多域协同导航互观测能见性搜索系统及实时建模方法技术方案

本发明专利技术公开了多域协同导航互观测能见性搜索系统及实时建模方法，通过三维地图建立模块读取数据文件中的地形数据建立三维地图；通过观测体位置读取模块读取观测体位置；通过观测者轨迹读取模块获取观测者位置；观测体能见性解算模块基于观测体位置、观测者位置和地形数据计算出观测体、地形相对于观测者的高度角，解算观测者对观测体的能见性数据；用户可视化模块实时显示系统操作界面和解算结果。本发明专利技术方法实现了一种简易但高效的三维地图的建立，三维环境中运动的观测者对观测体能见范围的计算，最后在用户可视化界面实时显示观测者附近位置的三维地图、能见观测体、观测体能见范围等算法处理结果。见范围等算法处理结果。见范围等算法处理结果。

【技术实现步骤摘要】
多域协同导航互观测能见性搜索系统及实时建模方法


[0001]本专利技术涉及多域协同导航互观测能见性搜索系统及实时建模方法，属于定位与导航


技术介绍

[0002]近年来，无人机技术迅猛发展，广泛应用于各领域中。其中，无人机集群的自定位和对目标的定位问题一直以来都是国内外的研究热点，广泛应用于日常生活、航空航天等领域。无人机集群的自定位和对目标的定位对于复杂任务的完成至关重要。
[0003]但是，在复杂地形环境中，定位无人机、卫星等观测体作为无人机定位的主要信息源，它们的定位信号经常会被信号观测者附近的地形遮挡或反射，因此遭受非视距和多路径效应影响，这会严重降低导航系统的定位精度。所以，在被大量非视距和多路径效应影响的复杂地形环境之中，无人机集群对自身和对目标的定位性能会大大下降。
[0004]传统方法常采用“阈值法”和“三维地图能见性分析法”剔除非视距传播的观测信号，从而削弱多路径和非视距效应的影响。其中，“阈值法”因为阈值固定，很多情况下会出现“错删”或者“漏删”的情况。例如，一些高度角很低但是直线传播的观测信号会被删除，一些高度角高但实际被地形遮挡的观测信号却被保留下来，从而影响了定位精度。而传统“三维地图能见性分析法”仅实现了距观测者极远处，定位卫星的非视距信号剔除。没有考虑距信号观测者较近处，定位无人机、定位基站等信号源的非视距信号剔除，无法应用于多域协同导航中信号遮蔽环境十分复杂的情况。
[0005]因此，需要提出一种应用范围广泛的相互观测能见性分析方法，剔除定位无人机、卫星、基站等多种观测体非视距传播的观测信号，从而降低多路径和非视距效应的负面影响，提高复杂地形环境下的定位性能。这对无人机集群对自身和对目标的准确定位具有重要的意义，也对其他导航定位应用在复杂地形环境中稳定运行非常重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供多域协同导航互观测能见性搜索系统及实时建模方法，可以有效判断复杂环境内运动的观测者对定位无人机、定位卫星和基站等观测体的能见性，提高协同导航算法在工程上的应用能力。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008]多域协同导航互观测能见性搜索系统，该系统包括三维地图建立模块、观测者轨迹读取模块、观测体位置读取模块、观测体能见性解算模块以及用户可视化模块；其中，三维地图建立模块包括地图数据读取单元和第一坐标转换单元；观测者轨迹读取模块包括轨迹文件读取单元和第二坐标转换单元；观测体能见性解算模块包括地形对观测者遮挡角计算单元和观测体对观测者高度角计算单元；用户可视化模块包括三维地图选择单元、观测者轨迹选择单元、场景显示单元、能见观测体显示单元以及能见角范围与方位角关系显示单元；
[0009]所述三维地图选择单元用于选择需要读取的三维地图；
[0010]所述观测者轨迹选择单元用于选择需要读取的观测者轨迹文件；
[0011]所述场景显示单元用于结合三维地图和观测者位置显示观测者周围的场景；
[0012]所述地图数据读取单元用于读取三维地图选择单元所选择的三维地图；
[0013]所述第一坐标转换单元用于将三维地图中的地形位置、高度参数转换为三维参数；
[0014]所述轨迹文件读取单元用于读取观测者轨迹选择单元所选择的观测者轨迹文件；
[0015]所述第二坐标转换单元用于将观测者轨迹信息转换为三维参数；
