CN114281885A - 一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法，所述方法包括：S1、获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，所述源数据集合中的数据具有预定的数据结构，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据；S2、对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据；S3、将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列；S4、将轨迹点数据队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度并生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

Description

一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法及系统

技术领域

本发明涉及场景虚拟化领域，具体来说，涉及场景呈现中虚拟化节点的空间运动模型领域，更具体地说，涉及飞机、船只、车辆等机动对象的运动模型渲染构建，即一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法及系统。

背景技术

虚实结合平台的场景仿真常用于对仿真对象的空间态势分析、运动路线和轨迹分析等，为线路策略定制和分析提供支撑等，对于路线规划具有重要作用。现有的虚实结合平台的场景仿真采用了虚实结合技术和分布式部署，将场景对象和真实对象进行虚实集合并进行节点虚拟化，以支持场景对象建模及空间态势的分析，为虚实结合平台的协议仿真和通信链路仿真提供场景部署能力，实现虚实结合平台的仿真、模拟和测试。

场景仿真平台的运动对象节点主要包含卫星、飞机、导弹、船只和车辆等。其中，卫星对象节点当达到第一宇宙速度时，就可以无需动力环绕地球，形成卫星轨道，无需外力规划；而飞机、导弹、船只和车辆对象等则需要一直提供动力支持，被称之为机动对象或机动节点，那么对于分析机动对象如何提供动力以及如何规划路线就可以通过场景仿真平台来进行运动可视化分析。场景仿真平台可以通过动态高效渲染仿真机动对象的轨迹数据对应的移动轨迹实现仿真对象运动可视化，其中，支持仿真渲染的数据格式必须是时间上的位置大地坐标(或笛卡尔坐标)和姿态四元素，也就意味着如果需要实现对机动对象的场景仿真，需要获得机动对象对应的时间上的包含位置大地坐标和姿态四元素的轨迹点数据。

现有的运动轨迹中的轨迹点数据大多是利用文森特进行位置结算，基于文森特椭球面计算公式计算出的两点位置的误差级别在微米级，文森特实现的是两点间的正解与反解，正解是根据两个点求出距离和方向，反解是根据一个点的位置和与另一个点方向和距离，求解另一个点的位置。但是文森特椭球面计算公式没有运动轨迹和姿态模拟，也没对数据来源进行自适应生成轨迹数据，因此基于文森特进行位置结算得到的轨迹点数据无法很好的应用于虚实结合平台的场景仿真。

从数据来源上来说，机动对象的运动数据来源主要分为两类：轨迹数据和控制点，这些数据均无法直接获取任意时刻的运行状态，致使空间态势分析的精度不够，可造成系统分析指标错误，且数据来源的完整性和精确性得不到保证，根据数据直接输出运动轨迹模型的动态渲染格式，无法正常模拟机动对象运行位置和姿态，场景仿真的可视化展示效果差。

目前，传统场景仿真平台主要是桌面端软件，这类工具存在以下缺点：

1、无法支持大规模仿真，移动轨道采用大圆弧计算，精度没有文森特高；

2、支持的数据源也比较单一，不支持外部离散采样数据数据源文件如民航飞行数据，支持的数据源为控制点参数输入；

3、过程处理方式比较简单，没有根据输入参数选择过程拟合方式，高度过程处理都采用直接过渡。

因此，为了适应机动对象场景仿真需求，需要一种能够解决文森特方法没有运动轨迹和姿态模拟、数据来源不确定、传统仿真平台可视化展示效果差的问题，并能够满足虚实结合平台的场景仿真特点的方法来生成运动轨迹模型，以探知机动对象在时间上的位置和姿态，为平台提供满足要求的分析和动态渲染数据。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法、系统以及场景仿真方法。

根据本发明的第一方面，提供一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法，所述方法包括：S1、获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，所述源数据集合中的数据具有预定的数据结构，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据；S2、对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据；

S3、将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列；S4、将轨迹点数据队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度并生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

优选的，所述步骤S1包括：S11、对所有源数据进行合理性判断，以获得合理的源数据；S12、按照统一的轨迹点数据结构提取每个合理的源数据中对应的信息以完成源数据资源获取，其中，源数据中没有对应的信息时设置默认值为0。在本发明的一些实施例中，所述统一的轨迹点数据结构至少包括：时间、经度、纬度、高度、垂直速度、距离、水平速度、转弯半径。在本发明的一些实施例总，将同时满足如下条件的源轨迹点数据判定为合理的源数据：数据中存在时间、经度、纬度和高度信息；数据的取值有效、时间顺序依次递增、经纬度符合大地坐标系的定义范围；数据点数大于1且不重复。将同时满足如下条件的控制点数据判定为合理的源数据，其中控制点数据至少包括第一点和最后点，当数据量大于2个时，还包括中间点：数据中存在经度、纬度、高度、水平速度信息；除最后点外，其他控制点数据中水平速度大于0；最后点数据中的经度、纬度、高度信息与前面的任意一个控制点数据中的经度、纬度、高度信息不同时相同。

