CN113324550A - 一种基于改进航迹积分的航迹修正方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进航迹积分的航迹修正方法，包括：将地球椭球面投影到二维平面坐标系，生成基于标准坐标投影的航迹；利用航向角变化率找出航迹中的大幅度变换航向的节点，并依次利用这些节点对当前航迹的每段进行校准；对当前节点前段进行航迹积分运算，计算积分后的该段首端到末端的距离及指向的方向，并与该段积分前的首端到末端的距离及指向的方向合并计算距离比例和角度差，来对该航迹段的积分运算结果进行修正。本发明巧妙地利用拐点节点将整个航迹分段分别进行修正，并采用了每段航迹积分的首末两端的距离和方向来进行等比例放大和方向修正，从而有效地提高了航迹修正结果的准确度。

Description

一种基于改进航迹积分的航迹修正方法及存储介质

技术领域

本发明涉及飞行数据可视化处理技术，具体地讲，是涉及一种基于改进航迹积分的航迹修正方法及存储介质。

背景技术

利用飞行的QAR数据对飞行过程的还原是飞行可视化仿真的重要技术，其中如何准确还原和修正航迹是本领域研究的重点。目前主流的航迹经纬度修正方法为航迹积分后通过滤波减小积分带来的误差。发明人实验研究发现其中仍然存在问题，尽管航迹积分计算出的路径曲线走势比较准确，但全段航行的积分其积累误差极大，仅采用滤波来进行误差修正的效果甚微。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种航迹修正效果好的基于改进航迹积分的航迹修正方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于改进航迹积分的航迹修正方法，包括以下步骤：

S100、将地球椭球面投影到二维平面坐标系，根据飞行QAR数据，生成基于标准坐标投影的航迹；

S200、利用航向角变化率找出航迹中的大幅度变换航向的节点，并依次利用这些节点对节点间的航段进行校准；

S300、从起点开始依次选择一个节点作为当前节点，对当前节点与前一节点之间的航迹段进行航迹积分运算，并计算积分运算后的该航迹段首端和末端之间的距离d1及该航迹段首端至末端指向的方向θ1；

S400、计算该航迹段原数据首端和末端之间的距离d2及该航迹段原数据首端至末端指向的方向θ2，并根据该航迹段的原数据和积分运算后的结果计算距离比例δ＝d2/d1和角度差Δθ＝θ2-θ1，来对该航迹段的积分运算结果进行修正；

S500、利用该航迹段末端进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，判断是否超过设定阈值，若超过，则放弃该航迹段的航迹积分结果，向后搜索下一个节点作为当前节点并重复执行步骤S300-S500进行航迹修正，若未超过，则将当前节点作为起点继续向后进行航迹修正。

具体地，所述步骤S100中飞行QAR数据记录的地速为V，航向角为T，定义计算角α＝π/2-T，构建飞行QAR数据与二维平面坐标系的换算关系：

其中，Δt为飞行QAR数据中的数据记录间隔，地速单位为节，一节按0.5144米每秒计算，ΔX为二维坐标系中一点东西方向的位移分量，ΔY为二维坐标系中一点南北方向的位移分量。

具体地，所述步骤S200中，检测航向角变化率R_i＝T_i-T_i-1，i为当前帧，若航向角变化率连续M帧大于零，则标记该M帧航迹为所述大幅度变换航行的节点。

具体地，所述步骤S300中进行航迹积分运算为对从起点f到当前节点i的每帧数据的东西方向位移分量ΔX和南北方向位移分量ΔY进行航迹积分运算。

具体地，所述步骤S400中，利用距离比例δ和角度差Δθ进行修正采用如下公式：

其中，ΔX′和ΔY′分别为修正后的东西方向位移分量和南北方向位移分量。

具体地，所述步骤S500中，将航迹积分运算最后一帧算得的航向角θ3_i-1和该帧的原航向角H_i-1相减，并将差值与设定阈值d_H比较。

进一步地，该基于改进航迹积分的航迹修正方法，还包括以下步骤：

S600、对当前节点本身的M帧进行航迹积分运算，计算该M帧积分后首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向；

S700、计算该M帧原坐标的首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向，并根据该M帧原坐标和积分运算后的结果计算距离比例和角度差，来对当前节点M帧的积分运算结果进行修正；

