CN115167507A - 一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统 - Google Patents

一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统 Download PDF

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刘斌
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张欣召
张振华
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Abstract

本发明公开了一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统，属于导弹技术领域。系统包括硬件和地面三维监控系统软件，所述硬件部分用于运行地面三维操控系统软件，控制导弹的方位角度、俯仰角度和滚转角度以及导弹上云台的俯仰角度和方位角度，实现导弹地面三维监控系统软件和导弹之间的双向通信；导弹地面三维监控系统软件通过基于VC++单文档MFC框架下，调用Vega Prime三维视景驱动软件的API实现地面端监控导弹飞行状态的功能。本发明能够解决当前导弹存在导弹飞行弹道不能改变，飞行信息不够直观、不利于操控的问题。

Description

一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统
技术领域
本发明属于导弹技术领域，具体而言，涉及一种导弹地面操控系统。
背景技术
导弹主要分为弹道式导弹和巡航式导弹，巡航式导弹是一种弹道较复杂、变化性丰富的飞行导弹，更类似于无人机，可以由无线电遥控操纵或者飞行控制器控制。为了满足战争中的侦查监视、精确打击目标任务以及减少人员伤亡等要求，巡航弹的研究和应用越来越多。
巡航弹的构成主要包括空中飞行部分和地面监控站部分，监视与控制是地面部分两大核心功能模块，监控内容包括导弹姿态数据、机载设备状态、导引头图像；控制主要为导弹和云台姿态的调整，导弹的发射流程指令，云台控制指令均可从地面站发出。因此，对于导弹系统组成部分地面站系统的研究和设计具有重要的作用和实际意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统，能够解决当前导弹多采用固定的弹道或轨迹进行飞行，且飞行过程中通过二维画面监测导弹的位置和姿态信息，存在导弹飞行弹道不能改变，飞行信息不够直观、不利于操控的问题。
一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统，系统包括硬件和地面三维监控系统软件，所述硬件部分用于运行地面三维操控系统软件，控制导弹的方位角度、俯仰角度和滚转角度以及导弹上云台的俯仰角度和方位角度，实现导弹地面三维监控系统软件和导弹之间的双向通信；
所述导弹地面三维监控系统软件通过基于VC++单文档MFC框架下，调用VegaPrime三维视景驱动软件的API实现地面端监控导弹飞行状态的功能。
进一步地，所述硬件部分包括小型工控机、控制面板、无线数据传输模块、无线图像传输模块、主屏幕和触控屏；
所述小型工控机在Windows操作系统下运行地面站系统软件，小型工控机通过RS232串口连接所述控制面板和无线数据传输模块，通过HDMI接口连接触控屏，通过数据线连接主屏幕；
所述控制面板包括三个摇杆和四个按钮开关，三个摇杆的六个轴分别用来控制导弹的方位角度、俯仰角度和滚转角度以及导弹上云台的俯仰角度和方位角度，四个按钮用来配置相应的开关功能；
所述无线数据传输模块用于接收和发送实时数据，实现地面监控系统和导弹双向通信；
所述无线图像传输模块用于接收导弹发送回来的实时图像数据；
所述主屏幕连接述图像传输模块，用于显示图传模块接收到的图像；
所述触控屏用于显示导弹地面三维监控系统软件界面并承担人机交互功能。
