CN115775309A

CN115775309A - 面向三维空间的火力范围标记方法、装置

Info

Publication number: CN115775309A
Application number: CN202310047705.8A
Authority: CN
Inventors: 施晓东; 陶天阳; 姚立; 刘佳; 周旭; 王一迪; 展亚南; 倪苏东; 杨燕; 徐仁
Original assignee: CETC 28 Research Institute
Current assignee: CETC 28 Research Institute
Priority date: 2023-01-31
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2043-01-31
Also published as: CN115775309B

Abstract

本发明公开了一种面向三维空间的火力范围标记方法、装置，所述方法包括三维运动轨迹方程映射在二维平面上得到二维运动轨迹方程；计算栅格线与二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点若处于交点的维度坐标的栅格区间内，则标记上第一标记；第二二维坐标中的第三维度坐标，在第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将第二维度坐标作为待选集合；第一二维坐标中筛选包括第二二维坐标中的第一维度坐标且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将第二维度坐标作为最终集合，对于第二二维坐标和最终集合组合得到的栅格角点进行标记。采用上述技术方案，显著降低计算量，满足战场环境下的实时性要求，具有较强的可操作性。

Description

面向三维空间的火力范围标记方法、装置

技术领域

本发明涉及态势感知技术领域，尤其涉及一种面向三维空间的火力范围标记方法、装置。

背景技术

随着现代军事战争走向多域联合作战，以及陆战场新型装备的不断投入，对陆战场态势收集的需求不断增加。目前，除了传统地面态势外，低空的态势也逐步成为陆战场综合态势不可忽略的一部分。低空态势中，炮弹外弹道在空中的轨迹涉及到低空空域的规划与使用，因此有必要获取特定空域内的炮弹外弹道相关的三维低空态势。

传统弹道分析的目的一般在于最终的地面打击目标、范围，对空中的部分主要关注于是否会被障碍物遮挡、存在的射击盲区等，缺乏对外弹道影响的空域本身的分析。而随着陆航、无人等用空设备的增加，低空的空域规划显得尤为重要，弹道空域使用情况也必须作为空域规划的输入之一。在空域规划中，一般将空域按照一定的规则将特定的空域栅格化，相比于传统的经纬度定位，栅格的定位在特定场景下更加的简洁、高效。在此背景下，获取特定空域中每个或特定栅格是否涉及炮弹外弹道将会十分重要。

现有技术中采用的方案是，对特定空域内的每个栅格进行遍历，检查其是否与空间弹道曲线相交，若相交则标记该栅格，其中存在的问题是，随着栅格细分越多，遍历的计算成本会呈现N³级数增加，此外计算空间三维曲线与平面的交点涉及的计算复杂度较高，对于计算资源相对紧张、实时性要求较高的战场环境而言适用性较差。

发明内容

发明目的：本发明提供一种面向三维空间的火力范围标记方法、装置，通过将三维坐标系中的三维运动轨迹方程和三维立体栅格分解为二维坐标，再对二维坐标进行标记的方式，实现对栅格的最终标记，二维的计算可以显著降低计算量，满足战场环境下的实时性要求，具有较强的可操作性。

技术方案：本发明提供一种面向三维空间的火力范围标记方法，包括：建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，并分别建立所述三维运动轨迹方程映射在所述三维坐标系的三个二维平面上的二维运动轨迹方程；所述三维坐标系中划分多个立方体栅格，每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，每个栅格的栅格角点不重复；标记步骤：对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；栅格角点的三个维度坐标按照三个二维平面划分为第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标；第一标记、第二标记和第三标记分别与第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标对应；对于另外两个二维平面重复所述标记步骤，对栅格角点的第二二维坐标和第三二维坐标标记第二标记和第三标记；栅格标记步骤：第二标记下的第二二维坐标中的第三维度坐标，在所有第三标记下的第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，筛选包括第二二维坐标中的第一维度坐标，并且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第一二维坐标中的所有第二维度坐标作为最终集合，对于第二标记下的第二二维坐标和最终集合组合得到的栅格角点进行标记；第一维度坐标、第二维度坐标和第三维度坐标分别指三维坐标系中三个维度的坐标；对于第三标记下的第三二维坐标，重复所述栅格标记步骤，对栅格角点进行标记。

