CN113485420B - 一种基于udp控制的飞机编队合成功率可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于UDP控制的飞机编队合成功率可视化方法，用UDP控制编队飞行状态及编队各个飞机的地理位置，并通过地理位置信息计算出各个辐射源的空间位置及辐射源辐射范围，通过UDP传递的频率信息与设定的天线其他参数计算天线合成功率数据，通过数据插值计算和颜色映射，以顶点坐标和顶点索引方式将纹理映射至空间对应位置，最后进行Alpha融合设置透明效果，最终以快速、高效、直观的方式展示电磁环境体数据。
Description
技术领域
本发明涉及三维地理信息系统，电磁管理与控制领域，具体涉及一种在三维地理信息系统中电磁管理与控制的方法。
背景技术
随着军队信息化进程的突飞猛进，现代战争所面临的电磁空间环境日益复杂，并且呈现出多维、时变等特性，电磁环境已经成为信息战尤其电子战非常重要的制约因素。由于电磁应用技术已广泛渗透到社会及军事领域各个方面，电磁资源对武器装备效能发挥会产生极其重要的影响。目前，使用的用频装备十分广泛，数目众多，占用频谱范围更宽，频率需求量大，电磁环境极其复杂，但电磁环境看不见、摸不着，只能通过仪器探测来获取分析空间的电磁环境。目前电磁仿真技术越来越多的应用在电子战中。一方面在现代战场中，战场电磁环境是战场信息获取的主要媒介，大部分的战场信息的获取与传递都在电磁环境领域完成，电磁仿真已经成战场仿真的重要部分；另一方面，随着武器系统的愈发复杂，传统的分析论证方法已经不能满足武器测试的要求，使用电磁可视化仿真技术来辅助武器装备的测试，可以极大地降低研发成本，提高研发速度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于UDP控制的飞机编队合成功率可视化方法。能够结合真实战场环境，基于飞机本身地理位置信息及天线相应用频参数，接收指挥系统指令，根据“所见即所得”的理念实现在战场飞行编队环境下合成功率的实时变化，为部队作战指挥、作战模拟和其他军事相关活动提供有力的支持。
技术方案
一种基于UDP控制的飞机编队合成功率可视化方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：获取数据
上层指挥系统获取到实际战场编队环境下各个飞机用频装备电磁特征信息并通过UDP发送，三维地理位置系统通过UDP模块接收并提取出当前实时数据包里的经纬度、天线类型、天线当前频率、天线方位角信息，并传递给数据处理模块；
步骤二：编队飞行控制
从UDP获取到实时编队飞行状态，提取出编队中各个飞机经纬度、俯仰、方位信息，并根据这些信息实时控制编队在地理位置系统飞行；
步骤三：获取要显示合成功率的天线类型及频率
设置Vec[N]数组，每个元素包含天线类型Type与天线所对应的频率Fre，由两种模式来确定各个元素内容；
(1)手动模式指定：
可以根据界面的选定，选择要显示某个波段天线的合成功率；判断UDP实时更新的各个天线的频率是否落在所选波段范围内，把落在该频段的天线类型及天线所对应的频率存放入Vec数组；
(2)自动模式指定
从UDP网络获取最新数据包，把最新的数据包里天线类型及所对应频率存放入Vec数组，即根据上层控制要求显示某种天线的合成功率；
步骤四：计算标定区域数据
根据实时数据里的编队各个飞机的经纬度，转化为地面铺平的平面坐标，计算出要显示区域的边界，在边界内划分网格并把网格数据存放到predict[i]里；
步骤五：计算各个天线地球物理坐标系坐标
从步骤二获取到编队中每个飞机经纬度坐标，结合用频装备在飞机上的相对坐标及天线在飞机的航向、俯仰、方位角，计算出各个天线的地球物理坐标系坐标；
步骤六：设置天线合成功率显示区域
判断要显示天线的天线类型，如果要显示合成功率的天线类型是定向天线，则根据天线方位角及扫描范围确定出合成功率显示区域；如果要显示合成功率的天线类型是全向天线，则在辐射源四周都有显示；
步骤七：计算合成功率数据
由步骤三获取到要显示合成功率的天线类型及频率，由步骤六得到天线辐射功率显示区域，结合传播模型、已经设定好的各个天线的辐射功率、天线增益，计算出当前天线辐射合成功率数据并进行存储到EMDdata[row][col][level]；