进一步地，所述导弹地面三维监控系统软件包括飞行弹道规划模块、地面发射流程模块、飞行状态三维显示界面、模式控制模块和飞行数据显示模块；
所述飞行弹道规划模块用于交互输入导弹发射点、目标点位置，发射俯仰角和方位角信息，通过算法在线规划出导弹的理想弹道，巡航弹弹道包括爬升段和巡航段；
所述地面发射流程模块用于在导弹发射前进行准备工作，准备工作的流程包括：系统自检、信息装定、导航对准和发射指令；
所述飞行状态三维显示界面用于从不同视角显示导弹的飞行状态，具体包括导弹姿态视角，用来观察导弹相对于地面的滚转、俯仰、方位姿态；导弹位置视角，用来观察导弹前方的理想弹道及偏离理想弹道的距离、高度；导弹弹道视角，用来观察导弹整个理想弹道及导弹的实时位置，从而直观获得导弹飞行情况；
所述模式控制模块的作用是让用户选择导弹飞行控制模式，导弹飞行控制模式分为自动飞行模式、手动飞行模式和辅助飞行模式；若用户选择自动飞行模式，则导弹根据规划的理想弹道进行自动跟踪飞行，若选择手动飞行模式，则用户全程通过控制面板操控导弹进行飞行，若选择辅助飞行模式，则导弹只在直线飞行的时候切换成自动控制，转弯时由用户通过控制面板操控；
所述飞行数据显示模块通过数字和仪表显示导弹飞行过程中的实时参数，包括纬度、经度、高度、速度和加速度，以供操控人员掌握导弹的具体飞行参数和状态。
进一步地，所述导弹地面三维监控系统软件还包括地形场景模型和导弹模型，地形场景模型和导弹模型通过软件模拟实弹在现实中的飞行路径和飞行过程中导弹相对于地面的姿态。
进一步地，巡航段导弹采用“圆弧+直线+圆弧”的转移弹道拼接方案，当需要对准目标飞行时，以当前与目标点的连线构建位置方向矢量，计算当前航向需要转过的角度，按给定转弯半径转过角度后，按对准目标方向飞行即可；为满足目标点速度方向要求，以目标点速度方向延长线一定距离的一点为中心绘制大圆，当飞行器进行大圆区域后，根据当前速度方向与目标速度方向，自动转过对应角度，再按直线修正方式飞行即可。
进一步地，所述飞行状态三维显示模块中，将导弹的实际地心直角坐标转化为VP中的投影坐标，保证视景中导弹相对于地形的姿态位置和实际导弹相对于实际地形的姿态位置相同。
有益效果：
1、本发明的系统包括硬件和地面三维监控系统软件，地面三维监控系统软件通过基于单文档MFC框架的Vega Prime API编程实现巡航弹的实时三维状态监测，能够直观清楚的监测巡航弹偏离理想弹道的情况，让用户实时感知监控导弹的位置，姿态，速度等信息，从而能够更及时的做出交互和控制。
2、本发明使用一个无线数据传输模块通过自定义封装协议实现地面监控系统和巡航弹的双向通信，并通过地面操控系统发送信息指令，实现巡航弹在线弹道规划，从而使导弹能够灵活机动。
3、本发明的硬件组成简单且集成度高，通过一个RS232串口实现控制面板上三个摇杆、四个按钮开关的状态输入，通过另一个RS232串口连接无线数据传输模块实现地面站系统和导弹系统的通信。
4、本发明的交互方式方便可靠，通过所述触控屏的触控点选实现交互，通过控制面板实现手动控制，通过主屏幕观察导弹周围的实景，通过触控屏观察导弹及飞行过程的变化和参数。
附图说明
图1为本发明的三维地面监控系统的硬件框架图。
图2为本发明的三维地面监控系统的软件框架图。
图3为本发明的三维地面监控系统的工作流程示意图；
图4为起飞航迹示意图；
图5为转移航迹示意图；
图6为飞行状态三维监视界面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种导弹的三维地面监控系统，系统包括硬件和软件两个部分。如图1所示，系统硬件部分包括小型工控机、主屏幕、触摸屏、控制面板、无线数据传输模块和无线图像传输模块。所述小型工控机作为硬件的核心，在Windows操作系统下运行地面站系统软件，所述小型工控机上带有USB、HDMI等输入输出接口；控制面板包括三个摇杆和四个按钮开关，三个摇杆分别控制导弹的方位、俯仰、滚转以及导弹云台的俯仰、方位，控制面板通过RS232串口连接到小型工控机上；无线数据传输模块通过RS232串口连接到小型工控机上；触控屏通过HDMI高清口连接到小型工控机；无线图像传输模块同样通过HDMI高清口连接到主屏幕上，能够接收图像信号并显示在主屏幕上。
