一种无人艇环境数据仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种无人艇环境数据仿真方法，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；依据标准导航格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。本发明专利技术通过设置无人艇航行状态和各种仿真环境的场景，能测试和验证各任务系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，降低试验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种无人艇环境数据仿真方法
本专利技术属于无人船环境仿真软件系统涉及
，尤其涉及一种实时生成雷达辐条的仿真方法。
技术介绍
无人艇是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务。为测试和验证无人艇控制系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，减少试验成本，通过模拟无人艇所处的环境，建立无人艇环境仿真系统是研究无人艇的必要手段。
技术实现思路
：为了克服上述
技术介绍
的缺陷，本专利技术提供一种无人艇环境数据仿真方法，测试和验证无人艇控制系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，减少试验成本。为了解决上述技术问题本专利技术的所采用的技术方案为：一种无人艇环境数据仿真方法：步骤1，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；步骤4，依据标准导航格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。较佳地，步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇位移运动模型，获取无人艇位移运动模型为无人艇的经纬度坐标其中，Δλ和为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标。较佳地，步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇姿态运动模型，获取无人艇姿态运动模型包括无人艇运动到t时刻的横摇角纵摇角升沉其中，TR,TP,TH分别为无人艇的横摇角摆动周期、纵摇角摆动周期和升沉周期，SR,SP,SH分别为无人艇的横摇角摆动幅值、纵摇角摆动幅值和升沉摆动幅值，θR,θP,θH分别为无人艇的横摇角初始摆动相位、纵摇角初始摆动相位和升沉初始摆动相位。较佳地，步骤1建立海上目标运动模型包括获取在t时刻第i个目标相对无人艇的距离方位其中，为时刻t第i个目标相对无人艇的位置。较佳地，步骤2根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据各字段的方法包括：人工设定无人艇当前航向角C0，获取无人艇当前纵摇值Pitch＝SPsin(2πt/TP+θP)，获取无人艇当前横摇值Roll＝SRsin(2πt/TR+θR)，获取无人艇当前升沉值Heave＝SHsin(2πt/TH+θH)，获取无人艇当前的经纬度坐标λ0+Δλ和获取无人艇当前的东向速度Ve＝V0cos(C0)、北向速度Vn＝V0sin(C0)和天向速度Vu＝SHsin(2πt/TH+θH)′＝2πSH/THcos(2πt/TH+θH)，其中，Sp为纵摇角的摆动幅值，Tp为纵摇角的摆动周期，θp为纵摇角的摆动相位，SR为横摇角的摆动幅值，TR为横摇角的摆动周期，θR为横摇角的摆动相位，SH为升沉的摆动幅值，TH为升沉的摆动周期，θH为升沉的摆动相位，为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标，Δλ和为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，t为当前时间。较佳地，步骤2是按照标准GPFPS导航报文数据格式计算无人艇的仿真导航数据。较佳地，步骤3具体包括；步骤3.1，建立雷达辐条数据生成模型，记雷达扫描半径R，雷达转速w，记雷达扫描一周的辐条数为m，一个扫描周期内的辐条编号为j，指向正北的辐条编号j＝0，辐条编号随辐条顺时针排列逐个增加，t时刻仿真目标的数量为n，第i个目标中心点对应的距离为方位为目标回波半径为Ri；步骤3.2，仿真目标集合为T＝{T1,T2,...,Tn}，计算所有目标的回波的方位角范围，记第i个目标的回波方位角范围为其中，记目标回波范围集合步骤3.3，逐个计算雷达辐条回波与目标相交情况，记雷达辐条距离采样点数量为S，第j个辐条对应的方位角度Azij为遍历目标回波范围集合Trange，若存在则第j个辐条能显示第i个目标的回波；步骤3.4，根据辐条相交情况计算辐条数据，记与辐条j相交的目标的面积的集合为对雷达辐条采样点按照序号遍历，记第j个雷达辐条的第k个采样点的数值为Spoke(j,k)，其中(k＝1,2,...S,，)若则Spoke(j,k)＝1，第k个采样点存在回波，若则Spoke(j,k)＝0，第k个采样点不存在回波。较佳地，步骤4的方法包括：首先将导航数据和雷达辐条数据按照标准导格式和标准雷达辐条格式编码。其次设置网络发送模式以及IP地址和端口号，最后环境数据以UDP数据报文的格式发送至指定地址。