步骤八：获取各个种类天线合成功率极值
为了直观可视化不同种类天线的合成功率的强弱需要在同一范围进行归一化，可以预先实验一遍，选取合适的条件，在此条件下获取不同种类天线合成功率最大与最小值；
步骤九：功率数据预处理
对为了提高可视化效果防止出现马赛克现象需要对已经生成的功率数据进行插值，并进行归一化处理；
步骤十：生成纹理数据
根据步骤七计算出的合成功率数据与步骤六得到的显示区域，实现显示区域与区域所对应电磁数据的一一映射；
步骤十一：颜色映射
根据生成的合成功率数据设置传递函数，按照天线合成功率大小设置颜色从蓝到红变化，合成功率值越大颜色越偏向红；
步骤十二：Alpha融合及渲染
设置各层数据点的融合方式，将数据点送入Direct X管线进行渲染得到融合后的半透明效果，最终得到屏幕显示效果。
有益效果
本发明提出的一种基于UDP控制的飞机编队合成功率可视化方法，用UDP控制编队飞行状态及编队各个飞机的地理位置，并通过地理位置信息计算出各个辐射源的空间位置及辐射源辐射范围，通过UDP传递的频率信息与设定的天线其他参数计算天线合成功率数据，通过数据插值计算和颜色映射，以顶点坐标和顶点索引方式将纹理映射至空间对应位置，最后进行Alpha融合设置透明效果，最终以快速、高效、直观的方式展示电磁环境体数据。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1平面划分结构图；
图2三个姿态角；
图3选择角度图；
图4编队机尾UV天线合成功率图；
图5编队机腹UL天线合成功率图；
图6编队雷达天线合成功率图；
图7编队电子战天线合成功率图。
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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
该方法包括以下步骤：
步骤一：获取数据
上层指挥系统获取到实际战场编队环境下各个飞机用频装备电磁特征信息并通过UDP发送，三维地理位置系统通过UDP模块接收并提取出当前实时数据包里的经纬度、天线类型、天线当前频率、天线方位角等信息，并传递给数据处理模块。
步骤二：编队飞行控制
从UDP获取到实时编队飞行状态，提取出编队中各个飞机经纬度、俯仰、方位等信息，并根据这些信息实时控制编队在地理位置系统飞行。
步骤三：获取要显示合成功率的天线类型及频率
设置Vec[N]数组，每个元素包含Type(天线类型)与Fre(天线所对应的频率)，由两种模式来确定各个元素内容。
(1)手动模式指定：
可以根据界面的选定，选择要显示某个波段天线的合成功率。判断UDP实时更新的各个天线的频率是否落在所选波段范围内，把落在该频段的天线类型及天线所对应的频率存放入Vec数组。
(2)自动模式指定
从UDP网络获取最新数据包，把最新的数据包里天线类型及所对应频率存放入Vec数组，即根据上层控制要求显示某种天线的合成功率。
步骤四：计算标定区域数据
根据实时数据里的编队各个飞机的经纬度，转化为地面铺平的平面坐标，计算出要显示区域的边界，在边界内划分网格并把网格数据存放到predict[i]里。
步骤五：计算各个天线地球物理坐标系坐标
从步骤二获取到编队中每个飞机经纬度坐标，结合用频装备在飞机上的相对坐标及天线在飞机的航向、俯仰、方位角，计算出各个天线的地球物理坐标系坐标。
步骤六：设置天线合成功率显示区域
判断要显示天线的天线类型，如果要显示合成功率的天线类型是定向天线，则根据天线方位角及扫描范围确定出合成功率显示区域；如果要显示合成功率的天线类型是全向天线，则在辐射源四周都有显示。
步骤七：计算合成功率数据
由步骤三获取到要显示合成功率的天线类型及频率，由步骤六得到天线辐射功率显示区域，结合传播模型、已经设定好的各个天线的辐射功率、天线增益，计算出当前天线辐射合成功率数据并进行存储到EMDdata[row][col][level]。
步骤八：获取各个种类天线合成功率极值
为了直观可视化不同种类天线的合成功率的强弱需要在同一范围进行归一化，可以预先实验一遍，选取合适的条件，在此条件下获取不同种类天线合成功率最大与最小值。
步骤九：功率数据预处理
对为了提高可视化效果防止出现马赛克现象需要对已经生成的功率数据进行插值，并进行归一化处理。
步骤十：生成纹理数据