优选的，所述步骤S2包括：S21、对控制点数据进行转弯参数解算以获得每个控制点的转弯参数，包括转弯开始点、转弯结束点、圆心、转弯提前距离和转弯半径；S22、根据解算出的转弯参数，生成控制点对应的分段离散轨迹；S23、按照预设的采样顺序，在分段离散轨迹上的每一个分段按照预设的步长进行离散采样，获得多个离散采样轨迹点数据。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤S22中，通过如下方式生成控制点对应的分段离散轨迹：S221、针对转弯半径不为0的控制点进行圆弧过渡，并根据当前点的参数和前后点参数获得圆弧转弯开始点、圆弧转弯结束点、圆弧圆心、转弯提前距离和转弯角度；或者，S222、针对转弯半径为0的控制点进行直线过渡，转弯开始点、转弯结束点、圆心均为当前控制点，转弯提前距离和转弯角度为0；S223、基于步骤S221或S222的处理，生成由一个或者多个直线段以及或者一个或者多个圆弧段组成的分段离散轨迹，其中，直线段的开始点是第一个控制点或者上一个圆弧段的转弯结束点，直线段的结束点是下一个圆弧的转弯开始点或者最后一个控制点，每个圆弧段的开始点是圆弧所在控制点的转弯开始点，圆弧段的结束点是圆弧所在控制点的转弯结束点。

优选的，所述预设的采样顺序是直线段+圆弧段。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤S23中，在分段离散轨迹上的每一个直线段+圆弧段分段上分别进行水平采样和纵向高度采样，其中：水平采样包括直线段水平采样和圆弧段水平采样，通过水平采样获得离散采样轨迹点的经度、纬度、距离、飞行时间、垂直速度；通过纵向高度采样获得离散采样轨迹点的高度。在本发明的一些实施例中，通过如下方式实现直线段水平采样：利用文森特正解方法计算当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的距离和方向；基于在当前直线段中当前采样点的采样次数、当前直线段的前一个控制点对应圆弧的提前转弯距离计算当前采样点与其前一个控制点的距离，其中，当前采样点与其前一个控制点的距离＝前一个控制点的提前转弯距离+直线段采样步长*当前采样点的采样次数；以当前直线段的前一个控制点为基准点，基于当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的方向、当前采样点与前一个控制点的距离利用文森特反解方法计算当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的距离+采样步长*当前采样点的采样顺序号，当前采样点的飞行时间＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的飞行时间+(直线段采样步长*当前采样点的采样次数)/前一个控制点的水平速度。

在本发明的一些实施例中，通过如下方式实现圆弧段水平采样：以当前圆弧段的圆心为基准点，基于当前圆弧段的转弯开始点坐标和转弯结束点坐标计算当前圆弧段的转弯开始点方向和转弯结束点方向；基于当前圆弧段的转弯开始点方向、当前采样点的采样次数、圆弧段采样步长计算当前采样点的方向，其中，当前采样点的方向＝转弯开始点方向+圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数；以转弯圆心为开始点、以转弯半径为距离，基于当前采样点的角度利用文森特反解公式计算出当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点距离+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/180，当前采样点的飞行时间＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点时间+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/(180*当前圆弧段对应控制点的水平速度)。

在本发明的一些实施例中，通过如下方式实现对每一个完成水平采样的离散采样点进行纵向高度采样：当前离散采样点的前一个控制点的垂速为0时，采用平滑过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝前一个控制点的高度+(当前离散采样点到前一个控制点的距离/当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的距离)*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差；或者，当前离散采样点的前一个控制点的垂速不为0时，采用机动过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝当前离散采样点的前一个控制点的转弯点开始点高度+(当前离散采样点与前一个控制点的转弯开始点的相对时间差/(当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差/前一个控制点的垂速))*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差。

根据本发明的第二方面，提供一种机动对象运动轨迹模型构建系统，所述系统包括：数据获取模块，用于获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，并对所述源数据集合中的所有数据进行预处理转换成统一的数据结构以完成数据资源获取，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据；数据处理模块，用于对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样轨迹点数据，并将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列，将队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度；运动模型，用于基于轨迹点数据队列中每个轨迹点数据的位置坐标和速度生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