本专利技术的有益效果在于：使用计算机仿真的方法，模拟无人艇导航雷达和导航设备的输出信息，为无人艇的雷达多目标跟踪系统、航行控制系统、雷达避障系统等任务系统提供模拟环境下的驱动数据，通过设置无人艇航行状态和各种仿真环境的场景，能测试和验证各任务系统的有效性，提高无人艇作战系统开发效率，降低试验成本。附图说明图1为本专利技术实施例目标距离和方位的示意图，图2为本专利技术实施例仿真目标回波角度范围示意图，图3为本专利技术实施例仿真雷达辐条计算示意图，图4为本专利技术实施例雷达Spoke数据计算示意图，图5为本专利技术实施例仿真系统运行工作流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种适用于海上无人艇环境仿真的方法，包括无人船导航系统仿真模块、海上目标仿真模块、雷达态势显示与数据仿真模块、数据编码通信模块，所述的无人船导航系统仿真模块通过设置船舶位置、速度、摇摆周期等参数，实时生成无人艇导航状态信息，所述的海上目标仿真模块通过输入目标运动参数信息，实时生成仿真海上目标，所述的雷达态势显示与数据仿真模块通过处理无人艇导航状态信息和海上目标信息，计算实时雷达辐条数据，显示雷达态势，所述的数据编码通信模块对雷达辐条数据和导航数据编码，最后将无人艇环境仿真数据发送至网络。该专利技术包括如下步骤：步骤1，建立无人艇姿态和运动模型，建立海上运动目标运动模型。步骤1.1，无人艇位移运动模型的建立方式如下：记t0时刻无人艇的经纬度坐标为航向为C0，航速为V0。则经过Δt后，无人艇在x方向和y方向的位移Δx和Δy分别为：Δx＝V0Δt×sin(C0)Δy＝V0Δt×cos(C0)无人艇在Δt时间内的位移对应的经纬度改变量Δλ，用近似公式可表示为：此时无人艇的经纬度坐标为α为经度相同时纬度改变1度时产生的距离差，α的值优选为111700米。步骤1.2，无人艇姿态运动模型的建立方式如下：记无人艇的横摇角、纵摇角和升沉的摆动周期分别为TR,TP,TH，摆动幅值分别为SR,SP,SH，初始摆动相位分别为θR,θP,θH。则t时刻无人艇的横摇角Rt、纵摇角Pt和Ht为：步骤1.3，目标运动模型的建立方式如下：记仿真的目标数量为n，设第i个目标的速度为航向为在t0时刻相对无人艇的距离和方位分别为第i个目标相对无人艇在X方向和Y方向的航速Vix′、Viy′的表达式分别为当无人艇和目标运动都为线性时，t时刻第i个目标相对无人艇的位置距离方位分别为：步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，以50Hz的频率实时计算无人艇的仿真导航数据。标准GPFPS导航报文数据格式如下：$GPFPS,GPSWeek,G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于：步骤1，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；步骤4，依据标准导航格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。

【技术特征摘要】
1.一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于：步骤1，建立无人艇运动模型和海上目标运动模型；步骤2，根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据；步骤3，根据无人艇的导航状态和当前仿真海上运动目标的位置，实时计算无人艇导航雷达输出的雷达辐条数据；步骤4，依据标准导航格式和雷达辐条数据格式，构建网络通信报文，将无人艇环境仿真数据输出至通信网络。2.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇位移运动模型，获取所述无人艇位移运动模型为无人艇的经纬度坐标其中，Δλ和为无人艇在位移时间Δt内对应的经纬度改变量，为无人艇在启动位移时刻t0的经纬度坐标。3.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立无人艇运动模型包括建立无人艇姿态运动模型，获取所述无人艇姿态运动模型包括无人艇运动到t时刻的横摇角纵摇角升沉其中，TR,TP,TH分别为无人艇的横摇角摆动周期、纵摇角摆动周期和升沉周期，SR,SP,SH分别为无人艇的横摇角摆动幅值、纵摇角摆动幅值和升沉摆动幅值，θR,θP,θH分别为无人艇的横摇角初始摆动相位、纵摇角初始摆动相位和升沉初始摆动相位。4.根据权利要求2所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤1建立海上目标运动模型包括获取在t时刻第i个目标相对无人艇的距离方位其中，为时刻t第i个目标相对无人艇的位置。5.根据权利要求1所述的一种无人艇环境数据仿真方法，其特征在于，所述步骤2根据无人艇当前状态，按照标准导航格式规定的导航参数，实时计算无人艇的仿真导航数据各字段的方法包括：人工设定无人艇当前航向角C0，获取无人艇当前纵摇值Pitch＝SPsin(2πt/TP+θP)，获取无人艇当前横摇值Roll＝SRsin(2πt/TR+θR)，获取无人艇当前升沉值Heave＝SHsin(2πt/TH+θH)，获取无人艇当前的经纬度坐标λ0+Δλ和获取无人艇当前的东向速度Ve＝V0cos(C0)、北向速度Vn＝V0sin(C0)...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏家伟，朱旭芳，罗亚松，陈金鑫，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42