一种船载天线设备遮挡三维实时检测及可视化系统的制作方法

1.本发明属于海基航天测控技术领域，涉及一种船载天线设备遮挡三维实时检测及可视化系统。


背景技术：

2.海基航天测控平台，是船舶与特装系统包括测控、通信设备的有机结合。各种大型试验设备沿船艏艉线密集架设，电磁信号容易受到相互之间天线外罩以及烟囱、船桅等船体建筑的遮挡和反射，影响信号强度，产生干扰，进而影响测量精度。
3.设备遮挡是任务测量工况设计的一个重要考量因素，也是测控任务执行过程中被持续关注的重要问题。测控设备的布设密集，设备间遮挡关系复杂；为满足变航向测量需要，需要对遮挡情况进行实时分析，以制定相应的规避措施来保持目标全程通视和通信畅通，保障任务顺利完成。
4.测控任务执行过程中，由于船体空间受限造成的设备间信号遮挡是影响任务的一个重要问题，相关方案和软件开发人员开展了一系列工作。方案人员总结了遮挡角的简易计算方法，软件人员在监视软件上也设计了相应的遮挡角图形显示界面。
5.1.当前遮挡角度计算方法
6.此方法认为遮挡面积同遮挡物的位置、高度、宽度以及二者几何关系等因素相关。假设遮挡物处于静止状态，从被遮挡设备的视角看，遮挡阴影在被遮挡设备的方位角和俯仰角满足一定关系时才会出现，因此可将遮挡关系看作关于方位角x和俯仰角y的函数。
7.图1中方位角x和俯仰角y均采用甲板坐标系，其中方位角x[0,360]，俯仰角y[0,90]，阴影部分描述设备的受遮挡区域。当设备的方位、俯仰角坐标(x,y)在阴影区域内时受遮挡，当其坐标位于阴影区域外时设备信号不受遮挡。对于船上的设备来说，遮挡阴影一般出现在船艏艉线上，即分布于x＝0度和x＝180度两侧，阴影区域随着俯仰角y值的增大而减小。
[0008]
2.遮挡关系可视化
[0009]
当前船舶遮挡余量实时监视软件是二维显示界面，根据设备的遮挡数据进行处理和显示。遮挡数据是描述设备受遮挡边界的方位俯仰坐标集合，由总体人员在船体现场实验获取。处理过程和显示方法如下：在预处理阶段，软件首先读取相关配置文件，获取船上所有雷达设备的遮挡数据。软件根据此信息为各个设备拟合生成图1所示的遮挡区域；运行时在接收各类测量数据，从中提取设备方位角和俯仰角和船体的速度姿态数据；最后，基于遮挡区域和实时获取的雷达和船体数据，采用整体视图 分设备视图的画面设计了遮挡角的可视化界面。其中整体视图将船舶航向和各设备绘制在一个表盘上，用户可实时观察航向与设备方位角、俯仰角的变化，如图2所示；分设备视图采用俯视投影坐标系，绘制出单台设备的遮挡区域以及设备指向轴的投影曲线，用户可监视在任务时段中设备是否落入和绕开了阴影区域，图3显示了脉雷设备的遮挡区域，以及一次侧向测量的过程。
[0010]
上述监视显示软件中的遮挡关系分析采用的是一种静态估算模型，不能反映各设
备动态跟踪条件下的遮挡关系的变化。基于此设计的遮挡关系监视界面采用二维显示形式，不能直观的展示各雷达设备的跟踪姿态和空间遮挡关系。


