CN114332418A

CN114332418A - 一种目标轨迹模拟方法及装置

Info

Publication number: CN114332418A
Application number: CN202111565184.2A
Authority: CN
Inventors: 谭超; 王江枫; 李亚忆; 李广德; 吴道广; 甘沅丰; 王�义; 吴新; 史亚锋
Original assignee: CETC 52 Research Institute
Current assignee: CETC 52 Research Institute
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN114332418B

Abstract

本发明公开了一种目标轨迹模拟方法及装置，通过设置时间步长，对于当前时间步长，计算当前时间步长结束时目标速度以及对应的加速度和角速度，并据此计算当前时间步长内平均速度和平均角速度，从而预测出本时间步长剩余时间内最大运动距离和最大转向角，并计算下一个路径点相对目标的方位角、俯仰角和斜距，确定出目标运动朝向的方位角，然后运动到下一个位置，更新当前目标状态，在运动到最后一个路径点时结束运动模拟。本发明对于目标运动的模拟更加精确。

Description

一种目标轨迹模拟方法及装置

技术领域

本申请属于目标轨迹模拟技术领域，尤其涉及一种目标轨迹模拟方法及装置。

背景技术

在侦察系统的装备功能性能试验中，往往需要利用合作目标进行试验。合作目标可采用真实目标和数字仿真目标。使用真实目标(如无人机)测试更接近实际的作战场景，但测试成本较高，测试过程也较为复杂。数字仿真目标轨迹模拟会建立目标的运动模型，根据目标的固有属性和运动趋势计算运动姿态，并发送给需要测试的装备或模拟器。

现有技术对目标运动轨迹的模拟大多基于wgs-84或类似的地理坐标系，均为三维直角坐标系。在距离较近时，动目标在地面上按最短路径到达某点的运动轨迹接近直线，在直角坐标系下对目标轨迹进行模拟可以得出近似解。但侦察系统区域范围较大，考虑到地球是一个椭球体，地面目标与低慢小飞行器的运动轨迹并非直线，仍在直角坐标系下模拟目标轨迹会产生较大误差。

发明内容

本申请的目的是提供一种目标轨迹模拟方法及装置，以克服在直角坐标系下模拟目标轨迹会产生较大误差的问题。

为了实现上述目的，本申请技术方案如下：

一种目标轨迹模拟方法，包括：

步骤S1、设置时间步长，输入目标的属性及经过的路径点，初始化目标的当前状态；

步骤S2、对于当前时间步长，计算当前时间步长结束时目标速度以及对应的加速度和角速度，并据此计算当前时间步长内平均速度和平均角速度，从而预测出本时间步长剩余时间内最大运动距离和最大转向角；

步骤S3、将目标当前的位置和下一个路径点的经纬度代入Vincenty逆解公式，计算下一个路径点相对目标的方位角、俯仰角和斜距；

步骤S4、比较下一个路径点相对目标的方位角与本时间步长剩余时间内最大转向角，确定出目标运动朝向的方位角；

步骤S5、判断目标当前位置与下一个路径点之间的斜距是否大于本时间步长剩余时间内最大运动距离，如果大于，转入步骤S6，否则，转入步骤7；

步骤S6、目标按照下一个路径点相对目标的俯仰角和目标运动朝向的方位角运动，运动距离为所述最大运动距离，并通过Vincenty正解公式计算出当前时间步长结束时的结束方位和位置，输出目标当前的运动状态，重置剩余时间转入步骤S2进行下一个时间步长的计算；

步骤S7、目标按照下一个路径点相对目标的俯仰角和目标运动朝向的方位角运动，运动距离为所述斜距，并通过Vincenty正解公式计算出到达下一路径点时的结束方位和位置，判断是否还存在下一个路径点，如果存在，则计算剩余时间后返回步骤S3，否则输出目标当前的运动状态，目标轨迹模拟完成。

进一步的，所述对于当前时间步长，计算当前时间步长结束时目标速度以及对应的加速度和角速度，并据此计算当前时间步长内平均速度和平均角速度，从而预测出本时间步长剩余时间内最大运动距离和最大转向角，包括：