具体的，根据炮弹种类、外弹道和周围环境，建立三维运动轨迹方程。

具体的，将栅格8个角点中三个维度坐标的数值最小的角点，作为代表栅格的栅格角点。

具体的，对于一个二维平面中平行于两个维度方向的栅格线，计算与二维平面对应的二维运动轨迹方程之间的交点。

具体的，将平行于Y维度方向的第a条栅格线x_a=a×X_d，作为x的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第m个交点P_m（x_m，y_m）；将平行于X维度方向的第a条栅格线y_a=a×Y_d，作为y的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第n个交点Q_n（x_n，y_n）；其中，X_d和Y_d分别为栅格在x和y两个维度方向上的边长。

具体的，两条栅格线与二维运动轨迹方程之间的两个交点分别为P_m（x_m，y_m）和Q_n（x_n，y_n）；对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_m-Y_d≤y_j≤y_m，x_m-X_d≤x_i≤x_m，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_n-Y_d≤y_j≤y_n，x_n-X_d≤x_i≤x_n，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；其中，x_i=i×X_d，y_j=j×Y_d，i和j为整数。

本发明还提供一种面向三维空间的火力范围标记装置，包括：轨迹建立单元、二维标记单元和三维标记单元，其中：所述轨迹建立单元，用于建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，并分别建立所述三维运动轨迹方程映射在所述三维坐标系的三个二维平面上的二维运动轨迹方程；所述三维坐标系中划分多个立方体栅格，每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，每个栅格的栅格角点不重复；所述二维标记单元，用于执行标记步骤，所述标记步骤：对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；栅格角点的三个维度坐标按照三个二维平面划分为第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标；第一标记、第二标记和第三标记分别与第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标对应；对于另外两个二维平面重复所述标记步骤，对栅格角点的第二二维坐标和第三二维坐标标记第二标记和第三标记；所述三维标记单元，用于执行栅格标记步骤，所述栅格标记步骤：第二标记下的第二二维坐标中的第三维度坐标，在所有第三标记下的第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，查询包括第二二维坐标中的第一维度坐标，并且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为最终集合，对于第二标记下的第二二维坐标和最终集合组合得到栅格角点进行标记；第一维度坐标、第二维度坐标和第三维度坐标分别指三维坐标系中三个维度的坐标；对于第三标记下的第三二维坐标，重复所述栅格标记步骤，对栅格角点进行标记。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过将三维坐标系中的三维运动轨迹方程和三维立体栅格分解为二维坐标，再对二维坐标进行标记的方式，实现对栅格的最终标记，二维的计算可以显著降低计算量，满足战场环境下的实时性要求，具有较强的可操作性。

附图说明

图1为本发明提供的面向三维空间的火力范围标记方法的流程示意图；

图2为空间栅格和三维运动轨迹方程的示例图；

图3为O-XZ二维平面的标记结果示例图；

图4为图3中圆圈内的方块处的三维栅格标记结果示例图；

图5为O-XZ二维平面上的二维运动轨迹方程与栅格线交点的示例图。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明提供的面向三维空间的火力范围标记方法的流程示意图。

步骤1，建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，并分别建立所述三维运动轨迹方程映射在所述三维坐标系的三个二维平面上的二维运动轨迹方程。

本发明实施例中，所述三维坐标系中划分多个立方体栅格，每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，每个栅格的栅格角点不重复。