S800、利用该M帧末帧进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，判断是否超过设定阈值，若超过，则放弃该节点的航迹积分结果，向后搜索下一个节点作为当前节点并重复执行步骤S600-S800进行节点航迹修正，若未超过，则将当前节点作为起点继续向后进行航迹修正。

更进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于改进航迹积分的航迹修正方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有航迹积分运算的积累误差较大的问题，巧妙地提出了先利用拐点节点将整个航迹分段分别进行修正的技术思路，并采用了每段航迹积分的首末两端的距离和方向来进行等比例放大和方向修正，从而有效地提高了航迹修正结果的准确度。本发明构思巧妙，过程简单，易于实现，适用于基于飞行QAR数据的航迹修正领域。

(2)本发明在获得修正结果后还利用该段航迹末端偏差角度进行验证判断，减小了误差积累程度，进一步提高了航迹修正准确度。

(3)本发明不仅对航迹段进行修正，还对选择的拐点节点部分采用类似的方式修正，从而进一步提高了整段航迹的修正精确度，也有效避免了误差积累。

附图说明

图1为本发明-实施例的流程示意图。

图2为本发明-实施例中的航迹示意图，其中图2a表示原始经纬度航迹，图2b表示投影后的标准坐标航迹。

图3为本发明-实施例中地速和航向角的关系示意图。

图4为本发明-实施例中原始数据航迹和积分航迹的对比示意图。

图5为本发明-实施例中积分航迹的距离-方向计算示意图。

图6为本发明-实施例中原始数据航迹的距离-积分计算示意图。

图7为本发明-实施例中原始数据航迹和积分航迹的角度差示意图。

图8为本发明-实施例中的修正结果示意图。

图9为本发明-实施例中的第一种原始数据航迹处理的对比示意图，其中图9a表示原始数据航迹与常规积分航迹的对比图，图9b表示原始数据航迹与本发明修正航迹的对比图。

图10为本发明-实施例中的第二种原始数据航迹处理的对比示意图，其中图10a表示原始数据航迹与常规积分航迹的对比图，图10b表示原始数据航迹与本发明修正航迹的对比图。

图11为本发明-实施例中的第三种原始数据航迹处理的对比示意图，其中图11a表示原始数据航迹与常规积分航迹的对比图，图11b表示原始数据航迹与本发明修正航迹的对比图。

图12为本发明-实施例中的第四种原始数据航迹处理的对比示意图，其中图12a表示原始数据航迹与常规积分航迹的对比图，图12b表示原始数据航迹与本发明修正航迹的对比图。

图13为本发明-实施例中的第五种原始数据航迹处理的对比示意图，其中图13a表示原始数据航迹与常规积分航迹的对比图，图13b表示原始数据航迹与本发明修正航迹的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本实施例提供的基于改进航迹积分的航迹修正方法，包括以下步骤：

S100、由于地球是一个不规则的椭球体，直接在其表面进行运动参数的数据计算会有很多困难和不便，也无法直观地对比和显示航迹处理的效果，因此本实施例先将地球椭球面投影到二维平面坐标系，根据飞行QAR数据，生成基于标准坐标投影的航迹，其中投影采用兰伯特投影，以保证在中国地图的范围内造成的形变最小。由飞行QAR数据生成的航迹如图2a所示，基于标准坐标投影的航迹如图2b所示。

在飞行QAR数据，记录的地速为V，地速单位为节，一节按0.5144米每秒计算，航向角为T，航向角的定义为飞行轨迹方向顺时针偏离正北的角度，航向角单位为度；对于地速和航向角的记录间隔Δt一般为1秒，可描述为按每秒一帧的频率记录，整段航迹可记为共N帧。在坐标系计算中，采用的计算角定义为α，表示地速方向逆时针偏离正东方向(X正轴)的角度，计算角与航向角的换算关系为式(1)所示：

α＝π/2-T (1)

地速分量和各个角度的关系如图3所示。

因此在二维平面坐标系中，构建飞行QAR数据与二维平面坐标系的换算关系可表示为以下式(2)：

其中，ΔX为二维坐标系中某一点东西方向的位移分量，ΔY为二维坐标系中某一点南北方向的位移分量。若采用该公式(2)对整个航迹进行航迹积分运算，结果会因误积累差过大而产生较为严重的偏移，如图4所示。