如图2所示，系统软件部分包括通过基于MFC框架的Vega Prime程序实现，包括飞行状态三维显示模块、弹道规划模块、地面流程模块、模式控制模块以及飞行数据显示模块。
系统软件界面的左半部分为所述飞行状态三维显示模块，飞行状态三维显示模块通过MFC程序框架调用Vega Prime软件API函数实现，在界面上显示通过creator创建的导弹模型、地形场景模型等三维数据库以及显示用户规划的弹道，如附图6所示。飞行状态三维显示模块包含三个通道，分别用来显示导弹姿态视角、导弹位置视角以及完整规划弹道视角；软件系统界面的右上角分别为弹道规划模块和地面流程模块。
弹道规划模块为用户输入区，用户通过在该模块将系统所需外界信息进行输入，包括发射点纬度、经度、海拔，目标点纬度、经度、海拔等信息，然后软件根据用户指令将用户输入的信息通过串口通信发送到无线数据传输模块，实现导弹弹道在线规划功能。同时根据所输入信息自动规划理想弹道并显示在飞行状态三维显示模块中，巡航弹弹道主要包括爬升段和巡航段，数学模型建立如下：
用于描述爬升段弹道的参数包括：定直爬升倾角θ、巡航高度hc和巡航修正过程距离Lc，此时起飞航迹在起飞航迹坐标系下的几何关系可以通过起始点、拉起点、改平点和终止点的坐标值进行描述。
起始点坐标：(0,0,0)；
改平点坐标：(hc/tanθ,0,-hc)；
终止点坐标：(hc/tanθ+Lc,0,-hc)。
导弹规划时，需把上述描述点转换至对应参考坐标系下，再根据需要的点密度，利用两点间的直线，通过线性插值方法，即可获得该段弹道。简化爬升段导弹示意图如图4所示：
巡航段导弹采用“圆弧+直线+圆弧”的转移弹道拼接方案，采用一种简化的飞行航迹控制策略：“转弯对准+直线航迹跟踪”，即当需要对准目标飞行时，以当前与目标点的连线构建位置方向矢量，计算当前航向需要转过的角度(转弯后指向位置矢量方向)，按给定转弯半径(比最小转弯半径略大即可)转过角度后，按对准目标方向飞行即可。为满足目标点速度方向要求，以目标点速度方向延长线一定距离的一点为中心绘制大圆，当飞行器进行大圆区域后，根据当前速度方向与目标速度方向，自动转过对应角度，再按直线修正方式飞行即可。
描述巡航导弹的参数即为：
起始点坐标：(x0,y0,z0)；
目标点坐标：(x1,y1,z1)。
在进行导弹规划时，导弹根据地面监控系统发送的起始点与目标点坐标，转换至对应参考坐标系下，通过线性插值即可完成弹道在线规划。巡航段简化弹道示意图如图5所示。
地面流程模块根据用户指令，通过串口通信依次发送系统自检、信息装定、导航对准、发射指令，使导弹依次完成起飞准备。
模式控制模块的作用是让用户选择导弹飞行控制模式，导弹飞行控制模式分为自动飞行模式、手动飞行模式和辅助飞行模式；若用户选择自动飞行模式，则导弹根据规划的理想弹道进行自动跟踪飞行，若选择手动飞行模式，则用户全程通过控制面板操控导弹进行飞行，若选择辅助飞行模式，则导弹只在直线飞行的时候切换成自动控制，转弯时由用户通过控制面板操控。
飞行数据显示模块通过串口通信接收导弹发送回来的飞行数据，并通过数字和仪表在界面进行数据显示，数据包括实时的纬度、经度、高度、俯仰角、滚转角、偏航角等。
为实现导弹在视景地形中的姿态和相对位置具有参照作用，本发明采用将导弹的实际地心直角坐标转化为VP中的投影坐标，从而保证视景中导弹相对于地形的姿态位置和实际导弹相对于实际地形的姿态位置相同，具体转换过程首先创建椭球形地球参考模型：
vpCoordSys::Ellipsoid*m_UserEllipse；//定义
m_UserEllipse＝new vpCoordSysEllipsoid("myEarth",6378140.0,6356755.0)；//创建
m_UserEllipse->ref()；//引用