本发明实施例中，根据炮弹种类、外弹道和周围环境，建立三维运动轨迹方程。

在具体实施中，通过炮弹种类、外弹道和周围环境，建立炮弹的三维运动轨迹方程有较多的方案可以采用。

在具体实施中，三维坐标系O-XYZ，三维坐标系的三个二维平面分别为O-XY、O-XZ和O-YZ，三维坐标系X轴、Y轴和Z轴的长度单位可以为米或者千米。

本发明实施例中，将栅格8个角点中三个维度坐标的数值最小的角点，作为代表栅格的栅格角点。

在具体实施中，根据既定的空间栅格化规则对三维空间坐标系O-XYZ沿着平行于OX、OY和OZ方向进行剖分，在OX、OY和OZ方向上的最大值分别为X_max、Y_max和Z_max，在有限的空间内得到一定数量的均匀分布的长方体空间栅格，栅格在OX、OY和OZ方向上的剖分间距（边长）分别为X_d、Y_d和Z_d，以空间栅格的8个角点中x坐标、y坐标和z坐标最小的值表示该栅格，第（i，j，k）个角点可以表示为（x_i，y_j，z_k），其中，x_i=i×X_d，y_j=j×Y_d，z_k=k×Z_d，0≤i≤X_max/X_d，0≤j≤Y_max/Y_d，0≤k≤Z_max/Z_d。

在具体实施中，三维运动轨迹方程F（x，y，z）=0和G（x，y，z）=0，投影在三个二维平面O-XY、O-XZ和O-YZ上，分别对应得到三个二维运动轨迹方程H（x，y）=0、I（x，z）=0和J（y，z）=0。

步骤2，标记步骤：对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记。

本发明实施例中，栅格角点的三个维度坐标按照三个二维平面划分为第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标；第一标记、第二标记和第三标记分别与第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标对应。

本发明实施例中，对于一个二维平面中平行于两个维度方向的栅格线，计算与二维平面对应的二维运动轨迹方程之间的交点。

步骤3，对于另外两个二维平面重复所述标记步骤，对栅格角点的第二二维坐标和第三二维坐标标记第二标记和第三标记。

在具体实施中，栅格角点的三个维度坐标（x_i，y_j，z_k），可以划分为第一二维坐标（x_i，y_j）、第二二维坐标（x_i，z_k）和第三二维坐标（y_j，z_k），三个二维坐标分别对应的第一标记为K₁（i，j）、第二标记为K₂（i，k）和第三标记为K₃（j，k）。

在具体实施中，以O-XY二维平面为例，将平行于O-Y维度方向的第a条栅格线x_a=a×X_d，作为x的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第m个交点P_m（x_m，y_m）；将平行于O-X维度方向的第a条栅格线y_a=a×Y_d，作为y的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第n个交点Q_n（x_n，y_n），对于所有i和j，设置第一标记K₁（i，j）=0表示第一二维坐标没有被打上第一标记，若第一标记K₁（i，j）=1表示第一二维坐标被打上第一标记。第一二维坐标可以表示O-XY平面上的栅格（其他二维坐标同理），第（i，j）个栅格对应的栅格角点的第一二维坐标是（x_i，y_j），对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_m-Y_d≤y_j≤y_m，x_m-X_d≤x_i≤x_m，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记（K₁（i，j）=1）；对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_n-Y_d≤y_j≤y_n，x_n-X_d≤x_i≤x_n，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记（K₁（i，j）=1），进而计算得到表征平面上的栅格的所有第一二维坐标对应的K₁（i，j）的值，也即是否被标记。

在具体实施中，以上以O-XY平面为例进行了说明，重复标记步骤，分别计算I（x，z）=0和J（y，z）=0在O-XZ和O-YZ二维平面上的交点，对于表征平面上的栅格的第二二维坐标（x_i，z_k）和第三二维坐标（y_j，z_k）进行标记，得到表征平面上的栅格的所有第二二维坐标和第三二维坐标对应的K₂（i，k）和K₃（j，k）的值，也即是否被标记。

步骤4，栅格标记步骤：第二标记下的第二二维坐标中的第三维度坐标，在所有第三标记下的第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，筛选包括第二二维坐标中的第一维度坐标，并且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第一二维坐标中的所有第二维度坐标作为最终集合，对于第二标记下的第二二维坐标和最终集合组合得到的栅格角点进行标记。

