CN113932816A - 基于水声数据综合态势下的航迹优化方法 - Google Patents

Abstract

提供了基于水声数据综合态势下的航迹优化方法。所提供的可视化方法，包括：获取多个海上平台各自采集的位置信息，其中海上平台每秒采集一次位置信息，位置信息包括经度与纬度；响应于收到代表点C的位置信息，计算tan；算出的所述tan大于指定阈值，则将C点的位置信息添加到所述轨迹队列；若计算出的所述tan小于指定阈值，则从所述队列中丢弃B点的位置信息，以及将所述C点的位置信息添加到所述轨迹队列以替代所述B点的位置信息；按被添加到所述轨迹队列的先后顺序，从所述轨迹队列获取位置信息并根据获取的位置信息在显示设备上绘制代表海上平台的轨迹点。

Description

基于水声数据综合态势下的航迹优化方法

技术领域

本申请涉及海洋水声技术领域中基于水声数据综合态势下的航迹优化方法与信息处理设备，特别是对在船只出海中采集的位置信息在信息处理设备的海图上动态、高效展示的方法及信息处理系统。

背景技术

在现有技术对目标噪声的处理中，并没有形成一套完整的水声数据的综合态势展示系统。传统的操作方式是由操作员通过录音设备将目标噪声记录下来，并通过文字记录将目标噪声与当前实际情况关联，所采用的方式是笔纸记录的方式，这种方式既低效，又增加操作员的工作量，同时由于人为难免出现的疏漏会导致所记录的数据与实际情况有所偏差。在高负荷情况下，更是容易出现记录不全的情况。另外，这种人工记录的方式会导致后续对于大数据量的统计极其困难。在识别判型方面，更是仅仅凭借操作员的经验来判断，这对人员要求极高，同时也存在一定的误判性。

发明内容

出海船只的航迹信息是水声数据的综合态势的重要组成部分。船只出海期间，实时记录船只的位置信息。一次出海时间可能长达数月或整年，所记录的位置信息也是海量的。在根据海量的位置信息展示为航迹图时，海量的位置信息对应海量的数据点，将严重劣化显示系统的性能。

根据本申请的实施例，提供了将由经纬度信息所表达的船只位置信息绘制在信息处理设备的屏幕上的方法，并在不影响或尽量小影响所展示的航迹效果同真实航迹的差异的情况下，减小展示航迹信息所用的数据量，以避免显示系统的性能劣化。

根据本申请的第一方面，提供了第一基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，包括：获取多个海上平台各自采集的位置信息，其中海上平台每秒采集一次位置信息，位置信息包括经度与纬度；响应于收到代表点C的位置信息，计算

其中W_C表示C点的纬度，J_C表示C点的经度；以及其中在轨迹队列中最近被添加到所述轨迹队列的2个位置信息记为点A与点B的位置信息，W_A表示A点的纬度，J_A表示A点的经度，W_B表示B点的纬度，J_B表示B点的经度；若计算出的所述tan大于指定阈值，则将C点的位置信息添加到所述轨迹队列；若计算出的所述tan小于指定阈值，则从所述队列中丢弃B点的位置信息，以及将所述C点的位置信息添加到所述轨迹队列以替代所述B点的位置信息；按被添加到所述轨迹队列的先后顺序，从所述轨迹队列获取位置信息并根据获取的位置信息在显示设备上绘制代表海上平台的轨迹点。

根据本申请的第一基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，提供了第二基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，还包括：存储所述轨迹队列中记录的所有位置信息；以及存储所述多个海上平台各自采集的位置信息。

根据本申请的第二基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，提供了第三基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，其中，所述根据获取的位置信息在显示设备上绘制代表海上平台的轨迹点包括：根据所获取的位置信息的经度与纬度转换为显示设备的屏幕的横坐标与纵坐标，根据显示设备的屏幕的横坐标与纵坐标所指示的位置在屏幕上绘制代表海上平台的轨迹点；其中获取所述轨迹队列中的位置信息的经度最小值与纬度最大值，将具有所述经度最小值与纬度最大值的点记为O点；获取所述轨迹队列中的位置信息中同所述O点具有最大地球表面距离的点M，计算地球表面从所述O点到所述M的距离

