飞行器弹道规划安全性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种飞行器弹道规划安全性评估方法，该方法利用平面射线法处理火箭发射过程中的掉落残骸与禁落区，并且通过包围盒碰撞检测和空间分离轴定理来处理弹道与空间禁避飞区的判交问题，从而实现了火箭发射前的安全性评估及弹道可用性检测。该方法大幅提升了判断的准确性并简化了计算，提高了效率。

【技术实现步骤摘要】
飞行器弹道规划安全性评估方法
本专利技术涉及一种飞行器弹道规划安全性评估方法，属于航空及航天领域火箭弹道规划以及残骸安全性评估

技术介绍
残骸落区是指弹道导弹各级火箭工作结束与主箭体分离后做自由落体运动，在地面形成的可能落点区域。禁落区为地面上预先设定的可能由城市、工业区、军事区等等构成的区域。残骸落区安全性分析过程可建模为地球弧面上多个区域的相交性判断以及计算掉入禁落区的概率，由于目前中远程导弹及火箭射程的提高，残骸落区以及禁落区的计算和相交性判断需要考虑到地球弧度的影响，同时需要考虑到残骸落区的分布律，在计算相交概率时需要考虑到这一点。在进行地球弧面多个区域相交性判断时，如果直接以经纬度坐标构建二维坐标，由于经纬度分布实际上是不均匀的，在范围较小(如小于10km)的情况下可能误差比较小，但在实际应用中因为范围的跨度比较大，有时可能达到数百千米，在这种情况下如果忽视经纬度坐标的不均匀性则会造成判定结果的不可信，故需要采用一种高效且精确的投影法则将地球弧面上的点投影到二维平面再进行相交性判断。在进行概率计算时，一般会认为残骸掉落在残骸落区会呈均值分布或者正态分布，这两种分布律中正态分布更加符合实际情况一些，因为火箭残骸在分离弹体后会在一定时间内会做斜抛运动且受到不确定性影响，比较符合正态分布的构造特征，但是二维正态分布的概率计算往往存在效率低且实现比较麻烦的情况，所以需要在不损失精度的情况下进行一定优化。轨迹空间区域安全性分析主要是考虑弹道导弹“飞行走廊”是否穿越地球表面附近的空间区域，空间区域包括敌方防空区域、禁飞区等。该问题建模为数学问题可以理解为判断两个空间立方体是否相交。空间凸多面体碰撞检测常采用近似几何体来替代原有物体的方法，以此提高效率简化操作，包围盒类型的选择是层次包围盒方法的关键,对用于碰撞检测的包围盒一般受简单性和紧密性的约束。常用的包围盒类型有轴对齐包围体AABB(Axis-AlignedBoundingBox,简称AABB)、球包围体(Sphere)、方向包围体OBB(OrientedBoundingBox,简称OBB)和k-Dops凸包体(Dis-creteOrientationPolytopes,简称Dops)。方向包围体具体定义及求法：一个给定对象的方问包围盒被定义为包含该对象且相对于坐标轴方向任意的最小的长方体。方向包围体的计算关键是寻找最佳方向，并确定在该方向上包围对象的包围盒的最小尺寸。为此，一般应用场合计算方向包围体的方法主要是利用顶点坐标的一阶和二阶统计特性，首先计算顶点分布的均值μ，将它作为包围盒的中心，然后计算协方差矩阵C。协方差矩阵C为实对称阵，其三个特征向量是正交的，正规化后可作为一个基底，它确定了方向包围体的方向，分别计算各个元素的顶点在该基底的三个轴向上的最大值和最小值，以确定该方向包围体的大小。关于三维空间判断立体间是否存在相交部分以上方法在民用领域使用相当广泛，例如工程及机械建模，游戏引擎制作等等。该方法具有一定的高效性以及较好的可移植性，在紧密型及复杂性约束下效用最佳。但也存在一些问题如精度损失(相对目标本体，若对于传统包围球及轴对齐包围体则具有一定优势)，复杂性较高等等问题。
技术实现思路
要解决的技术问题：针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种飞行器弹道规划安全性评估方法，该方法针对地面残骸落区与禁落区问题，在初始数据的基础上进行合理的转化及投影来消除地球弧度的影响，提升安全性判定的可信度；在处理正态分布概率计算问题时，采用一种类似分割的思想，将区域分块，赋值然后加和来简化计算过程，提高效率；对弹道数据进行一定的转化，在最小的精度损失下获得较好的相交测试立体；采用一种基于投影的算法确定包围体中心以最大程度提升紧密性，获取最小禁避飞区的包围立体。为解决技术问题而采用的技术方案：一种飞行器弹道规划安全性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取残骸落区多边形第一个点为切点做切平面；(2)将残骸落区和禁落区向切平面投影；(3)利用平面几何的相关算法确定残骸落区与禁落区交点；(4)按照一定逻辑组合残骸落区，禁落区以及交点构成相交区域，即危险区域；(5)对残骸落区多边形建立外接矩形并以矩形区域为基准建立二维正态分布律；(6)将矩形区域分割成N×N小块记为单位区域，每个单位区域按照坐标计算对应的概率并存储；(7)计算残骸落区包含的单位区域个数并求和记为P1，计算相交区域包含的单位区域个数并求和记为P2，P2/P1即为残骸落区和禁落区相交概率大小；(8)依次选取弹道上两个相邻的点为基准点，先求取分离轴；(9)两点连线是其中一条轴线，即轴心线，另一条轴与地心坐标系某平面平行且与轴心线垂直；(10)按照分离轴互相垂直的定义求取第三条轴线；(11)按照弹道轨迹的不确定性大小获取包围立体的半径大小；(12)选取地心坐标原点或者多面体的某个顶点作为基准点；(13)将多面体每个顶点在三个轴向量方向投影，存储投影值；(14)筛选每个方向最小和最大投影值并作差，差值即为最小包围立体半径；(15)以上述半径为基础，建立中心点坐标在三个方向的投影方程，求解方程即可；(16)获得飞行器弹道以及禁避飞区的包围立体后即可按照分离轴定理判定是否存在交集。