申请/专利权人：中国人民解放军空军工程大学

申请日：2022-01-16

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114490815B

主分类号：G06F16/2458

分类号：G06F16/2458;G06F16/29;G06T17/05;G06Q10/0631

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.05.31#实质审查的生效;2022.05.13#公开

摘要：一种基于地形通视的无人机任务载荷侦察覆盖率计算方法，具体包括下列步骤：数据准备；扫描边界计算；扫描区域处理；栅格小区域通视计算；合并计算；计算侦察覆盖率。本发明能够实现航线规划对于非平面地形的支持；能够实现既定航线侦察覆盖率的定量描述，且能够避免操作员人为和主观判断的误差。

主权项：1.一种基于地形通视的无人机任务载荷侦察覆盖率计算方法，其特征在于，具体如下：通过引入地形高程数据而进行的通视分析，进行任务区航线条件下任务载荷侦察覆盖范围和覆盖率的准确计算，本技术适用如下条件：11无人机执行侦察任务时为平飞状态，即其俯仰、滚转均为0°的状态；12任务区地形为高山地形或者平原地形皆可，但有该区域的高程数据；13不考虑地面建筑、植被等其他地表覆盖物的情况；14不考虑光电吊舱EO等光学任务载荷在不同天气情况下被云层、雨雪遮挡的情况；15不考虑复杂电磁环境对于雷达等任务载荷产生干扰的情况；1数据准备该阶段获取基于顶层任务目标所形成的任务区数据、任务载荷参数和状态数据、航路点数据；将上述数据进行二维标定以进行下一步计算的数据准备，具体包括获得无人机航路点、任务区域、任务载荷状态数据、任务载荷性能参数；在任务规划阶段，已知的数据如下：s无人机位置P在WGS84坐标系下的经纬海拔B1，L1，H：t无人机任务载荷视轴中心的俯仰角θ，该值由操作员认为设定参数，值域为0°到90°，任务载荷水平为0°，竖直为90°；u无人机航向角ψ，由计算时实时获取；v无人机偏流角γ，由计算时实时获取；w无人机任务载荷视场角水平大小Vh和竖直大小Vv，该两值为任务载荷的参数，根据操作员所选择的工作模式和设定的参数能够方便计算得出；无人机任务载荷当前状态下近界俯仰角x无人机任务载荷当前状态下远界俯仰角y无人机任务载荷极限俯仰角θmax，该值为任务载荷的固有属性，查询任务载荷手册确认，值域为0°到90°；z无人机任务载荷最大作用距离为Lmax，该值为任务载荷的固有属性，查询任务载荷手册确认；aa地球近似为球体，其半径R＝6371000，单位为米；2扫描边界计算该阶段基于航路点数据、任务载荷参数和状态数据，计算出扫描边界点；计算过程考虑地球曲率的影响，但先不考虑地形高程的影响；由于侦察覆盖率计算应用于任务预规划阶段，对任务载荷的使用较为理想的为无人机平飞阶段，在该阶段无人机姿态中的俯仰和滚转为0°，且任务载荷预置模式为左侧视或右侧视；将任务载荷对地信号作用范围为扇形作为基本假设，获得一次采样的侦察覆盖范围；令P点为无人机当前位置；PO为其在地面投影；A点为任务载荷视场左边界与任务载荷探测范围近界在地面投影的交点；B点为任务载荷视场左边界与任务载荷探测范围远界在地面投影的交点；C点为任务载荷视场右边界与任务载荷探测范围远界在地面投影的交点；D点为任务载荷视场右边界与任务载荷探测范围近界在地面投影的交点；AD弧线为无人机任务载荷当前位置扫面范围的近界；BC弧线为无人机任务载荷当前位置扫面范围的远界；M点为任务载荷视轴中心线与任务载荷探测范围近界在地面投影的交点；N点为任务载荷视轴中心线与任务载荷探测范围远界在地面投影的交点；MN连线为任务载荷视场中心线，与无人机飞行方向垂垂直，也就是与飞行方向夹角90度；A、B、C、D、M、N点的经纬度由无人机高度、任务载荷最大作用斜距、任务载荷最大俯仰角这些参数设置后得到；具体计算方式如下：①计算M点的经纬度c圆心角计算为计算得更加精确，需将地球近似为球体，并考虑地球曲率，已知无人机位置P、地心O、P点到球面的投影点PO、任务载荷近界俯仰角θ1＝∠OPM、地球半径R、飞行高度H、任务载荷的最大作用距离Lmax、任务载荷的极限俯仰角θmax、最大俯仰角时无人机位置发出的射线与球面的交点M’，无人机位置发出的射线与地球面的切点N’；根据余弦定理，优先计算第一圆心角θ3＝∠MOP、第二圆心角具体如下：i.