S200、利用航向角变化率找出航迹中的大拐点，即大幅度变换航向的节点；通过大拐点可以反映出飞行器在抵达当前航路点并向下一个航路点出发时的状态，可以利用这些节点对当前航迹进行校准。

对于大拐点的确定，本实施例利用航向角变化率的连续检测实现。当航向角变化率连续M帧(M＜＜N)均大于零时，认为该M帧对应的航迹段为真实拐点，将其标记大幅度变换航向的节点，并取其首帧作为计算基础。

定义节点首帧为当前帧i，i∈{0，M}，R_i＝T_i-T_i-1为航向角变化率，则R_i，R_i+1，…，R_i+M-1均大于零。

S300、对大拐点前段进行航迹积分运算，将航迹积分运算的首帧标记为f，本实施例以起点开始为例，此时初始f＝1，而当从非起点开始时，f取值由后续航迹积分的修正结果判断确定。进行航迹积分运算，即是采用前述式(2)对f，f+1，f+2，…，i帧进行航迹积分运算。

计算航迹积分运算后该航迹段首端和末端之间的距离及该航迹段首端至末端指向的方向，即积分运算后第f帧和第i帧的距离d1_f，i，及第f帧至第i帧指向的方向θ1_f，i。如图5所示。

S400、计算该航迹段原数据首端和末端之间的距离及该航迹段原数据首端至末端指向的方向，即第f帧和第i帧在航迹积分运算前的原坐标之间的距离d2_f，i，及指向的方向θ2_f，i；如图6所示。

并根据该航迹段的原数据和积分运算后的结果计算距离比例δ＝d2_f，i/d1_f，i和角度差Δθ＝θ2_f，i-θ1_f，i，对上述步骤中航迹积分运算结果进行等比例放大和方向角修正，如图7所示，采用以下公式(3)得到新的航迹积分结果：

其中，ΔX′和ΔY′分别为修正后的东西方向位移分量和南北方向位移分量。

S500、利用该航迹段末端进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，即是将航迹积分运算最后一帧算得的航向角θ3_i-1，f和该帧的原航向角H_i-1相减，并将差值与设定阈值d_H比较；

若差值超过设定阈值，则认为此次修正不够准确，放弃该航迹段的航迹积分结果，保留首帧标记f＝1，向后搜索下一次大拐点，不在执行后续步骤S600-800，直接跳转至步骤S900；若差值未超过设定阈值，则认可该段航迹积分结果，标记f＝i，即将当前帧作为后续航迹修正的起点，继续向后进行大拐点段(大幅度变换航向的节点)的航迹修正。

S600、对大拐点本身的M帧进行航迹积分运算，即是采用前述式(2)对i，i+1，i+2，…，i+M-1帧进行航迹积分运算。

并计算该大拐点M帧积分后首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向，即计算航迹积分运算后的第i帧和第i+M-1帧的距离d1_i，i+M-1，及第i帧至第i+M-1帧指向的方向θ1_i，i+M-1。

S700、计算该大拐点M帧原坐标的首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向，即计算第i帧和第i+M-1帧在航迹积分运算前的原坐标之间的距离d2_i，i+M-1，及指向的方向θ2_i，i+M-1；

并根据该大拐点M帧原坐标和积分运算后的结果计算距离比例δ＝d2_i，i+M-1/d1_i，i+M-1和角度差Δθ＝θ2_i，i+M-1-θ1_i，i+M-1，来对上述步骤中大拐点本身M帧的航迹积分运算结果进行等比例放大和方向角修正，同样采用前述公式(3)得到新的航迹积分结果。

S800、利用该大拐点M帧末帧进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，即是将大拐点新航迹积分运算最后一帧算得的航向角θ3_{i+M-2，i+M-1}和飞参数据中记录的原磁航向H_i+M-2相减，并将差值与设定阈值d_H比较；

若该差值超过该设定阈值，则为此次修正不够准确，放弃该大拐点的航迹积分结果，保留首帧标记f＝i，向后搜索下一次大拐点；若该差值未超过该设定阈值，则认可该段航迹积分结果，标记f＝i+M-1，即将当前节点的末端作为后续航迹修正的起点，继续向后进行航迹段和大拐点段的航迹修正。

