CN115292937A - 一种基于离散数据的雷达检靶gis仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统及方法，该系统包括环境管理模块、模型管理模块、数据管理模块、坐标转换模块、三维仿真模块和数据分析模块，所述环境管理模块用以对场景信息进行三维GIS环境仿真，并实现在三维GIS环境中加载三维模型；所述模型管理模块用以建立三维模型；所述数据管理模块用以对场景信息、三维模型以及作战数据进行解析、存储、加载和展示；所述坐标转换模块用以对各三维模型的位置数据进行坐标系转换；所述三维仿真模块用以实现弹道轨迹的仿真以及碰撞效果的模拟；所述数据分析模块用以对全场景以及全数据的态势进行回放。本发明有效解决了离散数据处理和多坐标系转换的技术难题。

Description

一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及地理信息技术领域，尤其涉及一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统及方法。

背景技术

三维仿真技术在很多行业中都有应用，比如设备仿真、园区仿真、城市仿真等等，三维仿真使现实世界在计算机里再现，用户可以借助视觉、听觉及触觉等多种感知与虚拟世界进行交互。地理信息系统(GIS，Geographic Information System)是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理。

GIS仿真技术是将三维仿真技术和GIS技术相结合的应用，解决大量地理位置信息和时间信息的宏观领域仿真问题，通过在GIS系统中建立系统模型并利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程，GIS仿真是建立在控制理论、相似理论和信息处理技术基础之上的，利用系统模型对真实系统进行模拟试验，并对实验结果进行分析研究，进而加速推动真实系统的进展。

由于GIS仿真是将GIS环境和仿真环境进行结合的技术，在很多方面还不够成熟，面临如下挑战：

(1)GIS仿真技术属于多学科交叉应用领域，不仅涉及传统的数学、统计学、运筹学、工业自动控制、计算机学科、系统工程等领域，还有涉及更加广泛的遥感、摄影测量、地理地图学、图形图像学、模式识别、人工智能等学科；

(2)来自实际系统中的数据是离散的，不同坐标系的，分属于不同设备的，如何利用这些离散数据模拟真实系统面临不小问题，如数据精度欠缺、数据不全面、数据突变等等；

(3)三维模型通常采用独立的坐标系统，如载体坐标系，GIS数据来源众多，采集方式各异，所采用的坐标系也存在一定的差异性，三维模型与GIS集成应用面临着各自坐标系不同，无法匹配的问题，GIS最基本的能力就是坐标转换，点线面的坐标转换已经十分成熟，但转换能力是否能应用到三维模型数据中，对GIS平台也是一个挑战。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，以解决如何利用离散数据模拟真实雷达检靶系统以及如何提高雷达检靶GIS仿真系统各坐标系转换效率的技术问题。

本发明的第一个目的是采用以下技术方案实现的：一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，包括环境管理模块、模型管理模块、数据管理模块、坐标转换模块、三维仿真模块和数据分析模块，所述环境管理模块用以对场景信息进行三维GIS环境仿真，并实现在三维GIS环境中加载三维模型；所述模型管理模块用以建立三维模型；所述数据管理模块用以对场景信息、三维模型以及作战数据进行解析、存储、加载和展示；所述坐标转换模块用以对各三维模型的位置数据进行坐标系转换；所述三维仿真模块用以实现弹道轨迹的仿真以及碰撞效果的模拟；所述数据分析模块用以对全场景以及全数据的态势进行回放。

进一步的，所述场景信息包括海洋场景信息、陆地场景信息以及空中场景信息。

进一步的，所述三维模型包括雷达三维模型和靶标三维模型，所述靶标三维模型包括舰船、战车、飞机和导弹。

进一步的，所述坐标系包括世界坐标系、站心坐标系、大地坐标系和载体坐标系。

本发明的第二个目的是提供一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，以解决如何利用离散数据模拟真实雷达检靶系统以及如何提高雷达检靶GIS仿真系统各坐标系转换效率的技术问题。

本发明的第二个目的是采用以下技术手段来实现的：一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，采用上述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，包括如下步骤：