计算任务载荷任务载荷视距范围内最大作用斜距 ii.计算最小俯仰角∠OPN′ iii.计算任务载荷所能达到的最短斜距PM’，根据余弦定理带入参数，如式3：PM′2+R+H2-2*PM′*R+H*cos90°-θmax＝R23计算得到PM′；iv.校验任务载荷近界俯仰角θ1为保证计算的有效性，即所计算的最大俯仰角θ1在合理值范围内，需进行校验；如果θ1小于俯仰角最小值∠OPN′，则θ1＝∠OPN′，如果大于任务载荷物理最大俯仰值θmax，通过顶层输入或预设，则θ1＝θmax＝∠OPM′，反之则值不变；通过该方式控制任务载荷在有效和可用范围内；v.校验最大作用距离Lmax如果任务载荷的最大作用距离Lmax大于最大斜距PN′，则Lmax＝PN′，如果任务载荷的最大作用距离Lmax小于最小斜距PM′，则Lmax＝PM′，反之Lmax值不变；通过该方式控制任务载荷最大作用距离有效和在可用范围内；vi.计算第一圆心角θ3，PM为预设的最大俯仰角θmax对应的斜距；根据下式余弦定理计算得出PM值：PM2+R+H2-2*PM*R+H*cos90°-θ1＝R24再次使用余弦定理如下式：R2+R+H2-2*R*R+H*cosθ3＝PM25计算出θ3： vii.同理，由于Lmax为已知值，使用余弦定理直接计算N与P点所对应的第二圆心角 viii.比较θ3与的值，如果θ3大于则交换θ3与的值；反之，不做任何改变；bM点经纬度计算在计算出θ3与的值后，进一步计算M点的经纬度；此时已知无人机位置在球面正投影点PO经度、纬度、航向角以及偏流角L1，B1，ψ，γ，PO点到M点的圆心角＝θ3，Q为北极点，PO、M、Q构成球面三角形，B1、B2、L1、L2分别是PO、M两点的纬度和经度坐标；利用球面三角形计算公式计算出M点的经纬度坐标；为便于计算，需对球面三角形进行简化；其中：Q、P0、M所对应的球面三角形弧长分别是a、b、c，A′、B′、C′是球面上的角；∠A′是∠P0QM的简写，∠B′是∠QP0M的简写，∠C′是∠QMP0的简写，a是过球心圆上的弧长P0M，b是球心圆上的弧长QM，c是过球心圆上的弧长P0Q；在球面三角形P0MQ中，已知P0点的纬度B1，经度L1，航向角ψ，偏流角γ，圆心角∠P0OM，需计算目标点M的纬度B2和经度L2；i.计算M点经度L2已知∠A′＝L2-L1，c＝∠P0OQ＝90-B1，b＝∠MOQ＝90-B2，a＝∠P0OM；a、b、c是球面三角形弧长，单位长度半径的球面，其弧长与角度相等，因此用角度表示；因为PM垂直于航线方向，所以∠B′＝90°+ψ+γ；根据球面正弦公式：代入已知条件，得：sinasinB′＝sin90°-B2sinA′8根据球面三角形余切公式：cotasinc＝cotA′sinB′+cosB′cosc，代入已知条件，得：cota·sin90°-B1＝cotA′·sinB′+cosB′·cos90°-B19化简后得： 即能够计算出经度L2；ii.计算M点纬度B2在计算M点纬度B2之前需先校验B′，如果B′值为零，则说明目标点M与P点在同一纬度，B2＝B1+∠P0OM；如果B′值不为零，则需要通过判断象限来确定B2的值；计算公式如下：cosB2＝cosa·sinB1+sina·cosB111由式7转换得： 判断L2-L1的取值范围，如果L2-L1大于零则sinB2值不变，反之则将sinB2的值取个负号；判断cosB2的取值范围，如果cosB2大于等于零则b在第一、第四象限，反之则b在第二、第三象限；在此基础上，通过判断sinB2取值范围确定b所在象限；当cosB2的值大于零且sinB2大于等于零，则b在第一象限B2＝90°-cscsinB213当cosB2的值大于等于零且sinB2小于零，则b在第四象限B2＝90°+cscsinB214当cosB2的值小于零且sinB2大于等于零，则b在第二象限B2＝90°+cscsinB215当cosB2的值小于零且sinB2小于零，则b在第三象限B2＝90°-cscsinB216由此，计算出M点的经纬度；重复上述计算步骤，则能够计算出N、A、B、C、D的经纬度；3扫描区域处理；扫描区采用栅格化方法处理；1地形高程获取在获得考虑地球曲率影响下的各点经纬度后，A、B、C、D、M、N各点海拔高度，由其经纬度带入高程数据后即能够确定；2扫描范围栅格化根据A、B、C