CN115327499B - 一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法 - Google Patents

一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，以雷达位置作为坐标系原点建立三维坐标系，进行目标航迹规划，在PC端上选择需要映射的目标轨迹，二维平面内绘制需要映射的目标轨迹并转换为三维坐标系；然后将载荷无人机的直线飞行航迹线进行等长分割形成若干分割线，要模拟轨迹线与分割线相交得到n个交点；将所有相邻交点连线速度算出来取均值，模拟目标航迹；对目标轨迹进行拼接，然后计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度，以及所需延时信息和径向速度，最终实现目标航迹模拟。本发明计算简单，规划方便；本发明采用载荷无人机作为搭载平台，更加有利于雷达实验训练，角度灵活，操作方便。

Description

一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法
技术领域
本发明涉及雷达航迹模拟技术，具体涉及一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法。
背景技术
新型雷达的性能先进、功能强大，调试科目多、任务重，与人力物力资源高消耗的外场试验相比，雷达模拟器具有调试灵活，成本相对较低的优点，利用软硬件对外场运动目标进行距离、速度、方位和运动轨迹的模拟，以此检验雷达对目标的检测性能，为雷达调试提供了一个便捷高效的方法。
雷达在工作过程中，通过天线的转动不断进行扫描，当天线扫描方向上出现目标时，经过对目标回波的处理得到目标的距离和速度信息并传送至显示界面。现有雷达目标模拟器的功能模块可以划分为PC端、微处理器和转塔。位置固定无法灵活的根据雷达位置做变换并且现有的目标模拟方案都是在二维平面内对目标运动进行了建模与仿真。
然而，二维航迹建模在一定情况下并不满足实际目标的运动特性，不能在俯仰方位上体现出目标的特点。现有三维航迹模拟技术只是在二维的基础上增加了俯仰角的变化，并不能把三维坐标很好的关联在一起。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，本发明提出一种目标航迹模拟模型，计算简单，规划方便；本发明采用载荷无人机作为搭载平台，更加有利于雷达实验训练，角度灵活，操作方便。
技术方案：本发明的一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，包括以下步骤：
步骤(1)、PC端目标航迹规划
首先以雷达位置作为坐标系原点建立三维坐标系，以雷达为圆心且半径500米的范围内先划定一条直线供载荷无人机飞行：由直线飞行航迹的起始点、终止点和圆心(即雷达)确定一个第一平面，然后将第一平面延展得到第二平面，此时载荷无人机即可在直线轨迹上通过发射信号映射第二平面内的目标航迹，所述目标航迹包括直线目标航迹、圆弧目标航迹、圆形目标航迹、S型目标航迹或8字型目标航迹；
步骤(2)、在PC端上选择需要映射的目标轨迹(直线目标航迹、圆弧目标航迹、圆形目标航迹、S型目标航迹或8字型目标航迹)，由上位机给出相应的轨迹控制点，目标航迹模拟模型采用二阶贝塞尔曲线法，从二维角度看第二平面并在二维平面内绘制需要映射的目标轨迹，然后通过旋转坐标系将二维曲线转换成步骤(1)中建立的三维坐标系；
然后将载荷无人机的直线飞行航迹线进行等长分割形成若干分割线，要模拟的轨迹线与分割线相交得到n个交点；模拟轨迹速度设为v来计算每一段的飞行时间)，因点与点之间距离密集，点与点之间的直线速度可近似为曲线速度，那么相邻两个轨迹点之间的飞行时间为两交点距离除以轨迹速度，那么分割后的直线飞行航迹点与点之间的速度可表示为两点距离除以轨迹点之间的飞行时间；
