一种动目标飞行轨迹平滑方法及系统与流程

1.本发明涉及航空信息可视化，具体是涉及一种动目标飞行轨迹平滑方法及系统。


背景技术：

2.随着飞行技术的不断发展，各种各样的气球、滑翔机、飞艇、直升机、运输机等飞行器已经广泛应用于地质勘测、人员搜救、国际/国内通勤等民用领域，每日有数以万计的飞行器翱翔蓝天。根据民航局发布的《2020年民航行业发展统计公报》显示：在民航运输领域，截至2020年底，64家运输航空公司所拥有的运输飞机已接近4000架，开辟的航线已超过5000条，仅2020年民航运输机场完成旅客吞吐量就超过8亿人次、起降架次超过900万架次；在通用航空领域，截至2020年底，获得通用航空经营许可证的通用航空企业已超过500家，通用航空在册航空器总数接近3000架；同时，随着无人机领域的不断兴起，截至2020年底，全行业无人机拥有者注册用户超50万个，注册的无人机超过50万架，2020年参与民航局无人机云交换系统的无人机飞行小时共有183万小时。
3.空中的飞行器动目标通过无线电、gps等手段将当前的位置、速度、方向等信息以周期性轨迹信息的形式传送至地面监测系统。由于收到的轨迹信息并不是连续的，并且考虑到信号传输、接收等多方面的因素也无法实现轨迹信息的连续不间断发送，如图2所示，因此动目标在监测系统的航空图中往往以逐点跳动的方式进行展现。该展现方式主要存在两方面的问题：一是仿真展现效果粗糙、人机交互体验差，特别是在监测动目标数量较多的情况下，满屏皆是逐点跳动的动目标；二是由于轨迹信息的不连续性，所包含的方向、速度等飞行趋势关注内容的动态实时变化情况难以在逐点展现中得到体现，比如，动目标的运行方向在两个相邻的轨迹点位置发生了很大的变化，基于逐点跳动展现的方式，方向的动态变化过程难以得到清晰的展现。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种展现动目标真实、平滑飞行趋势的动目标飞行轨迹平滑方法。
5.本发明还提供一种动目标飞行轨迹平滑系统。
6.技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种动目标飞行轨迹平滑方法，包括以下步骤：（1）获取动目标当前轨迹点的运动参数以及前一轨迹点的运动参数，运动参数包括所处时刻、航向、速度和坐标；（2）基于动目标前一轨迹点和当前轨迹点的运动参数，计算得到动目标前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量；（3）在当前轨迹点与前一轨迹点之间设置若干时间间隔均匀的轨迹转换点；（4）根据前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量，计算得到动目标在每个轨迹转换点的航向、速度及位置坐标；
（5）根据轨迹转换点位置坐标平滑动目标在前一轨迹点与当前轨迹点之间的飞行轨迹。
7.进一步的，所述步骤（3）中所述动目标前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔计算公式为：其中，为动目标在当前轨迹点时所处时刻，为动目标在前一轨迹点时所处时刻；所述航向角度变化量计算公式为：计算公式为：计算公式为：其中，动目标当前轨迹点的运动方向向量为，动目标前一轨迹点的运动方向向量为，用平面直角坐标表示两个向量分别为和；所述速度变化量计算公式为：其中，为动目标在当前轨迹点时的速度，为动目标在前一轨迹点时的速度。
8.进一步的，当前轨迹点、前一轨迹点、轨迹转换点之间任意两个相邻点之间的时间间隔计算公式为：航向变化量计算公式为：速度变化量计算公式为：其中，为当前轨迹点与前一轨迹点之间每秒设置的轨迹转换点的个数。
9.进一步的，每个轨迹转换点的运动方向向量计算公式为：
其中，表示第个轨迹转换点，且；每个轨迹转换点的速度计算公式为：。
10.进一步的，所述轨迹转换点的位置坐标计算公式为：为：其中，表示当前计算的轨迹转换点的前一个轨迹转换点的位置坐标。
11.进一步的，所述当前轨迹点与前一轨迹点之间每秒设置的轨迹转换点个数大于24。