S1：仿真环境构建；

S2：网络组建部署；

S3：离散数据处理；

S4：仿真展示。

进一步的，所述步骤S1包括加载场景组件、加载三维模型和设置雷达参数。

进一步的，所述步骤S2包括加载网络配置、实例化网络组件和网络组件运行。

进一步的，所述步骤S3包括合规性校验、数据分类、数据解析、数据分组和数据存储，所述离散数据是雷达检靶设备接收的，是非连续不定时间间隔的若干组数据，包括靶号、雷达号、时间、维度、经度、高度、偏航角、俯仰角和横滚角。

进一步的，所述步骤S4包括目标坐标变换、目标自适应变换、靶标姿态变换、碰撞落地标记、绘制航迹线、碰撞动画展示和命中脱靶信息展示。

进一步的，所述坐标系转换采用站心坐标系变化算法和载体坐标系变化算法。

本发明的有益效果在于：本发明有效解决了离散数据处理和多坐标系转换等的技术难题，具体结合本发明实施例进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明系统框图；

图2为本发明流程图；

图3为仿真环境构建流程图；

图4为网络组件部署流程图；

图5为离散数据处理流程图；

图6为站心坐标系与世界坐标系结构示意图；

图7为仿真展示流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

参阅图1，一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，包括环境管理模块、模型管理模块、数据管理模块、坐标转换模块、三维仿真模块和数据分析模块，所述环境管理模块用以对场景信息进行三维GIS环境仿真，并实现在三维GIS环境中加载三维模型；所述模型管理模块用以建立三维模型；所述数据管理模块用以对场景信息、三维模型以及作战数据进行解析、存储、加载和展示；所述坐标转换模块用以对各三维模型的位置数据进行坐标系转换；所述三维仿真模块用以实现弹道轨迹的仿真以及碰撞效果的模拟；所述数据分析模块用以对全场景以及全数据的态势进行回放。

在本实施例当中，所述场景信息包括海洋场景信息、陆地场景信息以及空中场景信息，进一步的，所述环境管理模块用以对海、陆、空三个作战场景进行三维GIS环境仿真，根据需要选择的仿真环境，可旋转、缩放、切换场景，可显示指北针，海洋场景可进行海浪起伏仿真，以及日、月及星空背景的仿真；实现在三维GIS环境中加载三维模型，支持多模型部署，可设置模型的大小，可旋转、缩放模型，可设置雷达相对于模型中心的偏移坐标，雷达圆环个数和间隔距离。

在本实施例当中，所述三维模型包括雷达三维模型和靶标三维模型，所述靶标三维模型包括舰船、战车、飞机和导弹，进一步的，所述模型管理模块用以实现对海上目标靶，航空母舰、巡洋舰、驱逐舰等海上指定型号的物理建模，可在海洋场景中进行加载、显示、操作等；实现对陆上目标靶，坦克等陆上指定型号的物理建模，可在陆地场景中进行加载、显示、操作等；实现对空中目标靶，导弹、预警机等空中指定型号的物理建模，可在空中场景中进行加载、显示、操作等；三维模型特定参数管理，例如：长、宽、高、坐标原点等。

在本实施例当中，所述数据管理模块用以实现对场景信息、作战数据的结构化解析、存储、加载和展示；对场景基本信息、模型基本信息、数据统计分析信息进行显示。

在本实施例当中，所述坐标系包括世界坐标系、站心坐标系、大地坐标系和载体坐标系，进一步的，坐标转换模块用以实现对目标的位置数据作坐标系转换，涉及转换的坐标系包括世界坐标系、站心坐标系、大地坐标系和载体坐标系；实现对数据中的计量作转换关系(长度、大小)。

世界坐标系(地心地固ECEF坐标系)：osgEarth使用的世界坐标系(地心地固坐标系Earth Centered Earth Fixed)是一种三维的笛卡尔坐标系，原点位于球心，X轴指向经度/纬度(0，0)，Y轴指向经度/纬度(-90，0)，Z轴指向北极，其坐标系体系同osg(OpenSceneGraph)的世界坐标系是一致的。站心坐标系：站心坐标系以一个站心点为坐标原点，当把坐标系定义为X轴指东、Y轴指北，Z轴指天，就是ENU(东北天)站心坐标系。这样，从世界坐标系转换成的站心坐标系，就会成为一个符合常人对地理位置认知的局部坐标系，OpenSceneGraph绘制基于世界坐标系，结合OsgEarth椭球体模型，离散数据点需要转换成ECEF坐标系下绘制。站心坐标系ENU与世界坐标系(地心地固ECEF)坐标系关系如图6所示。