接着将所有相邻交点连线速度算出来取均值，由PC端给出提前设置好的基于均值变化的上下限(一般设置为上下浮动5m/s)；如某相邻两个交点连线的速度超过上下限，则将这两个交点之间航线段进行标记，标记A，如某相邻两个交点连线的速度在上下限之内浮动，则这两个交点之间的航线段进行标记，标记B；若如标记A的段数超过总线段数三分之一，则建议用户重新设计模拟目标轨迹；
步骤(3)、先对步骤(2)模拟所得的各目标轨迹进行拼接，然后计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度，以及所需延时信息和径向速度，最终实现目标航迹模拟。
进一步地，所述步骤(1)中将第一平面延展为第二平面的方法为：将圆心与起始点的连线以及圆心与终止点的连线同时向前延展，两条延展连线以内的平面就是延展后的第二平面。
进一步地，所述步骤(2)中通过目标航迹模拟模型得到目标航迹模拟信息的具体方法为：
步骤1)、根据式(1)和式(2)来设置二阶贝塞尔曲线的起始点、控制点和终止点：
x＝x0(1)*(1-percent)2+2*x0(2)*percent*(1-percent)+x0(3)*percent2 式(1)
y＝y0(1)*(1-percent)2+2*y0(2)*percent*(1-percent)+y0(3)*percent2 式(2)
x表示步骤(2)中的二维平面的x方向的坐标值，y表示步骤(2)中的二维平面的y方向的坐标值，x0(1)代表起始点的x轴坐标，x0(2)代表控制点的x轴坐标，x0(3)代表终止点的x轴坐标；y0(1)代表起始点的y轴坐标，y0(2)代表控制点的y轴坐标，y0(3)代表终止点的y轴坐标；percent代表当前飞行时间占飞行总时长的比值；
步骤2)、根据起始点、控制点和终止点的横纵坐标和飞行时间来确定最终目标航迹模拟的二维曲线；
步骤3)、先对y轴进行旋转，再对z轴进行旋转，坐标轴旋转方法如式(3)和式(4)所示，Ry表示绕y轴旋转的矩阵公式，Rz表示绕z轴旋转的矩阵公式；
式(3)表示y轴的旋转矩阵，thetay代表y轴需要旋转的角度；式(4)表示z轴的旋转矩阵，thetaz代表z轴需要旋转的角度；
步骤4)、通过对二维曲线坐标[x,y,0]乘以式(5)来将将该二维平面旋转到步骤(1)中的三维空间坐标系：
R＝Ry*Rz 式(5)。
进一步地，所述步骤(2)中计算每一段无人机的飞行时间t的方法：t＝s/v；s为n个交点中两两交点之间的距离；v为模拟轨迹速度。
进一步地，所述步骤(3)中对各目标航迹均使用二阶贝塞尔曲线进行拼接，具体方法如下：
对于直线目标航迹，将控制点设置于直线航迹的起始点和终止点连线的直线；
对于圆弧目标航迹，根据所需弧度大小将控制点设置在圆弧目标航迹的起始点和终止点连线的直线上方或下方；
对于圆形目标航迹，使用两条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线拼接，这两条圆弧线使用相同的起始点和终止点，只是控制点不同；
对于S型曲线目标航迹，也是采用两条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线拼接，第一条的终止点是第二条的起始点；
对于8字型曲线目标航迹，使用四条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线进行拼接即两个圆，将起始点与终止点进行对应即可。
进一步地，所述步骤(3)中计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度的具体方法为：
设定(Xi，Yi，Zi)为根据式(1)和式(2)所得模拟轨迹坐标，则通过(Xi，Yi，Zi)得到无人机坐标(xi，yi，zi)为，
xi＝A*Yi/Xi
zi＝C*Yi/Xi
其中，n为交点个数，i为n个交点中的任意一个，第i个无人机交点的坐标表示为(xi，yi，zi)，则模拟轨迹的长度L(L为无人机飞行的长度)为：
无人机飞行速度为v＝L/t，t为每一段无人机的飞行时间t；
