基于前点信息预测纠正动目标轨迹的方法_刘辰炜.pdf

ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY基于前点信息预测纠正动目标轨迹的方法刘辰炜，张臻（中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京210007）摘 要：针对民用仿真软件中，动目标飞行器轨迹点错误导致飞行时出现撞山、偏离整体轨迹方向的问题，提出了一种基于前点信息预测纠正动目标轨迹的方法。基于飞行器的最低飞行高度和最大飞行速度，根据飞行器最新轨迹点与前一个轨迹点来判断其位置是否合理，不合理则根据实时速度、航向和两点之间的时间差等参数计算得到测纠正后的最新轨迹点。实验结果表明针对民用飞行器利用该方法，能够纠正预测得到较为合理的、符合整体飞行轨迹的轨迹点。关键词：仿真软件；轨迹点；动目标；预测纠正中国分类号：TP 183文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0064-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.015A Method of Predicting and Redressing Moving Target Trajectory Basedon the Information of Previous PointLIU Chenwei，ZHANG Zhen（The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China）Abstract：Aiming at the problem of mountain collison and deviation from the overall trajectory direction caused by theerror of the trajectory point of the moving target aircraft in civil simulation software，a method of predicting and correct-ing the trajectory of the moving target based on the information of the previous point is proposed.Based on the lowestflight altitude and maximum flight speed of the aircraft，whether the position of the aircraft is reasonable is judged ac-cording to its latest trajectory point and previous trajectory point.If it is not reasonable，the latest trajectory point aftermeasurement and correction is calculated according to real-time speed，heading，time difference between two pointsand other parameters.The experimental results show that the predication can be corrected and the trajectory pointsthat are reasonable and consitent with the overall flight trajectory for civil aircraft can be obtained through the method.Keywords：simulation software；trajectory point；moving target；prediction and redressal收稿日期：2022-12-01作者简介：刘辰炜（1987），男，江苏南京人，中国电子科技集团公司第二十八研究所高级工程师，硕士，从事地理信息系统研究工作。通讯作者：张臻（1982），男，江苏南京人，中国电子科技集团公司第二十八研究所高级工程师，硕士，从事地理信息系统研究工作。0引言二维地理信息系统能够很好地展示飞机等飞行器动目标的实时位置，但是由于一些空间上的特征，譬如飞机的高度、俯仰和横滚等姿态信息无法得到展现，因此需要基于三维仿真环境来展现动目标除位置以外的其他信息。三维仿真技术近年来得到了快速发展，除了用于展现飞行器飞行姿态外，在其他行业也得到了广泛的应用，如642023.06ELECTRONICS QUALITY王旭科1探索通过将机载激光扫描技术获取的点云和倾斜摄影技术获取的两种异构数字影像数据融合的建模方法，来构建数字城市实景三维场景，并阐述了三维数字化建模的技术路线和生产流程；郑哲2提出将三维实景建模技术应用于虚拟仿真数据采集中，设计和开发集控制测量、数字测图、绘图和质量评价于一体的数字化测图三维实景仿真系统，用以达到反映真实地形（地貌）和地理要素的目标；占伟伟等人3采用基于相似性特征提取的三维图形渲染优化方法解决了海量图形人机交互时的求交卡顿问题，并将其成果应用于三维海量态势的显示；卓宏明等人4采用多旋翼消费级无人机加云端地球在线平台免像控的无人机航测技术方案，降低无人机倾斜摄影三维实景建模的门槛和成本，并将其成果应用于景区古建和农村村庄两个典型场景的三维实景建模方面。在动目标飞行器仿真领域，三维数字地球可以实时展现民航客机、地形勘探无人机和气象勘测气球等飞行器的运动轨迹，该能力已经广泛地应用于民航飞机管制、气象水文勘测和地形地貌勘探等各类民用行业和领域。使用人员通过仿真软件关注动目标的运行状态，基于周期性回传的轨迹点能够实时掌握目标的运行轨迹是否符合规划的路线及目标当前的状态是否正常等。