[0016]所述地形对观测者遮挡角计算单元用于根据第一坐标转换单元、第二坐标转换单元和观测体位置读取模块的输出，计算地形对观测者遮挡角；
[0017]所述观测体对观测者高度角计算单元用于根据第一坐标转换单元、第二坐标转换单元和观测体位置读取模块的输出，计算观测体对观测者高度角；
[0018]所述能见观测体显示单元用于根据地形对观测者遮挡角计算单元和观测体对观测者高度角计算单元的输出结果，输出能见观测体的名称或编号；
[0019]所述能见角范围与方位角关系显示单元用于输出观测者处于不同方位角上的能见角范围大小。
[0020]基于如上所述多域协同导航互观测能见性搜索系统的实时建模方法，包括如下步骤：
[0021]步骤1，根据观测者轨迹读取模块读取的观测者位置、观测体位置读取模块读取的观测体位置以及地图数据读取单元读取的三维地图，建立三维数字地图；
[0022]步骤2，在三维数字地图中计算地形对观测者的距离r、方位角α和遮挡角β
地形
；
[0023]步骤3，计算观测体到观测者的方位角A、高度角β
观测体
和距离d；
[0024]步骤4，在观测体方位角A、距离d处，比较观测体高度角β
观测体
和地形遮挡角β
地形
；若观测体高度角β
观测体
大于地形遮挡角β
地形
，则观测体能见，否则观测体不能见。
[0025]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0026]1、本专利技术设计的多域协同导航互观测能见性搜索系统，可以降低复杂地形环境内观测信号的多路径和非视距效应负面影响，提高导航系统在复杂地形环境下的定位性能，这对定位导航应用在复杂地形环境中能正常稳定运行非常重要，也对缓解道路交通压力、提高人们出行安全性具有重要的经济、社会价值。
[0027]2、本专利技术设计了一种简单高效的三维地图，该三维地图可以有效对定位飞行器、定位卫星、基站等多域协同导航条件下观测体的能见性进行判断和分析，有效提高了算法的解算效率，有利于工程上的应用。
[0028]3、本专利技术中所属观测者可以是各类装备协同导航系统的无人或有人载体，应用范围广。
附图说明
[0029]图1是本专利技术系统各模块之间的数据流程图。
[0030]图2是本专利技术方法的原理流程示意图。
[0031]图3以某城楼为例，本专利技术系统用长方体对地形三维特征进行表示的示意图。
[0032]图4是地形长方体遮挡观测者的方位角范围示意图。
[0033]图5是方位角θ上地形长方体对观测者的遮挡角β
地形
示意图。
[0034]图6是本专利技术系统求解地形对观测体信号遮挡范围的原理流程图。
[0035]图7是使用圆形搜索法计算地形对观测者的方位角α和遮挡角β
地形
的示意图。
[0036]图8是观测体对观测者的仰角β
观测体
、方位角A示意图。
[0037]图9是本专利技术系统在城市峡谷环境，观测者对观测体(导航卫星)能见性进行仿真时，用户可视化界面显示观测者附近地形的三维地图，黑点为观测者位置。
[0038]图10是图9环境中的观测者在不同方位角上的观测体(导航卫星)高度角、遮挡角β
地形
和对应能见距离r的关系图，白黑渐变色表示该点能见距离的远近，纯白色能见距离为无穷远，纯黑色表示能见距离为0，六角形表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多域协同导航互观测能见性搜索系统，其特征在于，该系统包括三维地图建立模块、观测者轨迹读取模块、观测体位置读取模块、观测体能见性解算模块以及用户可视化模块；其中，三维地图建立模块包括地图数据读取单元和第一坐标转换单元；观测者轨迹读取模块包括轨迹文件读取单元和第二坐标转换单元；观测体能见性解算模块包括地形对观测者遮挡角计算单元和观测体对观测者高度角计算单元；用户可视化模块包括三维地图选择单元、观测者轨迹选择单元、场景显示单元、能见观测体显示单元以及能见角范围与方位角关系显示单元；所述三维地图选择单元用于选择需要读取的三维地图；所述观测者轨迹选择单元用于选择需要读取的观测者轨迹文件；所述场景显示单元用于结合三维地图和观测者位置显示观测者周围的场景；所述地图数据读取单元用于读取三维地图选择单元所选择的三维地图；所述第一坐标转换单元用于将三维地图中的地形位置、高度参数转换为三维参数；所述轨迹文件读取单元用于读取观测者轨迹选择单元所选择的观测者轨迹文件；所述第二坐标转换单元用于将观测者轨迹信息转换为三维参数；所述地形对观测者遮挡角计算单元用于根据第一坐标转换单元、第二坐标转换单元和观测体位置读取模块的输出，计算地形对观测者遮挡角；所述观测体对观测者高度角计算单元用于根据第一坐标转换单元、第二坐标转换单元和观测体位置读取模块的输出，计算观测体对观测者高度角；所述能见观测体显示单元用于根据地形对观测者遮挡角计算单元和观测体对观测者高度角计算单元的输出结果，输出能见观测体的名称或编号；所述能见角范围与方位角关系显示单元用于输出观测者处于不同方位角上的能见角范围大小。