根据模拟轨迹坐标(Xi，Yi，Zi)可计算延时信息dy和径向速度vj如下：
有益效果：本发明采用可控速度和可控高度的载荷无人机搭载目标航迹模拟器，在模拟方位上更加自由灵活。普通的航迹模拟方法只考虑了直线和圆周两种简单航迹。本发明根据飞机的实际飞行情况将飞机航迹分为直线、圆弧、圆周、S型曲线以及8字型曲线等5种类型，将这些曲线统一使用贝塞尔曲线进行模拟，统一了目标模拟方法，简化目标模拟流程。
附图说明
图1为本发明中直线航迹示意图；
图2为本发明中飞行航迹线进行等长分割示意图；
图3为直线目标航迹拼接后示意图；
图4为圆弧目标航迹拼接后示意图；
图5为圆形目标航迹拼接后示意图；
图6为S型目标航迹拼接后示意图；
图7为8字型目标航迹拼接后示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
本实施例的一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，包括以下步骤：
步骤(1)、PC端目标航迹规划
首先以雷达位置作为坐标系原点(图中蓝色的点)建立三维坐标系，在雷达附近先划定载荷无人机直线飞行航迹：如图1所示用红色点表示，由直线飞行航迹的起始点、终止点和雷达原点确定一个第一平面，由图1中灰色部分标出，然后将灰色的第一平面延展得到图1中绿色的第二平面，此时载荷无人机则可映射第二平面内的目标轨迹(直线目标航迹、圆弧目标航迹、圆形目标航迹、S型目标航迹或8字型目标航迹)；
步骤(2)、在屏幕上选择需要模拟的轨迹，由上位机给出相应的轨迹控制点，通过目标航迹模拟模型采用二阶巴塞尔曲线法绘制目标航迹模拟信息，即先在设定的平面里绘制二维曲线，然后通过旋转坐标系将二维曲线转换成步骤(1)中建立的三维坐标系；
然后将载荷无人机飞行航迹线进行等长分割如图2中黑色线条所示，需要模拟的轨迹线与分割线相交得到图2中黄色交点；模拟轨迹速度设为v，因点与点之间距离密集，点与点之间的直线速度可近似为曲线速度，那么相邻黄色点迹之间的直线速度应为两点距离除以飞行时间；
接着将所有相邻黄色点连线速度算出来取均值，由PC端给出提前设置好的基于均值变化的上下限，如相邻黄色点连线的速度超过上下限则该段标红，如在上下限之内浮动则该段标绿，如红色线过多则建议用户重新设计模拟轨迹，以保证模拟轨迹的真实性；
步骤(3)、先对步骤(2)模拟所得的各目标轨迹进行拼接，然后计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度，以及所需延时信息和径向速度，最终实现目标航迹模拟。
其中，本实施例的步骤(2)中通过目标航迹模拟模型得到目标航迹模拟信息的具体方法为：
步骤1)、根据式(1)和式(2)来设置二阶贝塞尔曲线的起始点、控制点和终止点：
x＝x0(1)*(1-percent)2+2*x0(2)*percent*(1-percent)+x0(3)*percent2 式(1)
y＝y0(1)*(1-percent)2+2*y0(2)*percent*(1-percent)+y0(3)*percent2 式(2)
其中，x0(1)代表起始点的x轴坐标，x0(2)代表控制点的x轴坐标，x0(3)代表终止点的x轴坐标；y0(1)代表起始点的y轴坐标，y0(2)代表控制点的y轴坐标，y0(3)代表终止点的y轴坐标；percent代表当前飞行时间占飞行总时长的比值；
步骤2)、根据起始点、控制点和终止点的横纵坐标和飞行时间来确定最终目标航迹模拟的二维曲线；
步骤3)、先对y轴进行旋转，再对z轴进行旋转，坐标轴旋转方法如式(3)和式(4)所示；
式(3)表示y轴的旋转矩阵，在对二维坐标进行旋转时只需要与旋转矩阵相乘即可，thetay代表y轴需要旋转的角度；式(4)表示z轴的旋转矩阵，thetaz代表z轴需要旋转的角度；
步骤4)、将该二维平面旋转到三维空间坐标系中就需要对二维曲线坐标[x,y,0]乘上式(5)：
R＝Ry*Rz 式(5)。
如图3至图7所示，为本实施中对五种目标航迹进行拼接的示意图。