根据本发明的第三方面，提供一种机动对象场景虚拟化仿真方法，所述方法包括：P1、获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合；P2、采用如本发明第一方面所述的方法生成机动对象移动轨迹；P3、采用时间探针获取轨迹中对应于探针时间的轨迹点的位置坐标和姿态信息；P4、基于步骤P3获取的所有轨迹点的位置坐标和姿态信息进行仿真平台渲染。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过时间上的位置数据处理和速度数据处理，获得每个轨迹点的支持场景仿真的时间上的位置和速度，以此生成运动轨迹，在场景仿真中，根据虚实结合平台的时间探针技术，探针上带有时间进入运动轨迹后，会自动获取该时间的位置和姿态信息，支持平台动态渲染和分析。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的仿真方案流程示意图；

图2为根据本发明实施例的支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法流程示意图；

图3为根据本发明实施例的圆弧过渡示例示意图；

图4为根据本发明实施例的直线过渡示例示意图；

图5为根据本发明实施例的分段轨迹示例示意图；

图6为根据本发明实施例的直线段水平采样示例示意图；

图7为根据本发明实施例的圆弧段水平采样示例示意图；

图8为根据本发明实施例的纵向高度采样示例示意图。

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，以下通过具体实施例对本发明进一步详细说明。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。

如背景技术所述，现有技术下的运动轨迹大多是利用文森特进行位置解算，没有整个运动过程的轨迹离散和姿态信息输出，且离散轨迹是机动对象使用实时采样的数据并利用图像和GPS辅助规划下一个运动点，没有把真实节点虚拟化来实现虚拟节点模拟真实对象的运动轨迹。这样生成的运动轨迹无法保证数据的完整性、无法同时准确获取时间上的位置和姿态信息，不能很好的支持场景仿真中的动态渲染可视化。基于此，发明人设计了一种通过筛选合理数据、数据离散生成包含时间上的位置和姿态的运动轨迹的方案来生成运动轨迹，并基于时间探针获取轨迹中时间上的位置坐标和姿态来进行动态渲染，如图1所示，整个流程主要包括以下几个部分：

1、识别来源：基于获取到的机动对象在真实场景中的移动源数据，移动源数据包括轨迹数据和控制点数据。

2、对轨迹数据直接进行数据提取并转换成预设的标准轨迹数据结构，对控制点数据进行大地离散获得离散轨迹点，并将离散轨迹点转换成预设的标准轨迹数据结构。

3、将轨迹数据和离散轨迹点转换成支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置和速度，并生成运动轨迹。

4、采用时间探针，基于输入时间获取时间上的位置和姿态用于场景反复渲染。

本发明的目的在于解决现有技术下生成的运动轨迹数据无法满足虚实结合平台的场景仿真要求，提出一种新的支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法，如图2所示，所述方法包括步骤S1、S2、S3、S4，下面详细说明每个步骤。

在步骤S1中，获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，所述源数据集合中的数据具有预定的数据结构，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据。

在目前虚实结合平台的场景仿真中，数据的来源不确定，使得现有的数据的完整性和离散点精度不能支持仿真平台的分析和渲染。现有机动对象的数据主要分为两大类：轨迹数据和控制点数据，其中，轨迹数据主要是运行带有时间运动轨迹位置点，无姿态信息；控制点数据包含位置、速度、转弯信息，无时间(除第一点开始时间)、无姿态数据。这些数据都无法支持场景仿真平台的机动对象虚拟节点仿真运行和场中的态势分析，通过时间探针也无法提取时间上的位置和姿态。

不同来源的数据格式不统一，数据信息格式也不一致，不利于数据兼容快速分析，此外，不合理数据的存在也会极大的影响仿真效果。因此，本发明设计了统一的轨迹点数据结构，提取合理的源数据中的数据资源填入统一的轨迹点数据结构以利于运动轨迹的生成。根据本发明的一个实施例，所述统一的轨迹点数据结构如表1所示：

表1

其中，时间是指当前点的时间；经度、纬度、高度是当前点的大地位置信息；垂直速度是当前点的纵向(高度方向)的运动速度，控制范围是当前点到下一个点的垂直速度；距离是当前点距离第一点的距离；水平速度是当前点的水平方向(横向)的运动速度，控制范围是当前点到下一个点的水平速度；转弯半径是当前点的转弯过程控制，转弯半径为0时直线过渡，否则进行转弯圆弧飞行；

当前常用的数据来源分为轨迹文件数据和控制点数据，但是数据中可能会存在一些不合理数据，如果不剔除不合理数据，会导致场景仿真失真影响分析效果，因此本发明对数据源进行合理性判断以剔除不合理数据，然后从合理的数据中提取数据资源转换为统一的轨迹点数据结构。