给出地球参考模型后，即可进行各坐标系的创建，此处依次创建地心坐标系和投影坐标系，其中，投影坐标系采用MPIFlatEarth投影方式：
//地心坐标系定义、创建和引用
vpCoordSys*m_Geocentric；
m_Geocentric＝new vpCoordSys(vpCoordSys::TYPE_GEOCENTRIC,m_UserEllipse)；
m_Geocentric->ref()；
//创建投影坐标系之前，首先进行投影方式的定义、创建和引用
vpCoordSys::Projection*m_Projection；
m_Projection＝new vpCoordSysProjectionMPIFlatEarth(m_UserEllipse,0.0,0.0)；
m_Projection->ref()；
//投影坐标系定义、创建和引用
vpCoordSys*m_Projected；
m_Projected＝new vpCoordSys(m_Projection)；
m_Projected->ref()；
坐标系创建完成后，不能直接被用来对需要定位的对象赋位置和姿态值进行定位，还必须与坐标转换系统联合使用才能对赋值数据完成转换。创建坐标转换系统如下：
//地心坐标系转换系统定义、创建和引用
vpCoordConverter*m_ConvGeocentric；
m_ConvGeocentric＝new vpCoordConverter()；
m_ConvGeocentric->ref()；
//投影坐标系转换系统定义、创建和引用
vpCoordConverter*m_ConvProjected；
m_ConvProjected＝new vpCoordConverter()；
m_ConvProjected->ref()；
在坐标系统和坐标转换系统都创建完成后，即可将它们分别关联起来：
m_ConvGeocentric->setCoordSys(m_Geocentric)；
m_ConvProjected->setCoordSys(m_Projected)；
至此，已经完成两个不同坐标系的全部初始化工作，将导弹实际的地心直角坐标转化为投影坐标如下：
m_pos0.set(mxrcs.x0_ECEF,mxrcs.y0_ECEF,mxrcs.z0_ECEF)；
m_Projection->geocentricToProjected(&m_pos0,&m_hpr0)；
m_hpr0.set(hy_mc2ec_frame_p->mdata.mflyx.yaw*0.01,hy_mc2ec_frame_p->mdata.mflyx.pitch*0.01,hy_mc2ec_frame_p->mdata.mflyx.roll*0.01)；
m_pMissile->setRotateH(m_hpr0[0])；
m_pMissile->setRotateP(m_hpr0[1])；
m_pMissile->setRotateR(m_hpr0[2])；
m_pMissile->setPosition(m_pos0[0],m_pos0[1],m_pos0[2])。
如图3所示，用户通过触控屏操作运行在小型工控机上的地面站软件。用户打开所述地面站软件后，所述飞行状态三维显示模块载入导弹和地形场景模型；载入完成后用户通过所述弹道规划模块进行弹道信息输入，软件根据用户指令自动完成理想弹道规划，并将弹道显示在飞行状态三维显示模块中；完成弹道规划后，用户通过地面流程模块进行地面准备流程，依次进行导弹系统自检、信息装定、导航对准；导弹系统完成地面准备流程后，用户通过模式控制模块选择导弹飞行控制方式，若选择自动飞行模式，则导弹根据规划的理想弹道进行跟踪飞行。若选择手动或辅助飞行模式，则用户通过控制面板操控导弹进行飞行。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，系统包括硬件和地面三维监控系统软件，所述硬件部分用于运行地面三维操控系统软件，控制导弹的方位角度、俯仰角度和滚转角度以及导弹上云台的俯仰角度和方位角度，实现导弹地面三维监控系统软件和导弹之间的双向通信；
