目标要跟高速目标会合，则v/s≧L1/L2，其中，v是低速目标的等效航速，s是高速目标的等效航速，L1是高速目标可能偏向低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点到低速目标起始点的距离，L2是高速目标可能偏离低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点至高速目标起始点的距离。
当低速目标与高速目标发生短时间作用的情况下，可以以相互作用的最大有效距离D为作用距离参考值dc，即dc＝D；当低速目标与高速目标发生持续作用的情况下，则需要以相互作用的最短需求时间t为基准，并通过高速目标与低速目标的航速差v来判别，此时的低速目标与高速目标的作用距离参考值dc，应该选用两者之间的最大作用距离D减去v与t的乘积，即dc＝D-vt；当选取好dc后，只需将低速目标的航程减去达成即可，如此能够进一步提高低速目标与高速目标会合的概率。
本发明分别针对高速目标的航速信息不准确或者航速不固定、高速目标的航向信息不准确(或者航向不固定)、高速目标的位置信息不够准确等问题，给出了一套减少分析参量的等效方法，并通过边界条件的估计和比较进行分析判别，提出了提高低速目标与高速目标主动会合概率的方法。
本发明解决了非合作的低速目标主动与高速目标会合过程中影响因素多、判别和设置困难的问题。其技术效果体现在：
(1)本发明可以应用于低速飞行器或航速受环境影响较大的飞行器接近其它高速飞行器或航行体的判别和航行方案设置。比如，小型无人机通常航速较低，不同国家的法律都对无人机的航行高度有一定的限制，当其需要绕过追踪高速目标进行观测时，可以使用本发明中的方法结合电子地图进行初步估算，就能够判别是否能够满足相应的探测条件。在相关方案制订过程中就能够选择合适的位置和符合相关参数要求的设备。从而实现任务的达成的同时节约大量的设备和人力成本。
(2)本发明可以应用于低速水下航行体或航速受环境影响较大的水下航行体接近其它高速飞行体或航行体的判别和航行方案设置。比如，水下机器人通常航速较低，其在海水中的航行会受到流或海底地形的限制，其在接近指定水中航行体的时候可以通过本防范的方法进行判别和航行方案的制订，减少使用水下机器人的数量，从而实现任务的达成的同时节约大量的设备和人力成本。
(3)本发明还可以进行反向应用，当低速目标与高速目标互为非配合目标的情况下，高速目标需要探测或规避时，都可以通过提高低速目标可能选择的方案的判别提高探测效率或通过提高低速目标接近难度的方法进行规避。
附图说明
图1是本发明所实现的会合点等效分析示意图。
图2是本发明所实现的高速目标航向信息偏差分析示意图。
图3是本发明所实现的高速目标位置信息偏差的分析示意图一。
图4是本发明所实现的高速目标位置信息偏差的分析示意图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基本思路，是依据低速目标主动会合高速目标的应用实际，综合考虑其中的影响因素，用必要的等效方法消除不确定因素的影响，在不确定因素逐渐收敛的情况下进行简化的等效修正，以便使低速目标与高速目标主动会合的判别更具可行性和可操作性。同时，依据低速目标主动会合高速目标的判别方法分析及其相对态势，给出基于某些不确定因素范围估计的推荐航向及其依据。
(一)关于高速目标的航速信息不准确(或者航速航向不稳定)问题的分析解决方法。
当低速目标主动与高速目标会合时，对高速目标测定的航速不准确以及高速目标的航速航向不稳定会带来汇合点计算的困难和可能性的大量增加，直接结果就是计算量的飞速增长，而且难以确定具体的会合点。再结合低速目标本身受外界影响产生的航向航速不稳定，确定具体的会合点将更加困难，同时还会导致计算量的进一步增长。
本发明采用会合点等效的方法进行判别，主要是忽略会合过程中低速目标的航向航速不稳定和高速目标航速信息不准确和航速航行的不稳定等因素的影响，在高速目标的预定航向上通过分析低速目标可能与之会合的位置进行判别，即用低速目标初始位置与可能会合位置的连线替代真实的路径，按照路径能够相交的条件进行判别，而不必考虑航速限制导致能否会合的问题。
由于分析过程中排除了高速目标的航向信息不准确(或者航向不固定)和高速目标的位置信息不准确等移速的影响，用航速来判别能否能够满足会合条件只需要进行初步估算即可。所以，在判别过程中，高速目标的航速可以使用预估航速，低速目标的航速可以使用低速目标初始位置与可能会合位置的连线上的等效航速代替真实的航速，当低速目标的最大航速能够达到会合所需要的等效航速vn时，可以初步判别低速目标能够用等效航速在相应位置上与高速目标会合，图1中的X3点可以看做这样的会合点，OL到X3的连线为低速目标的等效航线。