根据目标的当前速度v_c和加速度a_c计算出当前步长可加速到的最快速度v_m＝v_c+a_ct，若v_m>v_max，则当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_max；若v_m≤v_max，则当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_m；v_max表示的目标的最大速度；

对应的，当前时间步长结束时目标加速度a_g＝(v_g-v_c)/t，角速度

r为转向半径；

根据设置的时间步长t，目标在当前步长t内的平均速度

与剩余时间t_c内的最大运动距离

时间步长t内的平均角速度

剩余时间t_c内的最大转向角

进一步的，所述比较下一个路径点相对目标的方位角与本时间步长剩余时间内最大转向角，确定出目标运动朝向的方位角，包括：

表示下一个路径点相对目标的方位角，如果

则目标运动朝向的方位角

若

则目标运动朝向的方位角

为当前方位角

减去最大转向角

或为当前方位角

加上最大转向角

进一步的，所述目标在一次运动的过程中，加速度不变，俯仰角不变。

进一步的，所述目标在一次运动结束后，用结束方位和位置更新目标当前的方位和位置。

本申请还提出了一种目标轨迹模拟装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现所述目标轨迹模拟方法的步骤。

本申请提出的一种目标轨迹模拟方法及装置，对于目标运动的模拟更加精确，更接近真实目标在地球上沿一系列路径点按最短路径运动的实际运动轨迹，能更好的验证对应装备或模拟器的功能性能。

附图说明

图1为本申请目标轨迹模拟方法流程图；

图2为本申请实施例目标位置关系示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

大地主题解算是大地主题正算和反算问题的统称，是椭球面大地测量学研究的核心问题之一，也是作战仿真领域兵力实体位置推算和弹道计算的核心算法。其中，Vincenty公式是ThaddeusVincenty于1975年提出的一种以椭球体来计算两点距离的方法，它是基于地球椭球面上经纬度和两点间距离方位转换计算求解大地解算问题，其采用贝塞尔球作为过渡，先将椭球面各大地元素按特定要求转换到辅助球面，并在球面上解算，然后通过椭球改正项把球面解算的结果再归算到椭球面上。

Vincenty公式以贝塞尔公式为基础，推导出嵌套系数公式，可适用于任何距离的大地主题解算，包括正解公式和反解公式。Vincenty正解公式，即已知一点的经纬度坐标及它与另一点的距离和方位，求另一点的经纬度坐标；Vincenty反解公式，即已知两点的经纬度坐标，求它们之间的距离和方位。Vincenty公式的数学表达式已经是公开的技术，这里不再赘述。本申请将Vincenty公式应用于目标轨迹的模拟，提高目标轨迹模拟的精度。

目标轨迹的模拟过程基于时间步长，用户可设置最短为1ms的仿真步长，系统时钟按照此时间步长依次推进推演进程，在每个时间步长内，可以忽略目标及态势的状态变化，近似的认为目标及态势未发生变化，在每个时间步长结束时，更新目标状态。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种目标轨迹模拟方法，包括：

步骤S1、设置时间步长，输入目标的属性及经过的路径点，初始化目标的当前状态。

本申请技术方案中，将所有目标视作质点，每个步长目标的运动视为在地面(或近地)上沿某方位前进的匀(加)速运动。

首先输入目标的属性(类型、初始方位角、加速度a、最大速度v_max、转向半径r)及经过的路径点p₁、p₂…p_i…p_m(经纬高)，有m个路径点。目标类型包括人员、车辆、动物及低慢小物体，路径点可在gis地图上点选或手动输入经纬高坐标。

不同类型的目标属性上会有区别，如人的最大速度会比车小很多，使用者也可以自行修改属性。路径点是目标需要经过的一组坐标点，包含经度、纬度和高度信息，至少要有2个路径点。