、D四点所组成的区域进行栅格化，AD方向m等分，AB方向n等分，得到m*n个子四边形区域，存储这些子四边形区域的中心点，为用作通视采样点做准备；栅格化所用参数如下：①m：方位向离散化等分系数，m为整数，最小值为1，其值越小，细分颗粒度越粗，结果偏差越大，但计算效率越高，由规划人员输入设定；②n：距离向离散化系数，设定方法同方位向，m和n不一定相等；③m*n：一次任务载荷侦察覆盖范围的离散点数；④d：方位向最小细分距离，d＝LADm，其中LAD是A、D水平投影点的连线；4栅格小区域通视计算利用地形高程数据、无人机当前位置数据以及栅格化后的数据进行各栅格小区域通视计算，即能够得出各小区域的通视结果；通视分析时根据当前无人机所在位置和目标点的位置，结合高程地形进行两点之间是否可视的计算和判断；无人机飞行剖面纵向切割地形获得的地形剖面，无人机实时位置与目标点连线，如果与地形剖面有交叉，则表示无人机在当前点与目标不通视，反之则通视；由于无人机任务载荷是否通视地面目标与地面目标是否通视无人机判断依据相同；为便于计算，将地面目标作为视点-V点，无人机任务载荷的探测距离作为作用范围，也就是换算为地距，其边界位置作为目标点-T点，先选择某一个方向；然后从视点到目标点逐点分析交点；其中的Fxi，yi、Gxi+1，yi+1…这些点均为视线VT在x，y平面上的投影同方形格网单元边的交点，视线VT的斜率α由下式算出： 其中：ZT为TxT，yT点的高度；ZV为VxV，yV点的高度； 为T点到V点水平距离；以基准水平面向东为X轴，以V点铅锤面向上为Y轴构建坐标系，视点V与各交点连线与水平面夹角βi斜率如下： 其中：Zi为Fxi，yi点的高度；ZV为VxV，yV点的高度； 为F点到V点水平距离；通视性判断通过比较tanα与tanβi的值完成：如果tanβi大于tanα，则表示不能通视，计算结束；如果tanβi不大于tanα，则F点通视，计算下一个点Gxi+1，yi+1；如果可一直推进到目标点T，则视点与目标点之间可以通视；在根据公式17和公式18以及上述通视判断计算方式完成一次基于航路点数据、航路点等分数据进行栅格小区域通视计算为一次采样计算，在完成一次采样计算并得出结果后，按照栅格的参数按照方位向和距离向以此类推迭代计算，即能够得出一次采样覆盖范围内的通视和非通视栅格；5合并计算基于航路点数据、航路点等分数据进行各通视计算点的栅格小区域通视计算，并将通视结果合并，获得通视和非通视栅格的图；此外，该步骤还同步计算扫描区域的合并结果；具体地，在一次采样计算完成后，获得通视和非通视栅格的图，以此类推，按照航路点数据和切分的间隔计算所有航线点的扫描区域，获得通视和非通视栅格的图，并进行合并计算；设定所有航线点扫描区域为U1，不通视区域为U2，扫描区与任务区交集为U3，不通视区域与任务区交集为U4；合并计算的具体算法步骤为：①令航点1、航点2表示无人机任务航线上的任意2个航点，其他航点的计算以此类推；按照采样间隔，在航点1和航点2中间平滑出所有插值航点，获取所有航点生成的扫描区域数据，扫描区域是多个扇形，每个扇形为航点1和航点2之间某个航点生成的扫描区域数据；②将多边形区域边界点按照逆时针方向排列存储；③将这些扇形区域合并，获得由扫描区域边界点形成的多边形，遍历所有扫描区域形成的多边形区域，将当前被合并的区域与多边形区域中各多边形逐个求并集；④基于遍历和逐个求并集的结果，计算出并集后的多边形区域边界点数据；6计算侦察覆盖率设顺着航向方向递推，根据上述步骤①-④计算出的通视区域与任务区交集U3和任务区U4，即能够获得整条航向的侦察覆盖范围；令：P1是第一次计算时无人机所在点，也是任务载荷所在点；A1、B1、C1、D1分别是无人机在P1点时，无人机任务载荷当前位置扫面范围的边界点；A1D1弧线为近界，A1在左边界，D1在右边界，B1C1弧线为远界，B1在左边界，C1在右边界；M1和N1分别为A1D1弧线以及B1C1弧线的中心点；同理，P2点为下一次计算无人机所在点，也是任务载荷所在点；其他点的信息描述和定义与P1点对应的点一致；令：U1为所有航线点扫描区域；U2为所有的不通视区域；U3为扫描区与任务区交集；U4为不通视区域与任务区交集；对该二维图形进行算和处理，计算出侦察覆盖率。

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