12.本发明还采用一种动目标飞行轨迹平滑系统，包括：轨迹参数获取模块，用于获取动目标当前轨迹点的运动参数以及前一轨迹点的运动参数，运动参数包括所处时刻、航向、速度和坐标；轨迹转换点设置模块，用于在当前轨迹点与前一轨迹点之间设置若干时间间隔均匀的轨迹转换点；参数计算模块，用于基于动目标前一轨迹点和当前轨迹点的运动参数，计算得到动目标前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量；并根据前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量，计算得到动目标在每个轨迹转换点的航向、速度及位置坐标；轨迹平滑模块，用于根据轨迹转换点位置坐标平滑动目标在前一轨迹点与当前轨迹点之间的飞行轨迹。
13.有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是基于动目标的飞行趋势通过增加轨迹转换点实现动目标在两轨迹点之间的平滑飞行能力，仿真展现效果优异、人机交互体验好，在平滑飞行的同时还能通过轨迹转换点实时反映动目标的运行方向、飞行速度、间隔时间等飞行状态的动态变化过程；其次，仅运用动目标自身的飞行轨迹数据信息，不同于业内常用贝塞尔曲线进行辅助插值计算，计算简洁高效适合批量动目标进行平滑飞行计算；最后，本方明适用于气球、滑翔机、飞艇、直升机、运输机等大多数常规动目标飞行器。
附图说明
14.图1是本发明飞行轨迹平滑方法的流程图。
15.图2是动目标沿轨迹点逐点跳动示意图。
16.图3是对图2动目标平滑飞行轨迹后的轨迹示意图。
具体实施方式
17.如图1所示，本实施例中一种动目标飞行轨迹平滑方法，可以实现动目标基于轨迹点平滑飞行的能力，并且在平滑飞行过程中能够实时反映动目标的飞行状态，包括以下步骤：（1）获取动目标当前轨迹点的运动参数以及前一轨迹点的运动参数，运动参数包括所处时刻、航向、速度和坐标，将动目标当前轨迹点与前一轨迹点分别标注为，其中，对应的动目标在当前轨迹点与前一轨迹点的所处时刻分别为，当前轨迹点的具体位置为，前一轨迹点的具体位置为，当前轨迹点的运动方向向量为，动目标前一轨迹点的运动方向向量为，用平面直角坐标表示两个向量分别为和。
18.（2）基于动目标前一轨迹点和当前轨迹点的运动参数，计算得到动目标前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量。
19.1）两个轨迹点的时间间隔为，计算公式如下：2）航向变化量为，计算过程如下：运动方向向量、的单位向量为、，有计算公式如下：，有计算公式如下：。
20.计算单位向量和的点乘，计算公式如下：。
21.对点乘结果用反三角函数得到其对应的角度，公式如下：。
22.将单位向量的坐标拓展到三维空间，即、
，其中为三维空间第三根轴上的坐标，其中，计算两个单位向量的叉乘，计算公式如下：。
23.令，向量即为三维空间中同时垂直于单位向量、的向量，向量逆时针旋转到向量的旋转角度为，其计算公式如下：。
24.3）两个轨迹点的飞行速度增量为，计算公式如下：。
25.（3）在当前轨迹点与前一轨迹点之间设置若干时间间隔均匀的轨迹转换点；根据一秒钟最低24帧可形成运动图像的原理，每秒的帧数（即每秒设置的轨迹转换点个数）为，有，确定轨迹转换点的个数为，。
26.（4）根据前一轨迹点到当前轨迹点的时间间隔、航向变化量、速度变化量以及位置变化量，计算得到动目标在每个轨迹转换点的航向、速度及位置坐标。
27.计算包含轨迹点、轨迹转换点在内的，任意两个相邻的前一点到后一点的时间间隔、航向变化量、速度变化量，分别标注为、、，计算公式如下：，计算公式如下：，计算公式如下：。
28.根据航向角度增量、飞行速度增量可计算得出每个轨迹转换点的运动方向向量以及实时飞行速度，用直角坐标表示运动方向向量，有，计算公式如下：，计算公式如下：，计算公式如下：。
29.轨迹转换点位置坐标计算：轨迹转换点为的具体位置用直角坐标表示为，根据轨迹转换点的运动方向向量可求得其对应的单位向量，计算公式如下：。
30.根据前一个轨迹点的单位方向向量、飞行速度以及到第一个轨迹转换点的时间增量可计算得出第一个轨迹转换点的具体位置。此时，轨迹转换点的具体位置坐标表示为，计算公式如下：，计算公式如下：。
31.基于第一个轨迹转换点的具体位置，依次可计算出后续所有轨迹转换点的具体位置，计算公式如下：置，计算公式如下：上述公式中，表示已经计算求解出的前一个轨迹转换点的具体位置，并且有。
32.（5）对动目标其它轨迹点作上述步骤的处理，最终基于轨迹转换点的具体位置，可实现动目标从前一个轨迹点到当前轨迹点的平滑飞行轨迹，并且在平滑飞行轨迹中通过轨迹转换点能够实时反映动目标的飞行状态。