当识别到源数据为轨迹文件的数据时(例如，分析的机动对象是飞机时，轨迹文件是来自民航的航迹数据或模拟数据)，数据中给出了时刻的位置信息数据，具备时间、经度、纬度和高度信息。首先，进行文件格式的合理性的判断：1)存在时间、经度、纬度和高度数据；2)数据的值是有效值，时间顺序依次递增，经纬度符合大地坐标系的定义范围；3)数据点数大于1且不重复。不符合三个条件中的任何一个条件的数据则判断为不合理。针对合理的轨迹数据，通过数据文件提取时间、经度、纬度和高度信息，填充到表1所示的统一的轨迹点数据结构中，其中，垂直速度、水平速度、距离和半径没有的数据设成默认值0，生成轨迹点结合的轨迹数据，完成轨迹文件数据资源的提取。

当识别到源数据为控制点数据时，仍然是先进行数据合理性判断再进行数据资源提取。控制点数据是根据机动对象(飞机、导弹、船只和车辆四种机动对象)特点，设计了控制点输入，根据控制点的参数可控制机动对象运动过程，实现运动方向、转弯过程、水平飞行速度和高度上的垂直速度的运动控制。控制点的通用数据结构如表2所示,k，key，包括：开始时间、经度、纬度、高度、转弯半径和垂直速度，其中，“√”必须有，“○”可选，“×”无需参数。可以看出，控制点的原数据结构与轨迹点数据是不一样的，需要将其转换为轨迹点数据结构以方便后续处理。

表2

其中，控制点数据的合理性判断包括以下几个方面：

第一个点参数必须包含开始时间、经度、纬度、高度、转弯半径、水平速度，由于机动对象是运动的，所以对象的水平速度必须大于0，否则，是无效数据，控制点的第一点可不考虑转弯半径和垂直速度，若当前数据为无效数据，结束运动轨迹构建。

若当输入的控制点数目大于2时，除了第一个点和最后一个点外的点都是中间的点，中间点的参数必须包含经度、纬度、高度、水平速度。经度、纬度、高度、水平速度为有效值，经度、纬度、高度与前面输入的控制点不能同时相等，若同时相等则把当前点设置为无效点，并把当前点移除。水平速度小于等于0为无效数据，当前数据为无效数据，则结束运动轨迹构建；转弯半径和垂直速度为可选参数，根据输入的值识别转弯半径和纵向过渡的方法。

最后一个点的参数必须包含经度、纬度、高度且经度、纬度、高度与前面输入的控制点不能同时相等，同时相等则把当前点设置为无效点，并把当前点移除。由于是最后一点，转弯半径、水平速度和垂直速度不做强制设置限制，计算过程中不会使用。

针对合理的控制点数据，提取控制点的参数填充到表1所示的统一的轨迹点数据结构中，没有设置的参数，设置默认值为0，完成控制点数据资源获取。

通过上述方法，本发明可以自适应识别数据来源并进行统一的数据格式转换。

在步骤S2中，对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据。

经过步骤S1的处理后，所有合理的轨迹数据和控制点数据已经完成数据资源提取并转换成了统一的轨迹点数据结构，相当于控制点数据也转换成了轨迹点数据。但是控制点数据除第一点开始时间外，点上都无姿态数据，若直接用于仿真平台只能画出直线相连的路径，无法模拟转弯和高度变换的演变过程，也无法支持空间可见性分析和覆盖分析，因此，需要对控制点数据转换后的轨迹点数据进行离散处理，通过离散采样获得包含姿态信息的采样点。

完成数据资源提取后，对生成的统一格式的轨迹点数据进行处理，获取轨迹点集合，如果轨迹点集合中的点对应的时间数据为非0且依次递增，则该轨迹点集合是源数据中的轨迹文件数据转换而来，不对其做处理。当轨迹点集合中的点对应的时间除第一个点之外都为0，则该轨迹点集合是源数据中的控制点数据转换而来，需要对其做离散处理。

对控制点转换后的轨迹点数据做离散处理的目的在于获取轨迹点的姿态信息以支持平台渲染。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S2包括：

S21、对控制点数据进行转弯参数解算以获得每个控制点的转弯参数，包括转弯开始点、转弯结束点、圆心、转弯提前距离和转弯半径。其中，当控制点的数据量为2个时，直接进行采样过程。当控制点的数据量大于2个时，首先转弯参数解算，通过转弯参数解算后获得每个控制点解算出的数据包括：转弯开始点、转弯结束点、圆心、转弯提前距离和转弯角度。