所述导弹地面三维监控系统软件通过基于VC++单文档MFC框架下，调用Vega Prime三维视景驱动软件的API实现地面端监控导弹飞行状态的功能。
2.如权利要求1所述的自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，所述硬件部分包括小型工控机、控制面板、无线数据传输模块、无线图像传输模块、主屏幕和触控屏；
所述小型工控机在Windows操作系统下运行地面站系统软件，小型工控机通过RS232串口连接所述控制面板和无线数据传输模块，通过HDMI接口连接触控屏，通过数据线连接主屏幕；
所述控制面板包括三个摇杆和四个按钮开关，三个摇杆的六个轴分别用来控制导弹的方位角度、俯仰角度和滚转角度以及导弹上云台的俯仰角度和方位角度，四个按钮用来配置相应的开关功能；
所述无线数据传输模块用于接收和发送实时数据，实现地面监控系统和导弹双向通信；
所述无线图像传输模块用于接收导弹发送回来的实时图像数据；
所述主屏幕连接述图像传输模块，用于显示图传模块接收到的图像；
所述触控屏用于显示导弹地面三维监控系统软件界面并承担人机交互功能。
3.如权利要求1所述的自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，所述导弹地面三维监控系统软件包括飞行弹道规划模块、地面发射流程模块、飞行状态三维显示界面、模式控制模块和飞行数据显示模块；
所述飞行弹道规划模块用于交互输入导弹发射点、目标点位置，发射俯仰角和方位角信息，通过算法在线规划出导弹的理想弹道，巡航弹弹道包括爬升段和巡航段；
所述地面发射流程模块用于在导弹发射前进行准备工作，准备工作的流程包括：系统自检、信息装定、导航对准和发射指令；
所述飞行状态三维显示界面用于从不同视角显示导弹的飞行状态，具体包括导弹姿态视角，用来观察导弹相对于地面的滚转、俯仰、方位姿态；导弹位置视角，用来观察导弹前方的理想弹道及偏离理想弹道的距离、高度；导弹弹道视角，用来观察导弹整个理想弹道及导弹的实时位置，从而直观获得导弹飞行情况；
所述模式控制模块的作用是让用户选择导弹飞行控制模式，导弹飞行控制模式分为自动飞行模式、手动飞行模式和辅助飞行模式；若用户选择自动飞行模式，则导弹根据规划的理想弹道进行自动跟踪飞行，若选择手动飞行模式，则用户全程通过控制面板操控导弹进行飞行，若选择辅助飞行模式，则导弹只在直线飞行的时候切换成自动控制，转弯时由用户通过控制面板操控；
所述飞行数据显示模块通过数字和仪表显示导弹飞行过程中的实时参数，包括纬度、经度、高度、速度和加速度，以供操控人员掌握导弹的具体飞行参数和状态。
4.如权利要求3所述的自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，所述导弹地面三维监控系统软件还包括地形场景模型和导弹模型，地形场景模型和导弹模型通过软件模拟实弹在现实中的飞行路径和飞行过程中导弹相对于地面的姿态。
5.如权利要求4所述的自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，巡航段导弹采用“圆弧+直线+圆弧”的转移弹道拼接方案，当需要对准目标飞行时，以当前与目标点的连线构建位置方向矢量，计算当前航向需要转过的角度，按给定转弯半径转过角度后，按对准目标方向飞行即可；为满足目标点速度方向要求，以目标点速度方向延长线一定距离的一点为中心绘制大圆，当飞行器进行大圆区域后，根据当前速度方向与目标速度方向，自动转过对应角度，再按直线修正方式飞行即可。
6.如权利要求4或5所述的自动弹道规划及追踪的三维监控系统，其特征在于，所述飞行状态三维显示模块中，将导弹的实际地心直角坐标转化为VP中的投影坐标，保证视景中导弹相对于地形的姿态位置和实际导弹相对于实际地形的姿态位置相同。
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