初始化目标的当前状态(当前方位角

当前速度v_c＝0、当前角速度ω_c＝0、当前俯仰角Θ_c＝0、当前加速度a_c＝a、当前位置p_c＝p₁、下一路径点p_i＝p₂)与当前步长剩余运动时间t_c＝t，t为设置的时间步长。目标初始位置在第一个路径点处，朝第二个路径点运动。

步骤S2、对于当前时间步长，计算当前时间步长结束时目标速度以及对应的加速度和角速度，并据此计算当前时间步长内平均速度和平均角速度，从而预测出本时间步长剩余时间内最大运动距离和最大转向角。

在达到最高速度v_max前，目标会尽量加速。

在第一个时间步长时，记录目标当前速度v_c＝0，当前加速度a_c＝a。根据目标的当前速度v_c和加速度a_c计算出当前步长可加速到的最快速度v_m＝v_c+at，若v_m>v_max，则在当前时间步长结束时目标加速到最快速度，即当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_max。若v_m≤v_max，则当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_m。

对应的，可以计算当前时间步长结束时目标加速度a_g＝(v_g-v_c)/t，角速度

r为转向半径。

在其他时间步长时，记录目标当前速度v_c，加速度为a_c。根据目标的当前速度v_c和加速度a_c计算出当前步长可加速到的最快速度v_m＝v_c+a_ct，若v_m>v_max，则在当前时间步长结束时目标加速到最快速度，即当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_max。若v_m≤v_max，则当前时间步长结束时目标的速度v_g＝v_m。

r为转向半径。

根据设置的时间步长t，以及前面计算得到的加速度a_g和速度v_g计算目标在当前步长t内的平均速度

与剩余时间t_c内的最大运动距离

转向半径固定时，角速度与速度成正比，计算时间步长t内的平均角速度

计算剩余时间t_c内的最大转向角

步骤S3、将目标当前的位置和下一个路径点的经纬度代入Vincenty逆解公式，计算下一个路径点相对目标的方位角、俯仰角和斜距。

本申请采用Vincenty逆解公式，将目标当前的位置p_c和下一个路径点p_i的经纬度代入Vincenty逆解公式，可以计算出下一个路径点相对目标的方位距离，具体包括：方位角

与平距s_h。

然后根据下一个路径点p_i与目标当前位置p_c的高度差h计算出俯仰角Θ_p以及斜距s_tgt：

Θ_p＝tan^-1(h/s_h)

如图2所示，目标当前位置为p_c，下一个路径点位置为p_i，高度差为h，则分别可以计算出方位角

平距s_h、俯仰角Θ_p以及斜距s_tgt。

步骤S4、比较下一个路径点相对目标的方位角与本时间步长剩余时间内最大转向角，确定出目标运动朝向的方位角。

目标会尽量转向p_i相对p_c的方位

若

说明目标可以转到方位

则目标运动朝向的方位角

若

则转动最大转向角转向

目标运动朝向的方位角

为当前方位角减去最大转向角，即

(逆时针)，或为当前方位角加上最大转向角即

(顺时针)。

步骤S5、判断目标当前位置与下一个路径点之间的斜距是否大于本时间步长剩余时间内最大运动距离，如果大于，转入步骤S6，否则，转入步骤7。

本步骤为判断步骤，判断在当前时间步长内能否到达下一路径点。即比较目标与下一路径点p_i的斜距s_tgt和当前步长的最大运动距离s_m，若s_tgt>s_m，说明剩余运动时间t_c内目标无法到达下一路径点p_i，否则说明剩余运动时间t_c内目标可以到达下一路径点p_i。

步骤S6、目标按照下一个路径点相对目标的俯仰角和目标运动朝向的方位角运动，运动距离为所述最大运动距离，并通过Vincenty正解公式计算出当前时间步长结束时的结束方位和位置，输出目标当前的运动状态，重置剩余时间转入步骤S2进行下一个时间步长的计算。