S22、根据结算出的转弯参数，生成控制点对应的分段离散轨迹。根据本发明的一个实施例，本发明以转弯半径参数作为判断标志，当转弯半径不为0时，如图3所示的控制点2，转弯过程圆弧过渡，根据当前点的参数和前后点参数，计算输出转弯开始点、转弯结束点、圆心、转弯提前距离和转弯角度；当半径为0，如图4所示的控制点2所述，转弯过程直线过渡，直线过渡转弯开始点为控制2、转弯结束点为控制2、圆心为控制2、转弯提前距离为0、转弯角度为0。通过转弯过程的处理生成直线段+圆弧段+直线段+圆弧段+……+圆弧段+直线段的分段离散轨迹，其中，直线段的开始点是第一个控制点或者上一个圆弧段的转弯结束点，直线段的结束点是下一个圆弧的转弯开始点或者最后一个控制点，每个圆弧段的开始点是圆弧所在控制点的转弯开始点，圆弧段的结束点是圆弧所在控制点的转弯结束点。如图5所示，由控制点1、控制点2、控制点3、控制点4生成的分段轨迹，第一个直线段的开始点是控制点1，其他直线段的开始点是上一个圆弧段的转弯结束点(例如，第二个直线段的开始点是控制点2的转弯结束点2，第三个直线段的开始点是控制点3的转弯结束点3)，第一个直线段的结束点是控制点2的转弯开始点2，第二个直线段的结束点是控制点3的转弯开始点3，第一个圆弧段的开始点是控制点2的转弯开始点2,、结束点是控制点2的转弯结束点2，第二个圆弧段的开始点是控制点3的转弯开始点3,、结束点是控制点3的转弯结束点3。

S23、按照预设的采样顺序，在分段离散轨迹上的每一个分段按照预设的步长进行离散采样，获得多个离散采样轨迹点数据。如图5所示，生成的分段轨迹是直线段+圆弧段+直线段+圆弧段+……+圆弧段+直线段，根据本发明的一个实施例，本发明根据控制点参数控制过程变化和控制点转弯输出参数，为简化和复用的离散方法，采样顺序的采样是直线段+圆弧段，对每一个直线段+圆弧段的分段按照直线段采样、圆弧段采样的顺序进行离散采样。

其中，离散主要分为水平采样和纵向采样，水平采样是转弯过程的采样，纵向采样是高度变化过程的采样。

每一次直线段+圆弧段的采样先进行水平采样，即大地投影的位置离散采样，再进行纵向高度采样。下面详细说明每种采样过程。

a)水平采样分为直线段采样和圆弧段采样:

直线段采样包括：利用文森特正解方法计算当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的距离和方向；基于在当前直线段中当前采样点的采样次数、当前直线段的前一个控制点对应圆弧的提前转弯距离计算当前采样点与其前一个控制点的距离，其中，当前采样点与其前一个控制点的距离＝前一个控制点的提前转弯距离+直线段采样步长*当前采样点的采样次数；以当前直线段的前一个控制点为基准点，基于当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的方向、当前采样点与前一个控制点的距离利用文森特反解方法计算当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的距离+采样步长*当前采样点的采样顺序号，当前采样点的飞行时间＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的飞行时间+(直线段采样步长*当前采样点的采样次数)/前一个控制点的水平速度，采样点的垂直速度与当前直线段的前一个控制点的垂直速度保持一致。

根据本发明的一个示例，如图6所示，假设对控制点2与控制点3之间的直线段进行采样，当前的直线段的飞行方向，是前一个控制点2和后一控制点3的经度、纬度调用文森特正解公式计算出的两个控制点间的距离和方向，假如控制点2和控制点3的距离和方向为dis_23和angle23，控制点2的水平速度为speed2，当前直线段的前一次分段轨迹中直线段离散的结束点时间和距离分为time_pre和dis_pre,采样步长step。计算在当前直线段上的采样点p的经度和纬度，采样点p在当前直线段的第n采样上，aheadDis是转弯的提前距离，p点距控制点2的距离为aheadDis+step*n,以控制点2为基准点、方向angle23和p点距控制点2距离调用文森特反解公式，算出离散点p的经度、纬度,离散点p的距离为dis_pre+step*n,离散点p的飞行时间为time_pre+(step*n)/speed2，离散点p的垂直速度与控制点2的垂直速度一致。

圆弧段采样包括：以当前圆弧段的圆心为基准点，基于当前圆弧段的转弯开始点坐标和转弯结束点坐标计算当前圆弧段的转弯开始点方向和转弯结束点方向；基于当前圆弧段的转弯开始点方向、当前采样点的采样次数、圆弧段采样步长计算当前采样点的方向，其中，当前采样点的方向＝转弯开始点方向+圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数；以转弯圆心为开始点、以转弯半径为距离，基于当前采样点的角度利用文森特反解公式计算出当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点距离+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/180，当前采样点的飞行时间＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点时间+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/(180*当前圆弧段对应控制点的水平速度)。采样点的垂直速度与其所在圆弧对应的控制点的垂直速度保持一致。