当低速目标按照初始位置到预定航向上较按照会合所需要的等效航速vn与预定航向交点直线距离更短的路线航行时，如果能够在到达预定航向相交的位置后转向并与高速目标相向而行，则也能够在预定航向上与高速目标会合，图1中的X’3点可以看做这样的会合点，OL到X’3的连线较OL到X3的连线更短，可以视为低速目标的等效航线，此种情况下低速目标可以在到达X’3点后转向至与OH点相向而行，则在高速目标的航线L上低速目标必定能够与高速目标会合。
考虑到，在低速目标与高速目标不断接近的过程中，伴随对高速目标探测累计时间的增加，高速目标的航速信息不准确(或者航速航向不稳定)问题会逐渐缓解，可能得到高速目标较为准确的位置和航向信息，所以只要低速目标的等效航速v大于或等于会合需要的等效航速vn，低速目标就能够通过在到达准确探测的高速目标航线上转向并与高速目标相向而行达成与高速目标会合目的。
(二)关于高速目标的航向信息不准确(或者航向不固定)问题的分析解决方法
当高速目标航向信息不准确(或者航向不固定)时，以假定的偏离低速目标最远的方向为高速目标的航向，如果低速目标在某一航速能够跟测定或假定航速下的高速目标会合，那么在相同航速的情况下，低速目标能够与其它航向的高速目标会合。如图2所示。
当高速目标航向信息不准确(或者航向不固定)时，低速目标要跟高速目标会合，则v/s≧l1/l2，其中，v是低速目标的等效航速，s是高速目标的等效航速，l1是高速目标可能偏向低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点到低速目标起始点的距离，l2是高速目标可能偏离低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点至高速目标起始点的距离。
图2中OL点为低速目标的起始位置，OH点为高速目标的起始位置。θ1为高速目标可能偏向低速目标的最大航向角，θ2为高速目标可能偏离低速目标的最大航向角，在一定航速下，如果高速目标在自OH点沿L2线的航向航行，低速目标能够跟高速目标会合，则高速目标在自OH点沿L0线夹角为θ1和θ2之间的任意航向(即不超过L1线和L2线)航行，低速目标依据方案(一)中的方法必定能够满足跟高速目标会合的条件。
在此种情况下，低速目标与高速目标的航速比需要大于等于OLH1点至OL点的距离(l1)与OLH2点至OH点的距离(l2)的比值。图2中r1、r2、r3、r4、r5等为以OL为圆心的圆弧，其半径分别为r1、r2、r3、r4、r5。在L1和L2范围内的圆弧上的每一个点为高速目标与低速目标刚好能够会合的交点，低速目标的航行距离即为以OL点为圆心的圆弧的半径。其中，高速目标与低速目标分别自OH点与OL点出发并保持较为稳定的航向线航行。
由此可知，依据方案(一)中的方法，低速目标按照以OL点至L2线的垂线方向航行，低速目标与高速目标会合的航程比最低，可以确定为低速目标与高速目标会合的最佳航向。
(三)关于高速目标的位置信息不准确(结合航向不准确)问题的分析解决方法。
当高速目标的位置信息不准确时，以低速目标的初始视角来看，高速目标的方位和距离都可能存在一定的偏差，高速目标在方位和距离上的偏差通常具有左右和前后的对称性，当高速目标在方位和距离上的偏差较自身较小的情况下，这样的区域可以近似看成一个矩形，如图3所示的圆形中的矩形。随着低速目标主动向与高速目标会合的方向行进，这一矩形的方向会发生旋转，所以可以将高速目标的方位和距离偏差等效为一个以高速目标预判位置为圆心的圆形，可以等效定义为等效误差圆，如图3中矩形外的圆形。这样的等效定义可以排除低速目标行进过程中与高速目标方位变化的影响。如果在低速目标行进过程中能够通过时间的累计减小高速目标的定位误差，则只需要进行位置的修正和等效误差圆的半径即可，能够简化低速目标行进过程中的定位信息变化。
以低速目标的初始视角来看，高速目标航向信息不准确(或者航向不固定)问题通过高速目标等效误差圆的方式定位，只要沿等效误差圆做航向误差方向的切线，即可框定出高速目标可能的航行区域，同时不影响方案(二)中关于低速目标与高速目标会合的最佳航向判别与选取。
(四)通过相互作用距离进行低速目标与高速目标会合的判别和推算
通常情况下，低速目标与高速目标的会合并不是以轨迹相交为最终目的，往往要伴随两者之间的相互作用，将相互作用的范围纳入会合判别，能够更加准确得反应实际应用的真实情况。
当需要低速目标与高速目标发生短时间作用的情况下，可以以相互作用的最大有效距离D为作用距离参考值dc，即dc＝D；当需要低速目标与高速目标发生持续作用的情况下，则需要以相互作用的最短需求时间t为基准，并通过高速目标与低速目标的航速差v来判别，此时的低速目标与高速目标的作用距离参考值dc，应该选用两者之间的最大作用距离D减去v与t的乘积，即dc＝D-vt。