S900、在向后搜索到新的大拐点时，此时f取值根据步骤S500中判断结果取为1或步骤S800中的判断结果取为i或i+M-1的具体数值，新大拐点的首帧则定义为新的i，重复步骤S300-S800进行航迹段的航迹修正和大拐点的航迹修正。

本实施例中设定大拐点的判定阈值M＝8，航向角偏差的设定阈值d_H＝4°，对原始数据航迹修正处理后的结果如图8所示。

另外，本发明还提供了对另外五种原始数据航迹进行普通航迹积分处理和本发明航迹修正处理后的结果对比，如图9至图13所示。可见本发明的航迹修正方法效果良好。

在另一实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于改进航迹积分的航迹修正方法的步骤。

本实施例所提供的一种计算机可读存储介质，其上存储的计算机程序不限于如上的方法步骤，还可以执行本申请任意实施例所提供的基于改进航迹积分的航迹修正方法的相关操作。

本申请实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存FLASH)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、将地球椭球面投影到二维平面坐标系，根据飞行QAR数据，生成基于标准坐标投影的航迹；

S200、利用航向角变化率找出航迹中的大幅度变换航向的节点，并依次利用这些节点对节点间的航段进行校准；

S300、从起点开始依次选择一个节点作为当前节点，对当前节点与前一节点之间的航迹段进行航迹积分运算，并计算积分运算后的该航迹段首端和末端之间的距离d1及该航迹段首端至末端指向的方向θ1；

S400、计算该航迹段原数据首端和末端之间的距离d2及该航迹段原数据首端至末端指向的方向θ2，并根据该航迹段的原数据和积分运算后的结果计算距离比例δ＝d2/d1和角度差Δθ＝θ2-θ1，来对该航迹段的积分运算结果进行修正；

S500、利用该航迹段末端进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，判断是否超过设定阈值，若超过，则放弃该航迹段的航迹积分结果，向后搜索下一个节点作为当前节点并重复执行步骤S300-S500进行航迹修正，若未超过，则将当前节点作为起点继续向后进行航迹修正。

2.根据权利要求1所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，所述步骤S100中飞行QAR数据记录的地速为V，航向角为T，定义计算角α＝π/2-T，构建飞行QAR数据与二维平面坐标系的换算关系：

其中，Δt为飞行QAR数据中的数据记录间隔，地速单位为节，一节按0.5144米每秒计算，ΔX为二维坐标系中一点东西方向的位移分量，ΔY为二维坐标系中一点南北方向的位移分量。

3.根据权利要求2所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，所述步骤S200中，检测航向角变化率R_i＝T_i-T_i-1，i为当前帧，若航向角变化率连续M帧大于零，则标记该M帧航迹为所述大幅度变换航行的节点。

4.根据权利要求3所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，所述步骤S300中进行航迹积分运算为对从起点f到当前节点i的每帧数据的东西方向位移分量ΔX和南北方向位移分量ΔY进行航迹积分运算。

5.根据权利要求4所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，所述步骤S400中，利用距离比例δ和角度差Δθ进行修正采用如下公式：

其中，ΔX′和ΔY′分别为修正后的东西方向位移分量和南北方向位移分量。

6.根据权利要求5所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，所述步骤S500中，将航迹积分运算最后一帧算得的航向角θ3_i-1和该帧的原航向角H_i-1相减，并将差值与设定阈值d_H比较。

7.根据权利要求3～6任一项所述的基于改进航迹积分的航迹修正方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S600、对当前节点本身的M帧进行航迹积分运算，计算该M帧积分后首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向；

S700、计算该M帧原坐标的首帧和末帧的距离及首帧至末帧指向的方向，并根据该M帧原坐标和积分运算后的结果计算距离比例和角度差，来对当前节点M帧的积分运算结果进行修正；

S800、利用该M帧末帧进行航迹积分运算前后的航向角差值进行比较，判断是否超过设定阈值，若超过，则放弃该节点的航迹积分结果，向后搜索下一个节点作为当前节点并重复执行步骤S600-S800进行节点航迹修正，若未超过，则将当前节点作为起点继续向后进行航迹修正。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现所述权利要求1～7任一项的步骤。

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