2.基于权利要求1所述多域协同导航互观测能见性搜索系统的实时建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据观测者轨迹读取模块读取的观测者位置、观测体位置读取模块读取的观测体位置以及地图数据读取单元读取的三维地图，建立三维数字地图；步骤2，在三维数字地图中计算地形对观测者的距离r、方位角α和遮挡角β
地形
；步骤3，计算观测体到观测者的方位角A、高度角β
观测体
和距离d；步骤4，在观测体方位角A、距离d处，比较观测体高度角β
观测体
和地形遮挡角β
地形
；若观测体高度角β
观测体
大于地形遮挡角β
地形
，则观测体能见，否则观测体不能见。3.根据权利要求2所述实时建模方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：1.1，根据三维地图信息将每个可能会对观测者产生遮挡的地形视作长方体或长方体组合；1.2，对于每个长方体，选取长方体上任意一点作为长方体的基点，将每个长方体的基点经度、基点纬度、基点高、长方体长度、长方体宽度和长方体高度存储在数据文件中；1.3，读取1.2存储的数据文件并将数据文件中的原始数据转换为三维地图信息，将所有长方体对应的基点经度中最小的基点经度和所有长方体对应的基点纬度中最小的基点纬度作为三维地图的零点，计算每个长方体的基点相对于零点的方位角和距离；1.4，根据1.3计算的各长方体的基点相对于零点的方位角和距离，建立三维数字地图，
在三维数字地图中各长方体底面的4个顶点坐标为(x，y,z)、(x+l,y,z)、(x+l,y+w,z)和(x,y+w,z)，l、w分别为长方体底面的长和宽；1.5，将观测者位置的经度、纬度和高度转换为三维地图信息，计算观测者相对于零点的方位角和距离，得到观测者在三维数字地图中的坐标为(x
p
,y
p
,z
p
)。4.根据权利要求3所述实时建模方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：2.1，以观测者为原点，对周围方位角每隔x进行编号，编号为j，其中2.2，确定地形的搜索范围R；2.3，根据三维数字地图上各长方体底面的4个顶点坐标以及2.2确定的地形搜索范围R，求出搜索范围R内共有n个长方体对观测者有遮挡，且每个长方体对观测者有遮挡的方位角范围为角范围为分别表示第i个长方体对观测者有遮挡的方位角范围的下、上限，将所有长方体对观测者有遮挡的方位角范围取并集，得到{α
min
≤α≤α
max
}，α
min
为所有的最小值，α
max
为所有的最大值；2.4，计算地形对观测者在方位角θ上的遮挡角β
地形
，θ＝x
×
j，若θ∈{α
min
≤α≤α
max
}，说明在方位角θ上有至少一个长方体对观测者产生遮挡，定义一条以观测者在三维数字地图中的坐标位置为端点，与正北方向夹角为θ的射线，将2.3求出的n个长方体底面矩形投影到平面z＝z
p
，求解射线与投影所得矩形的交点{(x，y，z)|(x
w
，y
w
，z
p
)，1≤w≤k}、交点到观测者的距离r
w
以及交点距对应长方体上表面距离h
w
，k为射线与投影所得矩形的交点的个数；θ方向上不同位置r处的遮挡角β
地形
的计算公式如下：其中，其中，2.5，若则说明在方位角θ上无长方体对观测者产生遮挡，此时，θ方向上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王融，赵惟成，熊智，刘建业，陈欣，张慧媛，刘力，何辉，聂庭宇，芮雨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：