根据本发明的一个示例，如图7所示，假设对控制点2对应的圆弧进行离散采样，采样步长为arcStep。根据转弯过程解算输出的参数，以转弯圆心0为基准点，计算圆心到转弯开始点方向和转弯结束点方向，由于文森特的解算两个点的方向和反方向是大地圆弧，解算出开始点和结束点到圆心距离不是输入的半径，为解决直线段和圆弧段间的平滑过渡，本发明对算法进行重新优化，根据圆心和转弯开始点解算两点的距离并更新转弯半径参数为R。按照圆弧采样步长arcStep和当前采样点在当前圆弧段上次数n，计算出离散点P’所在的方向turn_begin_angle+arcStep*n,，以转弯圆心为开始点、转弯半径R为距离和计算出的角度，调用文森特反解公式算出离散点P’的经度、纬度，假设同一分段轨迹中的直线段采样的结束点距离和时间分别为line_end_dis和line_end_time，解算圆弧离散点P’的距离为line_end_dis+(arcStep*n*R*π)/180,飞行时间为line_end_time+(arcStep*n*R*π)/(180*speed2)，其中speed为控制点2的水平速度。

b)纵向高度采样

每个离散点完成水平方向离散后，离散点高度根据纵向采样得出。在水平离散过程中，完成离散点的经度和纬度输出后，进行高度方向的采样。若当前离散采样点的前一个控制点的垂速为0时，采用平滑过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝前一个控制点的高度+(当前离散采样点到前一个控制点的距离/当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的距离)*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差；当前离散采样点的前一个控制点的垂速不为0时，采用机动过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝当前离散采样点的前一个控制点的转弯点开始点高度+(当前离散采样点与前一个控制点的转弯开始点的相对时间差/(当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差/前一个控制点的垂速))*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差。

平滑过渡时，从当前离散点的前一个控制点的转弯圆弧的中心点到下一个控制点的转弯圆弧中心点间高度线性过渡，根据本发明的一个示例，仍旧以图6中的示例为例，如图8(a)和(b)所示，控制点的高度是在转弯圆弧中分位置(如控制点高度h1和h2)，高度的变化是根据两个点间的高度差和距离进行插值，计算出开始控制点中心点(也就是当前离散点的前一个控制点的中心点，例如，图8(a)中的控制点2的中心点)和结束控制点中心点(也就是当前离散点的后一个控制点的中心点，例如，图8(b)中的控制点3的中心点)的距离(以Length表示)和高度差Δh，在图8(a)中距离(Length)为halfArcLength2+disLine+halfArcLength3，其中halfArcLength2为控制点2的圆弧长度的一半，disline为控制点2和控制点3之间的直线段长度，halfArcLength3为控制点3的圆弧长度的一半。当前离散点p的高度＝前一个控制点高度+(s/Length)*Δh，由此完成纵向高度采样。其中，s为当前离散点到开始控制中心点(如图8(a)中的控制点2的中心点)的距离，针对不同的离散点分布，s采用不同的方式计算：若当前离散采样点p在直线段(控制点2到控制点3的之间的直线段)上，则s＝halfArcLength2+dis_p，其中，dis_p为当前离散点p到转弯开始点的距离，当前离散点在直线段上时，dis_p为当前离散点p到控制点2的转弯开始点的距离；若当前离散采样点p在前一个弧段(控制点2的中心点到控制点2的转弯结束点的弧段)上，则s＝dis_p-halfArcLength2，当前离散点在前一个弧段上时，dis_p为当前离散点p到控制点2的转弯开始点的距离；若当前离散采样点在后一个弧段(控制点3的转弯开始点到中心点的弧段)上，s＝halfArcLength2+disLine+dis_p，当前离散点在后一个弧段上时，dis_p为当前离散点p到控制点3的转弯开始点的距离。

机动过渡时，控制点的高度是在转弯圆弧的开始位置，进行高度变化过渡，当到达后一控制点的高度后高度转平稳，保持高度不变，完成当前控制点的机动过渡，高度的变化是根据两个点间的高度差Δh。如图8(c)和(d)所示，根据高度差Δh除以垂速，得出纵向机动变化过程中需要的时间t，根据离散点与转弯开始点的相对时间差Δt，采样点高度为前一个控制点的转弯点高度+(Δt/t)*Δh，Δt/t最大为1，完成纵向高度采样复制。

按照上述方法完成每一个直线段+圆弧段分段轨迹的离散采样，获得控制点对应的多个离散采样轨迹点数据，

在步骤S3中，将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列。

在步骤S4中，将轨迹点数据队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度并生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

机动对象采样步长相对卫星对象的采样步长比较小，其在转弯过程中，达到秒级，在平飞段采样步长可以比转弯段长，但整个过程的数据量也是很大的，不可能通过其他工具一一计算。而且在场景仿真的空间态势分析中，如可见性分析和覆盖分析，不能预测什么时刻可见什么时刻覆盖，这些都需通过分析检测器检测，检测器需要通过时间探针获取对象的运行状态，所以必须提供时间探知的位置和姿态的方法。