技术实现要素：

[0011]
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供了一种可以应用于不同船型和设备的遮挡情况分析的船载天线设备遮挡三维实时检测及可视化系统，实现对遮挡情况进行精确的空间分析和更为直观的三维展示。
[0012]
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种船载天线设备遮挡三维实时检测及可视化系统，所述系统包括仿真场景初始化、任务过程仿真、遮挡计算和可视化三个模块；其中仿真场景初始化完成大规模动态海面、船体及设备模型构建与渲染；任务过程仿真实现对船体和船载雷达设备跟踪状态的实时运动仿真；遮挡计算和可视化应用仿真平台物理引擎进行遮挡关系计算和遮挡状态可视化。
[0013]
优选地，所述仿真场景初始化包括以下具体内容：
[0014]
1)在建模工具中构建船舶和雷达设备的精确三维几何结构模型，并分层组织船体和各雷达对象，使船体模型作为父节点，各雷达对象作为船体模型的子节点；
[0015]
2)基于虚幻引擎提供的pbr着色器模板设计着色材质，实现对海水颜色、波动形态和反射特性的控制，实现高逼真度动态海面的实时可视化，完成大规模动态海面的构建与渲染；
[0016]
3)在三维渲染引擎中载入船体模型，并在模型的层次结构中获取船体和各雷达设备的节点。
[0017]
优选地，基于虚幻引擎提供的pbr着色器模板设计着色材质具体包括以下内容：
[0018]
1)应用虚幻引擎基于物理的渲染材质模板设置海水物理属性，逼真表现海水外观；
[0019]
2)应用向量扰动方法，在平面几何体上实现动态波动效果，通过引入海面波动法线图，并使用uv动画对其进行采样来设定平面几何体的顶点法线，经光照计算实现几何体表面波动光影效果。
[0020]
优选地，所述任务过程仿真具体实现方式为：
[0021]
1)船体和各雷达设备状态数据采集后使用udp组播形式在各对应组地址进行发送；
[0022]
2)在仿真初始化阶段，针对各组地址建立udp套接字，设置套接字绑定本机地址和端口并加入上述组地址，并创建数据接收线程完成该套接字中数据的接收和量纲转化处理；
[0023]
3)通过引擎提供的矩阵、四元组空间变换接口设计船体和雷达的运动和姿态控制算法，实现对船体和船载雷达设备跟踪状态下的运动和姿态仿真。
[0024]
优选地，船体移动及船摇的仿真方式如下：使用接收的船体位置信息构造平移矩阵；四元组控制模型在局部坐标系x、y、z三个轴向的旋转，使用接收的船体横摇和纵摇数据构造描述船体姿态的四元组，并把四元组转换为旋转矩阵；把位移矩阵和旋转矩阵相乘得到控制矩阵；最后用该矩阵设定对象的空间变换实现船体位移及船摇的仿真。
[0025]
优选地，雷达对象作为船体对象的子节点继承了船体的运动，在此基础上实现其
跟踪姿态的仿真，其实现过程如下：使用接收的甲板系雷达方位、俯仰姿态数据构造描述雷达姿态运动的四元组；把四元组转换为旋转矩阵，并使用该矩阵设定雷达对象的空间变换实现其跟踪姿态的仿真。
[0026]
优选地，遮挡计算和可视化是应用虚幻引擎物理模块完成波束与船舶环境中遮挡要素的碰撞分析，具体工作流程为：首先根据遮挡要素几何结构和雷达波束形态构建碰撞体，其中，碰撞体是对象几何结构的包络，是引擎中物理模块的计算输入；通过定义对象通道来优化物理模块碰撞规则设计，并把波束和遮挡对象分别纳入不同对象通道；在仿真运行时，应用引擎物理模块对通道内对象进行遮挡关系计算，并对遮挡情况进行可视化展示。
[0027]
优选地，应用引擎物理模块对通道内对象进行遮挡关系计算，并对遮挡情况进行可视化展示的过程具体实现如下：
[0028]
1)根据船舶遮挡要素几何结构在虚幻引擎中构建其离散有向包围盒，作为刚体模型提交给物理引擎参与实时碰撞检测；
[0029]
2)在建模工具中，根据各雷达波束的发生形态，构建各雷达波束的包围盒模型；
[0030]
3)在仿真初始化阶段，通过对虚幻引擎物理模块碰撞规则的设置优化碰撞计算，具体过程如下：添加波束、波束遮挡体两个对象通道，设定两者碰撞响应为覆盖并生成覆盖事件，设定两者忽略与其它对象通道的碰撞计算，进一步提升计算效率；把波束对象加入波束对象通道，把遮挡要素加入遮挡体对象通道；
[0031]
4)在仿真运行时，应用引擎physicsx模块的几何体相交测试算法，对上述两个通道内对象的碰撞体进行相交测试，实时计算并返回遮挡情况。
[0032]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0033]
本发明利用三维技术在对象空间结构和位置关系表现方面的优势，研究在对船体和设备精确建模的基础上，通过设计船体运动、设备跟踪及雷达波束发生的仿真算法，实现任务中船船舶运动和雷达跟踪状态的三维可视化。在雷达波束的运动仿真模型中，设计雷达波束与船体及其它设备的碰撞检测算法，完成动态条件下的雷达设备受遮挡情况的实时计算和可视化。该方案可实现对遮挡关系的实时精确计算和直观展示。
附图说明
[0034]
图1为遮挡阴影与遮挡余量的关系示意图。
[0035]
图2为实时遮挡整体示意图。
[0036]
图3为单设备遮挡视图及指向投影示意图。