Claims (5)

1.一种基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、PC端目标航迹规划
首先以雷达位置作为坐标系原点建立三维坐标系，以雷达为圆心且半径500米的范围内先划定一条直线供载荷无人机飞行：由直线飞行航迹的起始点、终止点和圆心确定一个第一平面，然后将第一平面延展得到第二平面，此时载荷无人机即可在直线轨迹上通过发射信号映射第二平面内的目标航迹，所述目标航迹包括直线目标航迹、圆弧目标航迹、圆形目标航迹、S型目标航迹或8字型目标航迹；
步骤(2)、在PC端上选择需要映射的目标轨迹，由上位机给出相应的轨迹控制点，目标航迹模拟模型采用二阶贝塞尔曲线法，从二维角度看第二平面并在二维平面内绘制需要映射的目标轨迹，然后通过旋转坐标系将二维曲线转换成步骤(1)中建立的三维坐标系；
然后将载荷无人机的直线飞行航迹线进行等长分割形成若干分割线，要模拟的轨迹线与分割线相交得到n个交点；将模拟轨迹速度设为v来计算每一段的飞行时间，将分割后的直线飞行航迹点与点之间的速度表示为两点距离除以轨迹点之间的飞行时间；
接着将所有相邻交点连线速度算出来取均值，由PC端给出提前设置好的基于均值变化的上下限；如某相邻两个交点连线的速度超过上下限，则将这两个交点之间航线段进行标记，标记A，如某相邻两个交点连线的速度在上下限之内浮动，则这两个交点之间的航线段进行标记，标记B；若如标记A的段数超过总线段数三分之一，则建议用户重新设计模拟目标轨迹；
步骤(3)、先对步骤(2)模拟所得的各目标轨迹进行拼接，然后计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度，以及所需延时信息和径向速度，最终实现目标航迹模拟；
所述步骤(2)中通过目标航迹模拟模型得到目标航迹模拟信息的具体方法为：
步骤1)、根据式(1)和式(2)来设置二阶贝塞尔曲线的起始点、控制点和终止点：
x＝x0(1)*(1-percent)2+2*x0(2)*percent*(1-percent)+x0(3)*
percent2式(1)
y＝y0(1)*(1-percent)2+2*y0(2)*percent*(1-percent)+y0(3)*
percent2式(2)
x表示步骤(2)中的二维平面的x方向的坐标值，y表示步骤(2)中的二维平面的y方向的坐标值；x0(1)代表起始点的x轴坐标，x0(2)代表控制点的x轴坐标，x0(3)代表终止点的x轴坐标；y0(1)代表起始点的y轴坐标，y0(2)代表控制点的y轴坐标，y0(3)代表终止点的y轴坐标；percent代表当前飞行时间占飞行总时长的比值；
步骤2)、根据起始点、控制点和终止点的横纵坐标和飞行时间来确定最终目标航迹模拟的二维曲线；
步骤3)、先对y轴进行旋转，再对z轴进行旋转，坐标轴旋转方法如式(3)和式(4)所示，Ry表示绕y轴旋转的矩阵公式，Rz表示绕z轴旋转的矩阵公式；
式(3)表示y轴的旋转矩阵，thetay代表y轴需要旋转的角度；式(4)表示z轴的旋转矩阵，thetaz代表z轴需要旋转的角度；
步骤4)、通过对二维曲线坐标[x,y,0]乘以式(5)来将该二维平面旋转到步骤(1)中的三维空间坐标系：
R＝Ry*Rz式(5)。
2.根据权利要求1所述的基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)中将第一平面延展为第二平面的方法为：
将圆心与起始点的连线以及圆心与终止点的连线同时向前延展，两条延展连线以内的平面就是延展后的第二平面。
3.根据权利要求1所述的基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算每一段无人机的飞行时间t的方法：
t＝s/v；s为n个交点中两两交点之间的距离；v为模拟轨迹速度。
4.根据权利要求1所述的基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中对各目标航迹均使用二阶贝塞尔曲线进行拼接，具体方法如下：
对于直线目标航迹，将控制点设置于直线航迹的起始点和终止点连线的直线；
对于圆弧目标航迹，根据所需弧度大小将控制点设置在圆弧目标航迹的起始点和终止点连线的直线上方或下方；
对于圆形目标航迹，使用两条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线拼接，这两条圆弧线使用相同的起始点和终止点，只是控制点不同；
对于S型曲线目标航迹，也是采用两条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线拼接，第一条的终止点是第二条的起始点；
对于8字型曲线目标航迹，使用四条圆弧目标航迹进行二阶贝塞尔曲线进行拼接即两个圆，将起始点与终止点进行对应即可。
5.根据权利要求1所述的基于载荷无人机的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算载荷无人机所需飞行速度以及路径和路径长度的具体方法为：
设定(Xi,Yi,Zi)为根据式(1)和式(2)所得模拟轨迹坐标，则通过(Xi,Yi,Zi)得到无人机坐标(xi,yi,zi)为，
xi＝A*Yi/Xi
zi＝C*Yi/Xi
其中，n为交点个数，i为n个交点中的任意一个，第i个无人机交点的坐标表示为(xi,yi,zi)，则模拟轨迹的长度L为：
无人机飞行速度为vf＝L/t，t为每一段无人机的飞行时间t；
根据模拟轨迹坐标(Xi,Yi,Zi)可计算延时信息dy和径向速度vj如下：
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Patentee after: Yangzhou Yuan Electronic Technology Co.,Ltd.

Country or region after: Zhong Guo

Address before: Building 4, Dongyuan, Jiangguang smart city, No. 15, Wenchang East Road, Guangling District, Yangzhou City, Jiangsu Province 225002

Patentee before: YANGZHOU YU'AN ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD.

Country or region before: Zhong Guo