通过外部输入的数据处理得到的轨迹点数据生成运动轨迹后，可以得到时间上的轨迹点的信息数据，但是在这之前数据中还未生成姿态信息，在虚实结合场景平台无法进行飞行的姿态模拟，支持虚实结合场景平台渲染必须输出地固坐标系(ECEF)位置信息和框架姿态四元素。因此，本发明在生成运动轨迹后，将处理完的轨迹点数据进行转换，把数据转换成J2000地心天球坐标系框架上的时间上的位置速度。其中，包括时间上的位置数据处理和时间上的速度数据处理。

所述时间上的位置数据处理是基于轨迹点数据，根据输入的时间进行大地上的线性插值，计算出当前时间上的大地坐标(经度、纬度、高度)，把大地坐标系转换成J2000框架下三轴的位置x,y,z，其转换过程为大地坐标到J2000的转换方法：大地坐标——ENU(东北天坐标系)——ECEF(地心坐标系)——J2000。所述时间上的速度数据处理是基于轨迹点数据，根据输入的时间进行速度计算并转换到通用的J2000坐标框架下。这是由于数据源为轨迹文件时，并没有直接给出速度，通过前面实施例可以提取带时间的点位置坐标，因此可以根据两点的位置和时间计算出速度，得到时间上的位置和速度的轨迹点。也就是说，针对根据输入的时间进行查询获取当前时间的前一个和后一个轨迹点，针对前一个和后一个轨迹点的位置和时间，计算出速度的标量值以及速度的方向，把前一个和后一个轨迹点的位置转换成ECEF坐标系，两个位置进行矢量运算，求出速度的单位值上的方向，结合速度标量计算出速度的空间矢量并转换到通用的J2000坐标框架下。

通过时间上的位置数据处理和速度数据处理，获得每个轨迹点的支持场景仿真的时间上的位置和速度，以此生成运动轨迹，在场景仿真中，根据虚实结合平台的时间探针技术，探针上带有时间进入运动轨迹后，会自动获取该时间的位置和姿态信息，支持平台渲染和分析。

如表3所示，根据时间探针技术，进入本发明生成的运动轨迹后可快速获得时间上的位置和姿态信息。

表3

通过上述实施例可以看出，通过本发明，可以根据机动对象的不同数据来源，完成虚拟节点移动运动轨迹生成，输出节点的位置和姿态信息，支持场景的模型展示和空间态势分析。本发明通过高精度离散和算法快速适配完成控制点的轨迹离散，离散的转弯过程平滑，高度变换过程无突变。数据源不同的运动轨迹的生成设计，能够快速便捷生成运动轨迹，能够快速提取任意时刻的机动对象的运行状态，保证快速输出机动对象的时间、位置和姿态，支持平台的分析和渲染。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (16)

1.一种支持场景仿真的机动对象移动轨迹构建方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，所述源数据集合中的数据具有预定的数据结构，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据；

S2、对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据；

S3、将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样的时间上的轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列；

S4、将轨迹点数据队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度并生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、对所有源数据进行合理性判断，以获得合理的源数据；

S12、按照统一的轨迹点数据结构提取每个合理的源数据中对应的信息以完成源数据资源获取，其中，源数据中没有对应的信息时设置默认值为0。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述统一的轨迹点数据结构至少包括：

时间、经度、纬度、高度、垂直速度、距离、水平速度、转弯半径。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S12中，将同时满足如下条件的源轨迹点数据判定为合理的源数据：

数据中存在时间、经度、纬度和高度信息；

数据的取值有效、时间顺序依次递增、经纬度符合大地坐标系的定义范围；

数据点数大于1且不重复。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S12中，将同时满足如下条件的控制点数据判定为合理的源数据，其中控制点数据至少包括第一点和最后点，当数据量大于2个时，还包括中间点：

数据中存在经度、纬度、高度、水平速度信息；

除最后点外，其他控制点数据中水平速度大于0；

最后点数据中的经度、纬度、高度信息与前面的任意一个控制点数据中的经度、纬度、高度信息不同时相同。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、对控制点数据进行转弯参数解算以获得每个控制点的转弯参数，包括转弯开始点、转弯结束点、圆心、转弯提前距离和转弯半径；

S22、根据解算出的转弯参数，生成控制点对应的分段离散轨迹；

S23、按照预设的采样顺序，在分段离散轨迹上的每一个分段按照预设的步长进行离散采样，获得多个离散采样轨迹点数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤S22中，通过如下方式生成控制点对应的分段离散轨迹：