本发明实施例中，第一维度坐标、第二维度坐标和第三维度坐标分别指三维坐标系中三个维度的坐标。

步骤5，对于第三标记下的第三二维坐标，重复所述栅格标记步骤，对栅格角点进行标记。

在具体实施中，举例进行说明，对于K₂（i，k）=1，对应的第二二维坐标（x_i，z_k）即为空间栅格（x_i，y_j，z_k）中的x_i（第一维度坐标）和z_k（第三维度坐标），在所有的K₃（j，k）=1且z=z_k的待选第三二维坐标（y_j，z_k）中，记所有的y_j（第二维度坐标）的集合为Y_yz（待选集合），y_j∈Y_yz；对于所有的y_j∈Y_yz，在K₁（i，j）=1的第一二维坐标（x_i，y_j）中，筛选x= x_i且y= y_j的待选第一二维坐标中，记y_j的集合为Y_xy（最终集合），y_j∈Y_xy，则对于K₂（i，k）=1对应的第二二维坐标（x_i，z_k），以及y_j∈Y_xy组成的栅格角点（x_i，y_j，z_k），是需要标记的栅格角点，对应的栅格则是有炮弹外弹道经过的栅格。

在具体实施中，对于第三标记下的第三二维坐标，参照重复所述栅格标记步骤，具体而言，第三标记下的第三二维坐标中的第三维度坐标，在所有第二标记下的第二二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第二二维坐标，将待选第二二维坐标中的所有第一维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，筛选包括第三二维坐标中的第二维度坐标，并且第一维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第一二维坐标中的所有第一维度坐标作为最终集合，对于第三标记下的第三二维坐标和最终集合组合得到的栅格角点进行标记。

参阅图2，其为空间栅格和三维运动轨迹方程的示例图。参阅图3，其为O-XZ二维平面的标记结果示例图。参阅图4，其为图3中圆圈内的方块处的三维栅格标记结果示例图，图3中圆圈内的方块对应的是（x₅，z₉）。参阅图5，其为O-XZ二维平面上的二维运动轨迹方程与栅格线交点的示例图。

在具体实施中，通过将三维坐标系中的三维运动轨迹方程和三维立体栅格分解为二维坐标，再对二维坐标进行标记的方式，实现对栅格的最终标记，本发明提供的方案完全围绕二维维度的计算，二维的计算可以显著降低计算量，满足战场环境下的实时性要求，具有较强的可操作性。

本发明实施例中，所述轨迹建立单元，用于根据炮弹种类、外弹道和周围环境，建立三维运动轨迹方程。

本发明实施例中，所述轨迹建立单元，用于将栅格8个角点中三个维度坐标的数值最小的角点，作为代表栅格的栅格角点。

本发明实施例中，所述二维标记单元，用于对于一个二维平面中平行于两个维度方向的栅格线，计算与二维平面对应的二维运动轨迹方程之间的交点。

本发明实施例中，所述二维标记单元，用于将平行于Y维度方向的第a条栅格线x_a=a×X_d，作为x的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第m个交点P_m（x_m，y_m）；

将平行于X维度方向的第a条栅格线y_a=a×Y_d，作为y的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第n个交点Q_n（x_n，y_n）；

其中，X_d和Y_d分别为栅格在x和y两个维度方向上的边长。

本发明实施例中，所述二维标记单元，用于两条栅格线与二维运动轨迹方程之间的两个交点分别为P_m（x_m，y_m）和Q_n（x_n，y_n）；

对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_m-Y_d≤y_j≤y_m，x_m-X_d≤x_i≤x_m，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；

对于栅格角点的第一二维坐标（x_i，y_j），满足：y_n-Y_d≤y_j≤y_n，x_n-X_d≤x_i≤x_n，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；

其中，x_i=i×X_d，y_j=j×Y_d，i和j为整数。

Claims

1.一种面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，包括：

建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，并分别建立所述三维运动轨迹方程映射在所述三维坐标系的三个二维平面上的二维运动轨迹方程；所述三维坐标系中划分多个立方体栅格，每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，每个栅格的栅格角点不重复；