其中

其中，R为地球的半径，W_O为O点的纬度，W_M为M点的纬度，J_M为M点的经度，J_O为O点的经度；计算缩放比例ratio，

其中D是所述显示设备的屏幕的对角线长度；对于从所述轨迹队列中获取的每个位置信息，其对应的点记为P点，W_P表示P点的纬度，J_P表示P点的经度，计算

作为点P在屏幕上的纵坐标，计算

作为点P在屏幕上的横坐标。

根据本申请的第三基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，提供了第四基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，还包括：获取所述轨迹队列中记录的所有位置信息；将所述轨迹队列中记录的所有位置信息分为M组，每组位置信息包括多个在所述轨迹队列中位置连续的位置信息；对于M组位置信息的一组或多组的每组位置信息，获取当前组位置信息作为参数提供给步骤S进行处理；在所述步骤S中，获取被提供的第一组位置信息；获取第一组位置信息中排序在最前的对应第一点的第一位置信息与排序在最尾的对应第二点的第二位置信息；以及从第一组位置信息中计算其中N个位置信息对应的点，各自相对于所述第一点与所述第二点构成的第一线段的距离，其中N为小于或等于第一组位置信息中的位置信息的数量的整数；若所述N个位置信息对应的点中相对于所述第一线段的距离最大值的点到所述第一线段的距离不超过第二指定阈值，则从所述轨迹队列中删去所述第一组位置信息中除第一位置信息与第二位置信息之外的其他位置信息；若所述N个位置信息对应的点中相对于所述第一线段的距离最大值的第三点到所述第一线段的距离超过第二指定阈值，则将所述第一组位置信息分为第二组位置信息与第三组位置信息，其中第二组位置信息包括所述第一组位置信息中从所述第一位置信息到所述第三点对应的位置信息的所有位置信息，第二组位置信息包括所述第一组位置信息中从所述第三点对应的位置信息到所述第二点对应的位置信息的所有位置信息；以及将所述第二组位置信息与所述第三组位置信息提供给所述步骤S处理；以及其中，在所述步骤S中，若被提供的第一组位置信息中位置信息的数量少于三个，则不再对所述第一组位置信息进行处理。

根据本申请的第四基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，提供了第五海图数据采集和分析处理可视化方法，还包括：存储所述轨迹队列中记录的所有位置信息。

根据本申请的第二方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现根据本申请第一方面的第一到第五之一所述的方法。

附图说明

图1是根据本申请实施例的数据采集与海图绘制系统的设备框图。

图2展示了显示设备的屏幕上的海图显示区域的示意图。

图3展示了地球表面实际地理空间距离计算模型。

图4展示了实时稀释算法处理过程的框图。

图5展示了实时稀释算法的基本思想。

图6展示了整体稀释算法的基本思想。

具体实施方式

图1是根据本申请实施例的数据采集与海图绘制系统的设备框图。

在一艘或多艘船只上部署数据采集设备、计算设备和/或显示设备。船只的数据采集设备例如每隔1秒获取一次船只的当前位置信息，并提供给计算设备或存储在存储设备(设备)中。船只的计算设备，根据数据采集设备提供的位置信息，在显示设备上绘制船只的航行轨迹(也简称航迹)。船只的位置信息由例如设置在数据采集设备上的卫星定位系统获取，以及也通过诸如声呐的水声设备获取船只之间的相对位置，船只与其他目标之间的相对位置等。数据采集设备也采集其他多种水声或非水声数据。例如根据所采集的多种数据获取综合态势。

可选地，在船队的多艘船只中，部分船只包括数据采集设备、设备，而其他船只仅携带数据采集设备。数据采集设备采集的位置信息被提供给计算设备并进而绘制航迹。

依然可选地，船只可以都不携带计算设备与显示设备。而在船只靠岸后，通过陆上的计算设备与显示设备获取船只上存储的位置信息，并绘制航迹。

一些情况下，数据采集设备除了采集自身船只所在的位置，还采集其他目标船只的为hi

计算设备运行海图综合显控子系统来在显示设备上绘制航迹。海图综合显控子系统使用Qt框架(C++)编写，使用TCP协议与前端通信，进行数据报文的收发，以获取采集的位置信息。

1)海图经纬度转换

数据采集模块提供的位置信息记录的是经度与纬度信息。为在显示设备的屏幕上绘制航迹，需要将经度与纬度信息转换为屏幕坐标，以确保显示的船只位置与位置信息记录的船只位置准确对应。

海图上根据参考系不同分为屏幕坐标系和经纬度坐标系。屏幕坐标系以屏幕左上方为坐标原点。将经过原点的水平坐标轴称为X轴，面向屏幕向右的方向为X轴增大方向(正方向)，将经过原点的竖直坐标轴称为Y轴，面向屏幕向下的方向为Y轴的增大方向(正方向)。由于我国的地理位置主要位于地球的东半球，赤道以北，因此经纬度坐标系的经度数值按照屏幕坐标系X增大的方向变大，纬度数值按照屏幕坐标系Y增大的方向变小。示意图2所示。