S221、针对转弯半径不为0的控制点进行圆弧过渡，并根据当前点的参数和前后点参数获得圆弧转弯开始点、圆弧转弯结束点、圆弧圆心、转弯提前距离和转弯角度；或者

S222、针对转弯半径为0的控制点进行直线过渡，转弯开始点、转弯结束点、圆心均为当前控制点，转弯提前距离和转弯角度为0；

S223、基于步骤S221或S222的处理，生成由一个或者多个直线段以及或者一个或者多个圆弧段组成的分段离散轨迹，其中，直线段的开始点是第一个控制点或者上一个圆弧段的转弯结束点，直线段的结束点是下一个圆弧的转弯开始点或者最后一个控制点，每个圆弧段的开始点是圆弧所在控制点的转弯开始点，圆弧段的结束点是圆弧所在控制点的转弯结束点。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设的采样顺序是直线段+圆弧段。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

在所述步骤S23中，在分段离散轨迹上的每一个直线段+圆弧段分段上分别进行水平采样和纵向高度采样，其中：

水平采样包括直线段水平采样和圆弧段水平采样，通过水平采样获得离散采样轨迹点的经度、纬度、距离、飞行时间、垂直速度；

通过纵向高度采样获得离散采样轨迹点的高度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下方式实现直线段水平采样：

利用文森特正解方法计算当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的距离和方向；

基于在当前直线段中当前采样点的采样次数、当前直线段的前一个控制点对应圆弧的提前转弯距离计算当前采样点与其前一个控制点的距离，其中，当前采样点与其前一个控制点的距离＝前一个控制点的提前转弯距离+直线段采样步长*当前采样点的采样次数；

以当前直线段的前一个控制点为基准点，基于当前直线段的前一个控制点与后一个控制点间的方向、当前采样点与前一个控制点的距离利用文森特反解方法计算当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的距离+采样步长*当前采样点的采样顺序号，当前采样点的飞行时间＝前一个分段轨迹中直线段采样结束点的飞行时间+(直线段采样步长*当前采样点的采样次数)/前一个控制点的水平速度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过如下方式实现圆弧段水平采样：

以当前圆弧段的圆心为基准点，基于当前圆弧段的转弯开始点坐标和转弯结束点坐标计算当前圆弧段的转弯开始点方向和转弯结束点方向；

基于当前圆弧段的转弯开始点方向、当前采样点的采样次数、圆弧段采样步长计算当前采样点的方向，其中，当前采样点的方向＝转弯开始点方向+圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数；

以转弯圆心为开始点、以转弯半径为距离，基于当前采样点的角度利用文森特反解公式计算出当前采样点的经度和纬度；其中，当前采样点的距离＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点距离+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/180，当前采样点的飞行时间＝同一分段轨迹中的直线段采样结束点时间+(圆弧段采样步长*当前采样点的采样次数*转弯半径*π)/(180*当前圆弧段对应控制点的水平速度)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过如下方式实现对每一个完成水平采样的离散采样点进行纵向高度采样：

当前离散采样点的前一个控制点的垂速为0时，采用平滑过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝前一个控制点的高度+(当前离散采样点到前一个控制点的距离/当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的距离)*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差；或者

当前离散采样点的前一个控制点的垂速不为0时，采用机动过渡的方式计算当前离散采样点的高度，其中，当前离散采样点的高度＝当前离散采样点的前一个控制点的转弯点开始点高度+(当前离散采样点与前一个控制点的转弯开始点的相对时间差/(当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差/前一个控制点的垂速))*当前离散采样点的前一个控制点和后一个控制点间的高度差。

13.一种机动对象运动轨迹模型构建系统，其特征在于，所述系统包括：

数据获取模块，用于获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合，并对所述源数据集合中的所有数据进行预处理转换成统一的数据结构以完成数据资源获取，其中，所述源数据集合中包括多个控制点数据和多个源轨迹点数据；

数据处理模块，用于对所有控制点数据进行轨迹离散，获得控制点对应的多个离散采样轨迹点数据，并将所有源轨迹点数据和控制点对应的多个离散采样轨迹点数据组成时间上有序的轨迹点数据队列，将队列中的每个轨迹点数据转换为支持场景仿真的坐标系下的时间上的位置坐标和速度；

运动模型，用于基于轨迹点数据队列中每个轨迹点数据的位置坐标和速度生成运动轨迹，运动轨迹中的每个轨迹点包含时间上的位置坐标信息以及姿态信息。

14.一种机动对象场景虚拟化仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

P1、获取机动对象在真实场景中移动的源数据集合；

P2、采用如权利要求1-12任一所述的方法生成机动对象移动轨迹；

P3、采用时间探针获取轨迹中对应于探针时间的轨迹点的位置坐标和姿态信息；

P4、基于步骤P3获取的所有轨迹点的位置坐标和姿态信息进行仿真平台渲染。

15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至12任一所述方法的步骤。

16.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至12中任一项所述方法的步骤。

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