进一步的，步骤(3)中平面几何的相关算法为射线法、跨立实验或快速排斥实验。进一步的，步骤(6)中N≥100。本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果：本专利技术将平面以及立体几何应用于航空航天领域的火箭残骸以及弹道安全性分析上，并根据具体情况针对原有算法进行变形以及适应性改进，提升了判断的准确性并简化了计算，提高了效率；1.通过该方法对残骸落区以及禁落区的投影避免了在球面上处理的复杂性同时兼顾了精度，减小了误差，提升了判断的准确性，实现了较快的判定残骸落区与禁落区是否相交以及获取交集区域；2.处理相交概率时，对较复杂的二维正态分布进行等效替换的处理，用小区间固定值来代替积分，即兼顾了精度与准确性，又简化了计算，提升了效率，较精确地获取残骸落区与禁落区相交的概率；3.对弹道模型的转化方面，该方法避免了对圆柱面进行分割用多边形替代的方式，这样既简化了计算的过程，又减小了精度的损失，将弹道模型归类与禁避飞区同等几何参数下，有利于之后的计算与测试；4.此方法优化了半径和中心点的紧密性，极大地提升了判断的精度和准确性，可在一定程度上避免火箭弹道与空间禁避飞区安全性判定时出现因裕度过大造成无解情况出现。附图说明图1是残骸落区与禁落区安全评估及相交概率计算方法示意图。图2是火箭弹道与禁避飞区安全评估方法示意图。图3是地球曲面投影示意图。图4是相交区域获取示意图。图5是二维正态分布函数。图6是残骸落区概率分布图。图7是残骸落区与禁落区概率分布图8是火箭弹道与禁避飞区安全判定原理图。图9是火箭弹道包围立体构建示意图。图10是地面禁避飞区包围立体构建示意图。图11是包围立体中心点误差示意图。图12是包围立体最优中心点求取原理图。图13是包围立体中心点投影示意图。图14是火箭弹道与地面禁避飞区安全性评估原理图。图15是火箭弹道与禁避飞区规划示意图。具体实施方式1.残骸落区与禁落区安全评估：判断残骸落区安全性时，输入是以经纬度为坐标的球面数据，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器弹道规划安全性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取残骸落区多边形第一个点为切点做切平面；(2)将残骸落区和禁落区向切平面投影；(3)利用平面几何的相关算法确定残骸落区与禁落区交点。(4)按照一定逻辑组合残骸落区，禁落区以及交点构成相交区域，即危险区域；(5)对残骸落区多边形建立外接矩形并以矩形区域为基准建立二维正态分布律；(6)将矩形区域分割成N×N小块记为单位区域，每个单位区域按照坐标计算对应的概率并存储；(7)计算残骸落区包含的单位区域个数并求和记为P1，计算相交区域包含的单位区域个数并求和记为P2，P2/P1即为残骸落区和禁落区相交概率大小；(8)依次选取弹道上两个相邻的点为基准点，先求取分离轴；(9)两点连线是其中一条轴线，即轴心线，另一条轴与地心坐标系某平面平行且与轴心线垂直；(10)按照分离轴互相垂直的定义求取第三条轴线；(11)按照弹道轨迹的不确定性大小获取包围立体的半径大小；(12)选取地心坐标原点或者多面体的某个顶点作为基准点；(13)将多面体每个顶点在三个轴向量方向投影，存储投影值；(14)筛选每个方向最小和最大投影值并作差，差值即为最小包围立体半径；(15)以上述半径为基础，建立中心点坐标在三个方向的投影方程，求解方程即可；(16)获得飞行器弹道以及禁避飞区的包围立体后即可按照分离轴定理判定是否存在交集。...

【技术特征摘要】
1.一种飞行器弹道规划安全性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取残骸落区多边形第一个点为切点做切平面；(2)将残骸落区和禁落区向切平面投影；(3)利用平面几何的相关算法确定残骸落区与禁落区交点。(4)按照一定逻辑组合残骸落区，禁落区以及交点构成相交区域，即危险区域；(5)对残骸落区多边形建立外接矩形并以矩形区域为基准建立二维正态分布律；(6)将矩形区域分割成N×N小块记为单位区域，每个单位区域按照坐标计算对应的概率并存储；(7)计算残骸落区包含的单位区域个数并求和记为P1，计算相交区域包含的单位区域个数并求和记为P2，P2/P1即为残骸落区和禁落区相交概率大小；(8)依次选取弹道上两个相邻的点为基准点，先求取分离轴；(9)两点连线是其中一条轴线，即轴心...

【专利技术属性】
技术研发人员：周锐，张宇航，邹亭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11