[0037]
图4为本发明实时运行效果图。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0039]
本实施例提供一种船载天线设备遮挡三维实时检测及可视化系统，所述系统包括以下具体内容：
[0040]
1、仿真场景初始化。
[0041]
在三维渲染引擎中构建海区场景，并载入精确的船舶三维模型，完成基本仿真场景的构建。包括以下具体内容：
[0042]
(1)在建模工具中构建船舶和雷达设备的精确三维几何结构模型，并分层组织船体和各雷达对象，使船体模型作为父节点，各雷达对象作为船体模型的子节点。在仿真运行时，该分层组织形式支持各雷达对象继承船体运动，同时对设备跟踪姿态进行独立控制；
[0043]
(2)基于虚幻引擎提供的pbr着色器模板设计着色材质，实现对海水颜色、波动形态和反射特性的控制，实现高逼真度动态海面的实时可视化，完成大规模动态海面的构建与渲染。具体实现方式如下：在动态海面的构建中，应用虚幻引擎基于物理的渲染(pbr)材质模板设置海水颜色、反射度、平滑度等物理属性，逼真表现海水外观。
②
应用向量扰动方法，在平面几何体上实现动态波动效果。即通过引入海面波动法线图，并使用uv动画对其进行采样来设定平面几何体的顶点法线，经光照计算实现几何体表面波动光影效果。该方法相较于实时生成海面网格大幅提升了系统运行效率，并可以通过uv平铺和扰动向量强度的调整来动态设定海水波长和浪高，调整海面形态。
[0044]
(3)在三维渲染引擎中载入船体模型，并在模型的层次结构中获取船体和各雷达设备的节点。节点包含对象的几何结构和位置、姿态等空间变换数据。在仿真运行时，使用空间变换数据控制对象的实时位置姿态，并结合几何结构及其材质最终实现对象的运动仿真和实时渲染。
[0045]
2、基于实时数据的船体和设备跟踪状态仿真。
[0046]
船体和各雷达设备状态数据采集后使用udp组播形式在各对应组地址进行发送。在仿真初始化阶段，针对各组地址建立udp套接字，设置套接字绑定本机地址和端口并加入上述组地址，并创建数据接收线程完成该套接字中位置姿态等数据的接收和量纲转化等处理。
[0047]
通过引擎提供的矩阵、四元组等空间变换接口设计船体和雷达的运动和姿态控制算法，实现对船体和船载雷达设备跟踪状态下的运动和姿态仿真。船体移动及船摇的仿真方式如下：使用接收的船体位置信息构造平移矩阵mattrans；四元组可以控制模型在局部坐标系x、y、z三个轴向的旋转，使用接收的船体横摇和纵摇数据构造描述船体姿态的四元组，并把四元组转换为旋转矩阵matrot；把位移矩阵和旋转矩阵相乘得到控制矩阵mattotal，最后用该矩阵设定对象的空间变换实现船体位移及船摇的仿真。雷达对象作为船体对象的子节点继承了船体的运动，需要在此基础上实现其跟踪姿态的仿真，其实现过程如下：使用接收的甲板系雷达方位、俯仰姿态数据构造描述雷达姿态运动的四元组；把四元组转换为旋转矩阵，并使用该矩阵设定雷达对象的空间变换实现其跟踪姿态的仿真。
[0048]
3、遮挡关系计算和遮挡情况可视化。
[0049]
在仿真环境中，应用虚幻引擎物理模块完成波束与船舶环境中遮挡要素的碰撞分析。工作流程为：首先根据遮挡要素几何结构和雷达波束形态构建碰撞体，其中，碰撞体是对象几何结构的包络，是引擎中物理模块的计算输入；通过定义对象通道来优化物理模块碰撞规则设计，并把波束和遮挡对象分别纳入不同对象通道；在仿真运行时，应用引擎物理模块对通道内对象进行遮挡关系计算，并对遮挡情况进行可视化展示。具体实现如下：
[0050]
(1)根据船舶遮挡要素几何结构在虚幻引擎中构建其离散有向包围盒，作为刚体模型提交给物理引擎参与实时碰撞检测。构建离散有向包围盒作为碰撞体，可以较好的逼近实体，同时通过简化实体结构提升了碰撞检测的效率。并支持通过包围盒的缩放，来控制遮挡计算的冗余度，具有很强的灵活性。
[0051]
(2)在建模工具中,根据各雷达波束的发生形态，构建各雷达波束的包围盒模型。因为本船雷达发射柱状波束，所以使用包络雷达罩面的圆柱结构作为波束的包围盒。将该包围盒导入仿真场景后挂接在对应雷达节点，在运行时提交给physicsx模块参与碰撞计算。通过对雷达波束包围盒的建模，实现了波束发射范围的精确量化表现。
[0052]
(3)在仿真初始化阶段，通过对虚幻引擎物理模块碰撞规则的设置优化碰撞计算，具体过程如下：添加波束、波束遮挡体两个对象通道，设定两者碰撞响应为覆盖并生成覆盖事件，设定两者忽略与其它对象通道的碰撞计算，进一步提升计算效率；把波束对象加入波束对象通道，把遮挡要素加入遮挡体对象通道。在仿真运行时，应用引擎physicsx模块的几何体相交测试算法，对上述两个通道内对象的碰撞体进行相交测试，实时计算并返回遮挡情况。同时，基于虚幻引擎材质模板设计动态材质，对雷达波束轮廓进行展示。在波束受到遮挡的情况下，调整材质参数，对该轮廓进行高亮显示。并进一步从相应的雷达中心作为相机视点，利用渲染到纹理技术获取该视图，在ui界面上使用该视图对遮挡体和遮挡细节进行可视化展示。
[0053]
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。