标记步骤：对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；栅格角点的三个维度坐标按照三个二维平面划分为第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标；第一标记、第二标记和第三标记分别与第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标对应；

对于另外两个二维平面重复所述标记步骤，对栅格角点的第二二维坐标和第三二维坐标标记第二标记和第三标记；

栅格标记步骤：第二标记下的第二二维坐标中的第三维度坐标，在所有第三标记下的第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，筛选包括第二二维坐标中的第一维度坐标，并且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第一二维坐标中的所有第二维度坐标作为最终集合，对于第二标记下的第二二维坐标和最终集合组合得到的栅格角点进行标记；第一维度坐标、第二维度坐标和第三维度坐标分别指三维坐标系中三个维度的坐标；

对于第三标记下的第三二维坐标，重复所述栅格标记步骤，对栅格角点进行标记。

2.根据权利要求1所述的面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，所述建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，包括：

根据炮弹种类、外弹道和周围环境，建立三维运动轨迹方程。

3.根据权利要求2所述的面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，所述每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，包括：

将栅格8个角点中三个维度坐标的数值最小的角点，作为代表栅格的栅格角点。

4.权利要求要求2所述的面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，所述对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点，包括：

对于一个二维平面中平行于两个维度方向的栅格线，计算与二维平面对应的二维运动轨迹方程之间的交点。

5.根据权利要求4所述的面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，所述计算与二维平面对应的二维运动轨迹方程之间的交点，包括：

将平行于Y维度方向的第a条栅格线x_a=a×X_d，作为x的值代入二维运动轨迹方程H（x，y）=0，记第m个交点P_m（x_m，y_m）；

其中，X_d和Y_d分别为栅格在x和y两个维度方向上的边长。

6.根据权利要求5所述的面向三维空间的火力范围标记方法，其特征在于，所述栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记，包括：

两条栅格线与二维运动轨迹方程之间的两个交点分别为P_m（x_m，y_m）和Q_n（x_n，y_n）；

其中，x_i=i×X_d，y_j=j×Y_d，i和j为整数。

7.一种面向三维空间的火力范围标记装置，其特征在于，包括：轨迹建立单元、二维标记单元和三维标记单元，其中：

所述轨迹建立单元，用于建立炮弹在三维坐标系中的三维运动轨迹方程，并分别建立所述三维运动轨迹方程映射在所述三维坐标系的三个二维平面上的二维运动轨迹方程；所述三维坐标系中划分多个立方体栅格，每个栅格确定一个角点作为代表栅格的栅格角点，每个栅格的栅格角点不重复；

所述二维标记单元，用于执行标记步骤，所述标记步骤：对于一个二维平面中的栅格线，计算与对应的二维运动轨迹方程之间的交点；栅格角点与二维平面对应的两个维度坐标，若分别处于交点的相应维度坐标的栅格区间内，则将栅格角点的第一二维坐标标记上第一标记；栅格角点的三个维度坐标按照三个二维平面划分为第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标；第一标记、第二标记和第三标记分别与第一二维坐标、第二二维坐标和第三二维坐标对应；对于另外两个二维平面重复所述标记步骤，对栅格角点的第二二维坐标和第三二维坐标标记第二标记和第三标记；

所述三维标记单元，用于执行栅格标记步骤，所述栅格标记步骤：第二标记下的第二二维坐标中的第三维度坐标，在所有第三标记下的第三二维坐标中筛选包括第三维度坐标的待选第三二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为待选集合；在第一标记下的第一二维坐标中，查询包括第二二维坐标中的第一维度坐标，并且第二维度坐标属于所述待选集合的待选第一二维坐标，将待选第三二维坐标中的所有第二维度坐标作为最终集合，对于第二标记下的第二二维坐标和最终集合组合得到栅格角点进行标记；第一维度坐标、第二维度坐标和第三维度坐标分别指三维坐标系中三个维度的坐标；对于第三标记下的第三二维坐标，重复所述栅格标记步骤，对栅格角点进行标记。