大地坐标系：大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系，地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示。载体坐标系：载体坐标系与载体固连，载体原点位于靶标模型雷达位置，数据在载体坐标系下同站心坐标系一样，是相对于雷达的。

在本实施例当中，所述三维仿真模块用以实现弹道轨迹仿真，支持1、2、4、8、16、32、64倍速播放；碰撞效果模拟：具备爆炸、碎片等碰撞效果模拟功能；实现任务与场景绑定，场景与环境及模型参数绑定，射击数据与场景绑定；仿真过程中实现多个场景的点选切换，在该场景下，支持点选切换选择不同批次的射击态势回放；支持靶标模型姿态根据导航数据实时调整，支持目标飞行过程中其比例自适应，支持标记碰撞落点、绘制航迹线等显示优化处理。

在本实施例当中，所述数据分析模块用以对全场景、全数据的态势进行回放，支持1、2、4、8、16、32、64倍速回放；支持自定义数据显示，包括时间、航迹批号、速度、射向、攻角、落地X、落地Y、落点Z、是否命中等数据。

参阅图2，一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，采用上述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，包括如下步骤：

S1：仿真环境构建；

S2：网络组建部署；

S3：离散数据处理；

S4：仿真展示。

参阅图3，在本实施例当中，所述仿真环境构建具体包括加载场景组件、加载三维模型和设置雷达参数。

参阅图4，在本实施例当中，所述网络组建部署具体包括加载网络配置、实例化网络组件和网络组件运行。

参阅图5，在本实施例当中，所述离散数据处理具体包括合规性校验、数据分类、数据解析、数据分组和数据存储，所述离散数据是雷达检靶设备接收的，是非连续不定时间间隔的若干组数据，包括靶号、雷达号、时间、维度、经度、高度、偏航角、俯仰角和横滚角，如表1所示：

表1离散数据类型

序号	数据项	序号	数据项	序号	数据项
						1	报文类别	2	靶号	3	雷达号
4	时间	5	纬度	6	经度
						7	高度	8	偏航角	9	俯仰角
10	横滚角	11	航迹批号	12	X值
						13	Y值	14	Z值	15	速度
16	航向	17	航迹标志	18	目标类型

参阅图7，在本实施例当中，所述仿真展示具体包括目标坐标变换、目标自适应变换、靶标姿态变换、碰撞落地标记、绘制航迹线、碰撞动画展示和命中脱靶信息展示。

在本实施例当中，所述坐标系转换采用站心坐标系变化算法和载体坐标系变化算法，进一步的，所述站心坐标系变化算法：令选取的站心点为P，其大地经纬度坐标为(B_p，L_p，H_p)，对应的地心地固坐标系为(X_p，Y_p，Z_p)。站心坐标系下航迹离散数据为(Xenu,Yenu,Zenu)，由于航迹离散数据相对于站心坐标系的偏移矩阵为：

因此关键求出ENU到ECEF坐标系的变换矩阵Menu2ecef，其变换是由平移和旋转复合变换组成，容易得出ENU转到ECEF的平移矩阵：

旋转变换矩阵根据P点所在的经度Lp和纬度Bp确定,旋转是先绕X轴旋转(pi2-B)，再绕Z轴旋转(pi2+L)，从ENU转换到ECEF的旋转矩阵为：

R＝R_z(pi2+L)·R_x(pi2-B)，

由于：

所以：

Menu2ecef＝T*R，

因此，离散数据点在世界坐标系下变换矩阵为Menu2ecef*Moffset。

载体坐标系变化算法：与站心坐标系不同的是，载体坐标系多了载体的姿态变换矩阵，载体坐标系涉及偏航角

俯仰角θ、横滚角γ参数，载体变换矩阵如下：

所以在载体系下，离散数据点在世界坐标系下变换矩阵为：Menu2ecef*Mc*Moffset。

本发明解决了离散数据处理和多坐标系转换等的技术难题：离散数据从雷达检靶设备读取，该数据具有多种格式、不同长度、字段意义各不相同等问题，采用合规性校验、数据分类、数据分组等技术解决该问题，合规性校验包括对数据包的帧头、帧长、校验和的正确性判断，数据分组是将不同类别的数据放在不同的对列中，利用多线程技术进行处理；坐标变换涉及的坐标系包括世界坐标系、站心坐标系、大地坐标系和载体坐标系，利用大地坐标系到世界坐标系的变换矩阵和航迹数据相对于大地坐标系的平移矩阵解决航迹的绘制问题，利用载体相对于雷达的姿态变换矩阵和载体到世界坐标系的平移矩阵解决了载体的绘制问题。