但是周期性回传的轨迹点会因为信号干扰和解析错误等诸多原因而导致通过仿真系统展现错误的轨迹点位置，表现为动目标某个时刻的轨迹点明显脱离整体轨迹的运行路径，甚至存在着飞机、气球等动目标“穿地”的现象，影响展现效果及使用，因此需要基于整体运动轨迹对轨迹点进行大致的预测，必要时进行纠正。在动目标飞行器航迹、轨迹预测方面，已经有诸多理论成果及运用，如钱夔等人5针对热点区域的目标航迹预测问题，提出了基于反向传播（BP）神经网络构建空中目标航迹预测模型的方法；郭宪超等人6提出了基于K-means+时间聚类的航迹预测算法，用以解决传统航迹聚类预测算法对时间数据预测不准确的问题；董晓璋等人7通过 基 于 云 理 论 的 云 变 异 自 适 应 调 整 粒 子 群（CHAPSO）算法，来对无人机飞行进行预测规划，实现了飞行时规避山体的目标；戴凯龙等人8根据运动学关系，将无人机的位置控制转换成速度控制，并根据速度窗口来预测下一刻的可能，解决无人机飞行时避障的问题。本文提出了一种基于前点信息预测纠正动目标轨迹的方法，基于飞行器的特征，设置其最低飞行高度及最大飞行速度。结合飞行器前一个轨迹点的相对位置和当前的离地高度，计算并判定飞行器当前位置是否合理，若不合理则根据最新轨迹点与前一个轨迹点的实时速度、航向和两点之间的时间差，以及地面高度来进行预测计算，得到最新轨迹点纠正后的位置信息。1实现步骤本文中所提出的方法的基本流程如图1所示，具体操作如下所述。1.1 阈值设定根据动目标飞行器特征设定动目标的最低飞行高度和最大飞行速度，有0，0。图1方法流程图Computer Science and Technology计算机科学与技术65ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY1.2 合理性判定对于飞行器的最新轨迹点，通过与前一个轨迹点的相对位置或者距离地面是否超过最低飞行高度来判断其位置的合理性。若飞行器按最大速度飞行，飞行时间为两轨迹点的时间差，飞行距离小于两轨迹点的相对位置，如图2所示，则最新轨迹点当前位置不合理，需要调整；结合最新轨迹点所在位置的地面高度，若到地面的距离小于最低飞行高度，如图3所示，则最新轨迹点当前位置不合理，需要调整。将最新轨迹点标注为TrackPointk，前一个轨迹点 为TrackPointk-1，位 置 分 别 标 注 为PTrackPointk、PTrackPointk-1，坐标为（Xk，Yk，Zk）、（Xk-1，Yk-1，Zk-1）。计算两点之间的相对距离distTrackPointk_k-1，计算公式如下：distTrackPointk_k-1=（Xk-Xk-1）2+（Yk-Yk-1）2+（Zk-Zk-1）2（1）最新轨迹点与前一个轨迹点的时间分别为Timek和Timek-1，计算按最大飞行速度飞行的距离dist，计算公式如下：dist=*（Timek-Timek-1）（2）标注最新轨迹点所在位置的地面高度为Hk，地球半径为R，空间直角坐标系的原点为地球中心。计算TrackPointk的海拔高度Altk，计算公式如下：Altk=Xk2+Yk2+Zk2-R（3）此时若有distdistTrackPointk_k-1或Altk（Hk+），则最新轨迹点当前的位置不合理，需要进行调整。1.3 预测纠正首先，求得两点之间飞行的平均速度并计算最新轨迹点与前一个轨迹点方向的变化向量；其次，使飞行器从前一个轨迹点按平均速度飞行，飞行时间为两轨迹点的时间差，飞行方向为变化向量所指向的方向；然后，飞行结束后结合地面高度与最低飞行高度，在需要的情况下利用比例因子调整飞行器的空间位置从而提升其高度值；最后，得到预测纠正后的最新轨迹点的位置信息。如图4所示。标注两个轨迹点速度分别为k和k-1，则两点的平均速度为：average=（k+k-1）2（4）令 轨 迹 点 的 方 向 分 别 为Dk?和Dk-1?，坐 标 为（xk，yk，zk）、（xk-1，yk-1，zk-1）。从TrackPointk-1到Track-Pointk的方向变化向量为D?，坐标为（x，y，z）。有D?=Dk?-Dk-1?，即：（x，y，z）=（xk-xk-1，yk-yk-1，zk-zk-1）（5）D?的单位向量d?的计算公式如下：d?=（xk-xk-1，yk-yk-1，zk-zk-1）（xk-xk-1）2+（yk-yk-1）2+（zk-zk-1）2（6）因此，动目标飞行器从前一个轨迹点沿着变化向量D?所指向的d?方向按平均速度average飞行（Timek-Timek-1）时间，飞行过程daverage?计算公式如下：daverage?=图3飞行高度小于最低飞行高度示意图图2飞行距离小于两点之间距离示意图662023.06ELECTRONICS QUALITY（xk-xk-1，yk-yk-1，zk-zk-1）*（Timek-Timek-1）*（k+k-1）2（xk-xk-1）2+（yk-yk-1）2+（zk-zk-1）2（7）将飞行后调整位置的最新轨迹点的位置标注为PTrackPointk，用空间直角坐标表示为（Xk，Yk，Zk），计算公式如下：（Xk，Yk，Zk）=（Xk-1，Yk-1，Zk-1）+daverage?（8）调整后的最新轨迹点若不满足不低于最低飞行高度的要求，即存在（X2k+Y2k+Z2k-R）（Hk+）的情况，则需要进一步地对位置进行调整。令调 整 使 用 的 最 小 比 例 因 子 为，有（*X2k+Y2k+Z2k-R）=（Hk+），则的计算公式如下：=（Hk+）+RX2k+Y2k+Z2k（9）调整高度的最新轨迹点的位置为PTrackPointk，坐标为（Xk，Yk，Zk）带入比例因子，计算公式如下：（Xk，Yk，Zk）=（Xk，Yk，Zk）*（Hk+）+RX2k+Y2k+Z2k（10）带入上述计算得出的Xk、Yk、Zk的值可得动目标预测纠正后的最新轨迹点的位置信息。2实验效果本文致力于解决判断飞行器动目标当前位置是否合理，并进行