根据步骤七计算出的合成功率数据与步骤六得到的显示区域，实现显示区域与区域所对应电磁数据的一一映射。
步骤十一：颜色映射
根据生成的合成功率数据设置传递函数，按照天线合成功率大小设置颜色从蓝到红变化，合成功率值越大颜色越偏向红。
步骤十二：Alpha融合及渲染
设置各层数据点的融合方式，将数据点送入Direct X管线进行渲染得到融合后的半透明效果，最终得到屏幕显示效果。
1、本发明步骤四计算标定区域数据具体步骤如下：
(1)获取编队的边界
从步骤二获取到编队中各个飞机的经纬度，把经纬度转化成地球表面铺平的平面坐标。
X=(longitude+180)*WidthEquator/360
Y=(latitude+90)*HeightEquator/180
其中：longititude为经度，latitude为纬度，WidthEquator为赤道长度，HeightEquator为赤道长度的一半，(X,Y)为转化后的地球平面坐标系坐标，并根据编队中各个飞机的坐标得到整个编队的边界坐标maxx，minx，maxy，miny，maxz，minz。
(2)进行网格划分
随后，对边界内进行网格划分，如图1所示。划分为高度为LEVEL，长为ROW宽为COL的一个立体的网格区域并通过网格插值生成LEVEL*ROW*COL个坐标点。图1为一个平面划分后的结果，生成ROW*COL个坐标点。
具体划分步骤如下：
1)计算相邻两个点行间和列间的距离
distantx＝(maxx-minx)/ROW
distanty＝(maxy-miny)/COL
distantz＝(maxz-minz)/LEVEL
其中：distantx、distanty、distantz分别为网格化后行、列、层间距。
2)计算立体网格划分后的坐标值
x=minx+row*distantx
y=miny+col*distanty
z=minz+level*distantz
其中：row取值为[0,ROW]，col取值为[0,COL]，level取值为[0,LEVEL]，(x,y,z)为网格划分后该空间的坐标值，并把(x,y,z)存放到preditArea[j]中。
2、本发明步骤五计算各个天线地球物理坐标系坐标具体实现如下：
(1)计算平移矩阵
由步骤四获取到地球平面坐标，接下来把地面平面坐标系坐标转化为地理位置系统所用的地球物理坐标，方法如下：
AngX=(-180+X/WidthEquator*360)*π/180
AngY=(-90+Y/HeightEquator*180)*π/180
x=cos(AngY)*(RadiusEarth+Y)*cos(AngX)
y=cos(AngY)*(RadiusEarth+Y)*sin(AngX)
z=(RadiusEarth+Z)*sin(AngY)
其中：WidthEquator为赤道长度，HeightEquator为赤道长度的一半，RadiusEarth为地球半径，(x，y，z)为地球物理坐标系下坐标。根据计算出的模型在三维地理位置信息的(x，y，z)坐标计算各个模型的平移矩阵MoveMat。
(2)计算旋转矩阵
根据步骤二获取到编队中各个飞机的横滚角、航向角、俯仰角信息，使用欧拉变换得出欧拉旋转矩阵RollMat，其中横滚角指绕z轴旋转角度，航向角绕x轴旋转角度，俯仰角绕y轴旋转角度，这三个姿态角反映了飞行器的姿态信息，如图2所示。
(3)坐标矩阵计算
选取各个坐标轴的比例缩放系数ScaleX，ScaleY，ScaleZ经过比例变换得到比例变换矩阵ScaleMat。初始化世界坐标矩阵，将平移矩阵、欧拉矩阵以及比例矩阵对世界坐标矩阵进行更新。
WorldMat=WorldMat*MoveMat
WorldMat=WorldMat*RollMat
WorldMat=WorldMat*ScaleMat
(4)计算辐射源地球物理坐标系位置
初始化偏移向量D3DXVECTOR3 vAt，并使用从数据库读取的天线辐射源在飞机相对位置x,y,z进行赋值，使用D3DXVec3TransformCoord(&vAt，&vAt,WorldMat)函数，利用世界坐标矩阵对偏移量进行变换，得到天线辐射源在地理位置系统所使用的地球物理坐标。
(5)计算辐射源地球平面坐标系坐标
由上一步得到天线的地球物理坐标(x,y,z)，根据(1)下的公式的逆运算可以逆向求出地球表面的平面坐标(X,Y，Z)