图2展示了显示设备的屏幕上的海图显示区域的示意图。

收到的报文中，位置信息用(Longitude(经度)，Latitude(纬度))表示。如果将该位置标绘到海图上，则要进行(Longitude，Latitude)到屏幕坐标(X，Y)的一一转换。如果对海图进行拖动、定位等操作，显示区域的经纬度不断变化，屏幕坐标也随时变化，也需要进行(Longitude，Latitude)到屏幕坐标(X，Y)的转换；如果鼠标滚轮变化导致海图的显示比例发生改变，对应的显示区域内容也发生变化，也需要进行(Longitude，Latitude)到屏幕坐标(X，Y)的转换。海图经纬度点到屏幕坐标的转换功能保证了这些操作的实时性和精准性。具体的转换步骤如下。

以诸如图2的屏幕中展示的海图区域的经度最小值和纬度最大值的点作为坐标原点，即屏幕像素的(0,0)原点。原点位于海图的左上角。x轴向海图右方向(面向海图时)为正方向，y轴向海图下方向(面向海图时)为正方向。

计算要在海图上展示的所有位置信息对应的点(比如船所在位置、已知共同作业的船的位置、数据采集到的其他不明船的位置)到坐标原点的距离(该距离是实际的地理空间距离)，找出最大距离Max。

求两个点之间的实际地理空间的距离，需要将地球模拟成一个球面模型，如附图3所示。

图3展示了地球表面实际地理空间距离计算模型。

如图3所示，有A(Ja,Wa)、B(Jb,Wb)两个点，那么AB两点之间的实际地理位置距离就是AB的弧长，计算公式为

其中，R为地球的半径。

获取屏幕宽度和高度，利用勾股定理求出斜对角线的长度D。

算出最大距离Max与屏幕斜对角线长度D的比值，换算比率ratio计算公式为

对于每个要在屏幕的海图上绘制的点，根据点的位置信息的经度J与纬度W，根据J/ratio得到该点在屏幕上的X轴坐标，根据W/D得到该点屏幕上的Y轴坐标。

通过坐标转换，解决了单条位置信息在屏幕上绘制的问题。而船只采集的位置信息包含大量的数据，还需要进一步解决大量位置点在屏幕上绘制时引起的卡顿问题。

以历史轨迹为例。假设本次出海航行30天，出海期间有十个船只作业。数据采集模块每秒存储一条位置信息。在这种情况下，本次出海的历史轨迹的位置信息的条数约为

10(艘船)×30(天)×24(小时)×60(分钟)×

60(秒)＝25920000≈26000000条报文

显然，如果这2600万条位置信息代表的点都标绘在海图上，形成轨迹，必然会导致海图进行拖动或者缩放时，实时响应得不到满足。实际出海时，直线前进、抛锚等重大事件产生的轨迹点，即使去掉，也不影响轨迹的大致骨架。因此这种轨迹点都是没有必要存储的，因此，根据本申请的实施例，提出了轨迹稀释算法来从接收的位置信息中去除对航迹绘制效果影响较小的部分位置信息。

2)海图绘制

为实现海图可视化数据绘制功能，计算设备调用C++画图设备类CDC和Qt绘图类QPainter进行数据绘制。针对每艘船只的当前位置信息，将位置信息的经纬度位置转换为显示设备屏幕上的坐标点，使用QPainter在该点绘制船只图标(代表本船或者采集到的别的船只，不同类型船只用不同类型图标表示)，按照各个船只的航向将船只图标进行旋转，按照各个船只的航速计算下一个周期船只的坐标位置，当周期到时，进行重绘。CDC类和QPainter类绘制效率高，在查看和进行操作控制时能够保证数据高效绘制，界面不卡顿。

3)数据稀释算法

在海图绘制的过程中，位置信息数据的冗余与异构特点成为影响海图显示性能的瓶颈。海图绘制运行时间过长，或者海图需要显示历史数据时，往往位置信息的数量能达到千万量级。这对于海图的拖拽反馈、滚轮反馈等交互操作，会带来等待时间过长等问题，造成海图假死的现象。为此，需要设计关键点抽取功能，抽取能代表船只航行轨迹(航迹)的关键点，稀释掉轨迹上不需要的点。这些被稀释的点从航迹中去掉后，不管海图如何操作，几乎不会影响轨迹的大致形状。从而减少数据量，用万量级甚至更少量级的数据，模拟出百万量级，甚至千万量级的航迹的细腻逼真效果。

根据本申请的实施例，针对实时航路轨迹和历史航路轨迹，设计两种不同的稀释算法：实时稀释算法和整体稀释算法。

实时稀释算法：针对本次出海的实时航路轨迹进行实时稀释。例如，在船只承载的计算设备中运行实时稀释算法，以对现场采集的位置信息实时展示到显示设备的屏幕同时完成对航迹上的点的稀释。

在实时绘制海图的场景中，船只的位置每秒实时更新。将相邻两个位置信息对代表的点之间的船只行驶方式认为是直线行驶(因为船只的速度不可能突变)。从而位置信息的每两个点之间具有一条直线轨迹。如果连续几条直线轨迹重合或近似重合于同一直线轨迹，则稀释算法将这几条直线画成一条直线，以及可删除形成这几条直线轨迹的端点(而仅保留一条直线的两个端点)。