此外，本发明基于离散数据的雷达检靶GIS仿真还具有如下优势：

1.开源优势：基于离散数据的雷达检靶实时GIS仿真软件基于osg(OpenSceneGraph)和osgEarth开源技术平台。osg是一个开源的三维实时场景开发引擎，被广泛应用在可视化(飞行、船舶、车辆、工艺等仿真)、增强现实以及医药、教育、游戏等领域。osg可以支持几乎所有的操作系统平台，它使用OpenGL ES使得可以支持手持设备、平板以及其它嵌入式设备，使用OpenGL使得其可以在所有的家用电脑以及中型大型机和集群上进行工作。osgEarth为开发osg应用提供了一个地理空间SDK和地形引擎；提供基于osg开发3D地理空间应用的支持；直接从数据源可视化地形模型和影像变得更加简单；提供对开放式绘图标准，技术和数据的交互操作。osgEarth利用离线地形数据库创建工具，获取地形基础地图并快速而流畅的运行；访问开放式标准的地图数据服务，例如WMS和TMS；将基于web服务的影像数据和本地存储的数据进行整合；在运行时嵌入新的地理空间数据层。

2.功能优势：代码全部开源，完全自主可控；能够适配多种国产化操作系统；单机适配，低硬件资源要求。

3.成本优势：开发所用技术均采用免费开源技术，osg、osgEarth、SQLite等，开发成本低；软件完全采用C++开发，C++具有兼容性强、性能高、健壮性、安全性、平台独立与可移植性、高性能等特点，部署硬件环境要求低，通用性强。

需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，其特征在于，包括环境管理模块、模型管理模块、数据管理模块、坐标转换模块、三维仿真模块和数据分析模块，所述环境管理模块用以对场景信息进行三维GIS环境仿真，并实现在三维GIS环境中加载三维模型；所述模型管理模块用以建立三维模型；所述数据管理模块用以对场景信息、三维模型以及作战数据进行解析、存储、加载和展示；所述坐标转换模块用以对各三维模型的位置数据进行坐标系转换；所述三维仿真模块用以实现弹道轨迹的仿真以及碰撞效果的模拟；所述数据分析模块用以对全场景以及全数据的态势进行回放。

2.如权利要求1所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，其特征在于，所述场景信息包括海洋场景信息、陆地场景信息以及空中场景信息。

3.如权利要求1所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，其特征在于，所述三维模型包括雷达三维模型和靶标三维模型，所述靶标三维模型包括舰船、战车、飞机和导弹。

4.如权利要求1所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，其特征在于，所述坐标系包括世界坐标系、站心坐标系、大地坐标系和载体坐标系。

5.一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，采用权利要求1~4任意一项所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1：仿真环境构建；

S2：网络组建部署；

S3：离散数据处理；

S4：仿真展示。

6.如权利要求5所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，其特征在于，所述步骤S1包括加载场景组件、加载三维模型和设置雷达参数。

7.如权利要求5所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，其特征在于，所述步骤S2包括加载网络配置、实例化网络组件和网络组件运行。

8.如权利要求5所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，其特征在于，所述步骤S3包括合规性校验、数据分类、数据解析、数据分组和数据存储，所述离散数据是雷达检靶设备接收的，是非连续不定时间间隔的若干组数据，包括靶号、雷达号、时间、维度、经度、高度、偏航角、俯仰角和横滚角。

9.如权利要求5所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，其特征在于，所述步骤S4包括目标坐标变换、目标自适应变换、靶标姿态变换、碰撞落地标记、绘制航迹线、碰撞动画展示和命中脱靶信息展示。

10.如权利要求9所述的一种基于离散数据的雷达检靶GIS仿真方法，其特征在于，所述坐标系转换采用站心坐标系变化算法和载体坐标系变化算法。

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