3、本发明步骤六设置天线显示区域实现方法如下：
若要显示合成功率的天线为定向天线即合成功率只在一定范围内显示，则需要计算显示区域。
由步骤五得到编队中要显示天线的地球平面坐标(X,Y，Z)并存放到AntennaPos数组里。以天线位置为原点建立坐标系，计算在该坐标系下划分好的网格各个点的相对坐标。
CoordinateX=predictAreaX[j]-AntennaPosX[Vec[i].Type]
CoordinateY=predictAreaY[j]-AntennaPos Y[Vec[i].Type]
其中：CoordinateX、CoordinateY为在该坐标系下的坐标，Vec[i].Type为要可视化合成功率的天线类型，接下来把该坐标系偏移航向角angle度并计算在新坐标系下网格各个点的坐标，公式如下：
rotateCoordinateX=CoordinateX*cos(angle)+CoordinateY*sin(radin)
rotateCoordinateY=CoordinateY*cos(angle)-CoordinateX*sin(angle)
其中：rotateCoordinateX、rotateCoordinateY为以天线坐标为圆心，以过原点偏移角度为angle角度为y轴，垂直y线为x轴建立新坐标系，即rotateCoordinateX、rotateCoordinateY为经过旋转在新坐标系下的坐标，如图3所示。
接下来计算该网格点在新坐标系下相对Y轴偏转角度公式如下：
realangle=(atan(rotateCoordinateX)/atan(rotateCoordinateY))
其中realangle为该网格点在新坐标系下相对Y轴偏转角度，随后判断该角度是否在该天线扫描角度内，若在扫描角度内则计算合成电磁功率。
4、本发明步骤七计算合成电磁功率步骤如下：
从步骤六得到显示范围，结合步骤五获取到的每个天线地理信息系统的位置，生成每个点的功率值。功率生成步骤如下：
其中，Vec[i]为步骤十二获取到的要显示的天线的类型，AntennaPosX、AntennaPosY、AntennaPosZ为天线在地理位置系统中的x、y、z坐标，predictAreaX、predictAreaY、predictAreaZ为三维网格中的坐标，distance为网格中待预测的点到天线的欧氏距离。
(1)计算传播损耗
以自由空间下的传播模型为例，根据步骤十二得到要显示某一个或多个天线的的类型，利用该传播模型计算网格中各个天线到预测点之间的传播衰减损耗。
loss=32.45+20*lg(Vec[i].Fre)+20*lg(distance)
其中：loss为传播损耗，Vec[i].Fre为天线的频率，distance为三维网格点到天线的距离。
(2)计算合成功率。
powerdb=Power[Vec[i].Type]+Gain[Vec[i].Type]-loss
其中：power为计算出某一点的功率，Power[Vec[i].Type]为某一个天线的发送功率，Gain[Vec[i].Type]为某一天线的增益，loss为上一步计算的传播损耗。
5、本发明步骤八的实现如下
为了直观可视化不同种类天线的合成功率的强弱需要在同一范围进行归一化，可以预先实验一遍，选取合适的条件，在此条件下获取不同种类天线合成功率最大与最小值。
6、本发明步骤九预处理的实现如下
由步骤六、步骤七获取到可视化区域网格各个点所对应的合成功率数据EMDdata[row][col][level]，这些数据点会影响后续生成纹理图的效果，由于网格中的高度是自定义，如果层与层过大，会使生成的图像看起来不连续，影响三维可视化效果，所以要对网格垂直方向进行插值处理。此处使用了线性插值，对数据点进行了预处理。
lvl_box=lvl*l
sanweidata[lvl_box+pp][r][c]=(lvl-pp)*(1.0/lvl)*data[l][r][c]+pp*(1.0/lvl)*data[l+1][r][c]
其中，lvl表示相邻两层之间所要插值的层数，lvl_box+pp表示新插入层的索引值，pp的取值范围[0,lvl]。因为在生成纹理图时，需要给不同的数据点区间赋上色谱，由于使用不同的传播模型，不同的用频参数，不同的标定区域都会造成数据点跨度很大，这样如果给固定数据点区间赋色谱，会影响图像可视化的效果。因此需要对数据点进行归一化处理，让其都映射到[0,1]中，公式如下：