在目标无法到达下一路径点p_i时，目标按目标的方位角

和俯仰角Θ_p运动。由于在当前时间步长内，目标无法到达下一路径点p_i，因此在当前时间步长内，就只有一次运动。

方位角和俯仰角确定之后，则目标就开始当前时间步长的运动，运动距离为最大运动距离s_m。在本次运动就是沿该方位角和俯仰角运动的，目标的每次运动都认为是在球面上沿某一方位俯仰近似直线的匀变速运动。加速度、俯仰角在一次运动内都认为是不变的，方位角随着角速度计算会有微小的变化。

根据俯仰角Θ_p计算目标在地面上的运动距离s_l＝s_m×cosΘ_p。将目标当前位置p_c的经纬度、当前方位角

地面上的运动距离s_l代入Vincenty正解公式，计算目标在当前时间步长结束时到达位置的结束方位

与位置p_e，更新当前朝向

当前位置p_c＝p_e。

此时当前时间步长计算完成，更新v_c＝v_g，v_c＝ω_g，a_c＝a_g，Θ_c＝Θ_p。输出目标当前的运动状态(当前朝向

当前速度v_c、当前角速度ω_c、当前俯仰Θ_c、当前加速度a_c、当前位置p_c)，下一时间步长重置剩余时间t_c＝t，返回步骤S2。

在目标可以到达下一路径点p_i时，则目标按目标的方位角

和俯仰角Θ_p运动，运动到下一路径点p_i，运动距离为斜距s_tgt。

根据俯仰Θ_p计算目标在地面上的运动距离s_l＝s_tgt×cosΘ_p。将目标当前位置p_c的经纬度、当前朝向

地面上的运动距离s_l代入Vincenty正解公式，计算目标在到达路径点p_i时的结束方位

与坐标p_e，更新当前朝向

当前位置p＝p_e。

判断路径点p_c后是否还存在下一个路径点p_i+1。若存在p_i+1，则下一路径点p_i更新为p_i+1，更新当前步长剩余运动时间

更新v_c＝v_g，ω_c＝ω_g，a_c＝a_g，Θ_c＝Θ_p回到步骤S3，继续当前时间步长内的计算。需要说明的是，返回步骤S3后，还在当前时间步长内，继续当前时间步长内的运动，即在当前时间步长内有两次运动。

若不存在p_i+1，则目标已运动到最后一个路径点，更新当前朝向

当前位置p＝p_e，更新v_c＝v_g，ω_c＝ω_g，a_c＝a_g，Θ_c＝Θ_p，输出目标当前的运动状态，目标轨迹模拟完成。

在生成运动距离跨度较大的运动目标时，本申请目标轨迹模拟更接近实际目标在地球上的运动轨迹。

为了验证本申请技术方案的计算精度，可以连续进行Vincenty公式的正解与反解计算，将正解计算的结果作为反解公式的初值进行反算，比较反解公式结果与正算初值之间的偏差，就可以反映计算精度。取地球表面面上距离不同的两点，计算偏差结果如下表所示：

距离(km)	方位角(°)	距离偏差(m)	角度偏差(°)
				5	30	0.0091	0.00016
10	30	0.018	0.00016
				20	30	0.037	0.00015
50	30	0.091	0.00015

表1

考虑性能原因，Vincenty公式在实现中迭代次数较少，误差比理论较大，但在50公里内，最大距离偏差仅为0.091m，角度偏差极小，足以满足系统模拟需要。

上述Vincenty计算过程中椭球(地球模型)各参数定义如下：a为椭球长半轴，b为椭球短半轴，f为扁率f＝1-b/a，在WGS-84坐标系中，取a＝6378137，b＝6356752.3142，f＝1/298.257223563。

在另一个实施例中，还提出了一种目标轨迹模拟装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现所述目标轨迹模拟方法的步骤。

关于目标轨迹模拟装置的具体限定可以参见上文中对于目标轨迹模拟方法的限定，在此不再赘述。上述目标轨迹模拟装置可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上对应的操作。

存储器和处理器之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件互相之间可以通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过运行存储在存储器内的计算机程序，从而实现本发明实施例中的网络拓扑布局方法。

其中，所述存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器可能是一种集成电路芯片，具有数据的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等。可以实现或者执行本发明实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。