当选取好dc后，只需将低速目标的航程减去达成即可，如此能够进一步提高低速目标与高速目标会合的概率。
总之，本发明可以应用于低速飞行器或航速受环境影响较大的飞行器接近其它高速飞行器或航行体的判别和航行方案设置。比如，小型无人机通常航速较低，不同国家的法律都对无人机的航行高度有一定的限制，当其需要绕过追踪高速目标进行观测时，可以使用本发明中的方法结合电子地图进行初步估算，就能够判别是否能够满足相应的探测条件。在相关方案制订过程中就能够选择合适的位置和符合相关参数要求的设备。从而实现任务的达成的同时节约大量的设备和人力成本。
本发明也可以应用于低速水下航行体或航速受环境影响较大的水下航行体接近其它高速飞行体或航行体的判别和航行方案设置。比如，水下机器人通常航速较低，其在海水中的航行会受到流或海底地形的限制，其在接近指定水中航行体的时候可以通过本防范的方法进行判别和航行方案的制订，减少使用水下机器人的数量，从而实现任务的达成的同时节约大量的设备和人力成本。
本发明还可以进行反向应用，当低速目标与高速目标互为非配合目标的情况下，高速目标需要探测或规避时，都可以通过提高低速目标可能选择的方案的判别提高探测效率或通过提高低速目标接近难度的方法进行规避。
本发明也适用于等效航速受环境影响较大的目标接近其它目标的机制方案制订，而不仅限于低速目标接近高速目标。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于该方法通过计算机程序来实现，首先，忽略会合过程中不稳定因素的影响；然后，利用等效路径或等效误差圆进行判断和识别，在高速目标的预定航向上通过分析低速目标可能与之会合的位置进行判别，用低速目标初始位置与可能会合位置的连线作为等效路径替代真实的路径，按照等效路径能够相交的条件进行判别；或者沿等效误差圆做航向误差方向的切线，框定出高速目标可能的航行区域。
2.如权利要求1所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于所述等效路径，是指低速目标初始位置与其与高速目标可能会合的位置的直线路径。
3.如权利要求1所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于所述等效误差圆，是指当高速目标的位置信息不准确时，高速目标的方位和距离偏差等效为一个以高速目标预判位置为圆心的圆形。
4.如权利要求1所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于在判别过程中，高速目标的航速可以使用预估航速，低速目标的航速可以使用低速目标初始位置与可能会合位置的连线上的等效航速代替真实的航速，当低速目标的最大航速能够达到会合所需要的等效航速vn时，可以初步判别低速目标能够用等效航速在相应位置上与高速目标会合。
5.如权利要求4所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于只要低速目标的等效航速v大于或等于会合需要的等效航速vn，低速目标就能够通过在到达准确探测的高速目标航线上转向并与高速目标相向而行达成与高速目标会合目的。
6.如权利要求5所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于当高速目标航向信息不准确(或者航向不固定)时，低速目标要跟高速目标会合，则v/s≧l1/l2，其中，v是低速目标的等效航速，s是高速目标的等效航速，l1是高速目标可能偏向低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点到低速目标起始点的距离，l2是高速目标可能偏离低速目标的最大航向角时低速目标与高速目标的航线交汇点至高速目标起始点的距离。
7.如权利要求3所述的基于等效和估计的低速目标主动会合判别处置方法，其特征在于当低速目标与高速目标发生短时间作用的情况下，可以以相互作用的最大有效距离D为作用距离参考值dc，即dc＝D；当低速目标与高速目标发生持续作用的情况下，则需要以相互作用的最短需求时间t为基准，并通过高速目标与低速目标的航速差v来判别，此时的低速目标与高速目标的作用距离参考值dc，应该选用两者之间的最大作用距离D减去v与t的乘积，即dc＝D-vt；当选取好dc后，只需将低速目标的航程减去达成即可，如此能够进一步提高低速目标与高速目标会合的概率。
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