sanweidata[level][row][col]=(sanweidata[level][row][col]-minRP)/(maxRP-minRP)
其中maxRP为所有天线合成功率的最大值，minRP为所有天线合成功率的最小值，sanweidata[level][row][col]即为归一化互后的功率数据。
7、步骤十生成纹理数据实现如下
根据步骤九计算出的合成功率数据与步骤六得到的显示区域，实现显示区域与区域所对应电磁数据的一一映射。
8、步骤十一颜色映射实现如下
根据生成的合成功率数据设置传递函数，按照天线合成功率大小设置颜色从蓝到红变化，合成功率值越大颜色越偏向红。
9、步骤十二Alpha融合及渲染实现如下
设置各层数据点的融合方式，将数据点送入Direct X管线进行渲染得到融合后的半透明效果，最终得到屏幕显示效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于UDP控制的飞机编队合成功率可视化方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：获取数据
上层指挥系统获取到实际战场编队环境下各个飞机用频装备电磁特征信息并通过UDP发送，三维地理位置系统通过UDP模块接收并提取出当前实时数据包里的经纬度、天线类型、天线当前频率、天线方位角信息，并传递给数据处理模块；
步骤二：编队飞行控制
从UDP获取到实时编队飞行状态，提取出编队中各个飞机经纬度、俯仰、方位信息，并根据这些信息实时控制编队在地理位置系统飞行；
步骤三：获取要显示合成功率的天线类型及频率
设置Vec[N]数组，每个元素包含天线类型Type与天线所对应的频率Fre，由两种模式来确定各个元素内容；
(1)手动模式指定：
可以根据界面的选定，选择要显示某个波段天线的合成功率；判断UDP实时更新的各个天线的频率是否落在所选波段范围内，把所选波段范围内的天线类型及天线所对应的频率存放入Vec数组；
(2)自动模式指定
从UDP网络获取最新数据包，把最新的数据包里天线类型及所对应频率存放入Vec数组，即根据上层控制要求显示某种天线的合成功率；
步骤四：计算标定区域数据
根据实时数据里的编队各个飞机的经纬度，转化为地面铺平的平面坐标，计算出要显示区域的边界，在边界内划分网格并把网格数据存放到predict[i]里；
步骤五：计算各个天线地球物理坐标系坐标
从步骤二获取到编队中每个飞机经纬度坐标，结合用频装备在飞机上的相对坐标及天线在飞机的航向、俯仰、方位角，计算出各个天线的地球物理坐标系坐标；
步骤六：设置天线合成功率显示区域
判断要显示天线的天线类型，如果要显示合成功率的天线类型是定向天线，则根据天线方位角及扫描范围确定出合成功率显示区域；如果要显示合成功率的天线类型是全向天线，则在辐射源四周都有显示；
步骤七：计算合成功率数据
由步骤三获取到要显示合成功率的天线类型及频率，由步骤六得到天线辐射功率显示区域，结合传播模型、已经设定好的各个天线的辐射功率、天线增益，计算出当前天线辐射合成功率数据并进行存储到EMDdata[row][col][level]；
步骤八：获取各个种类天线合成功率极值
为了直观可视化不同种类天线的合成功率的强弱需要在同一范围进行归一化，可以预先实验一遍，选取合适的条件，在此条件下获取不同种类天线合成功率最大与最小值；
步骤九：功率数据预处理
对为了提高可视化效果防止出现马赛克现象需要对已经生成的功率数据进行插值，并进行归一化处理；
步骤十：生成纹理数据
根据步骤七计算出的合成功率数据与步骤六得到的显示区域，实现显示区域与区域所对应电磁数据的一一映射；
步骤十一：颜色映射
根据生成的合成功率数据设置传递函数，按照天线合成功率大小设置颜色从蓝到红变化，合成功率值越大颜色越偏向红；
步骤十二：Alpha融合及渲染
设置各层数据点的融合方式，将数据点送入Direct X管线进行渲染得到融合后的半透明效果，最终得到屏幕显示效果。
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