图4展示了实时稀释算法处理过程的框图。

在计算设备中运行实时稀释算法。轨迹队列是实时稀释算法的关键数据结构。

航迹获取单元从数据采集模块获取实时采集的位置信息。通过执行稀释算法确定是否将实时采集的位置信息添加到轨迹队列中。被添加到轨迹队列的位置信息将作为航迹的部分由屏幕绘制单元绘制在显示设备的屏幕上。计算设备是诸如计算机或服务器。

图5展示了实时稀释算法的基本思想。

图5中A、B点表示已经添加到轨迹队列的位置信息所代表的航迹点；C点表示实时采集的待添加到轨迹队列的航迹点。对C点是否添加到轨迹队列，由实时稀释算法进行裁决。

具体的裁决步骤如下：

设置一个经验阈值Max，该阈值的大小取决于海图轨迹的细腻程度，经多次实验获得。

当收到一个新的航迹点C时，带入下列(1)式进行计算，其中W_C表示C点的纬度值，J_C表示C点的经度值，以此类推。

计算出的tan值表示新插入轨迹点后，新的轨迹较上一秒轨迹的斜率偏移程度。该值越大，说明轨迹越弯曲，即转弯的可能性越大；该值越小，说明轨迹越笔直，即直线行驶的可能性越大。

计算完成后，对tan值和Max值进行比较。若

tan≥Max

将C点添加到轨迹队列。添加前和添加后，海图轨迹分别如图5种的框(1)和框(2)所示。

若tan＜Max，则将B点从轨迹队列移除，然后将C点添加到轨迹队列。添加前和添加后，海图轨迹如图5的框(a)和框(b)所示。

上述步骤就是实时稀释算法的具体过程。对所有的实时轨迹报文提取出来的实时轨迹点经纬度进行上述计算，可大幅度降低轨迹数据的冗余，提高海图操作的灵活性。

整体稀释算法：针对历史出海任务的批量航迹数据进行稀释。作为举例，由陆地上的计算设备获取各船只采集的位置信息后，执行整理稀释算法，对船只的历史航迹信息在显示设备上绘制。

图6展示了整体稀释算法的基本思想。

图6中A、B、C、D、E点表示待添加到轨迹队列的历史航迹点。其中D_B-line表示B点到线段AE的距离，D_C-line表示C点到线段AE的距离，D_D-line表示B点到线段AE的距离。

以上述五个历史轨迹点为例，由整体稀释算法进行裁决。具体裁决步骤如下：

设置一个经验阈值Max，该阈值的大小取决于海图轨迹的细腻程度，经多次实验获得。在整体稀释算法中使用的经验阈值Max同实时稀释算法中使用的经验阈值可以相同或不同。

取待裁决的全部轨迹第一个点(此处为A点)和最后一个点(此处为E点)连接为线段。对A点和E点之间的点(例如，C点)计算点C到线段AE之间的距离d，公式为：

其中，JE、WE分别表示E点经度和维度，JA、WA分别表示A点经度和维度，JC、WC分别表示C点经度和维度。

以同样的方式，计算出B、C、D点到线段AE的距离D_B-line、D_C-line、D_D-line。

找到三者距离中的最大值，例如DC-line，比较该最大值与设置的阈值Max的大小。若

D_C-line≥Max

说明C点距离线段AE较远，必须保留以保证轨迹细腻程度；若

D_C-line<Max

说明C点距离线段AE较近，删去不会影响轨迹的细腻程度。相应地，将C点从历史轨迹点中删除。

对于D_C-line≥Max的情况，根据C点将线段AE分为AC和CE。分别对AC和CE线段(对应的位置信息组)重复上述裁决步骤(递归)，直到线段端点之间再无其它点，或者线段之间点到线段的距离都小于所设置的阈值Max，递归结束。

如图6所示，提供给整体稀释算法的位置信息组包括5个点(图6的框(1))。

经过整体稀释算法裁决之后，识别出C点到线段AE的距离D_C-line超过阈值Max，因而将线段AE分为线段AC与线段EC，对线段AC与线段CE再分别应用整体稀释算法(递归)，并且识别出点B到线段AC的距离超过阈值，点D到线段CE的距离不超过阈值，因而点D符合裁决条件，需要删除，而点B需要保留(图6的框(2))。以及再对线段AB与线段BC分别应用整体稀释算法。

由于线段AB、线段BC与线段CE之间再无其他点，因此算法结束。得到的结果是，A、E点是轨迹点的起始点和终止点，保留；B、C点不满足裁决条件，保留；D点符合裁决条件，因此将该点从历史轨迹队列中移除。以及根据点A、B、C、E绘制历史航迹(图6的框(3))。

整体稀释算法是递归算法，其输入是代表历史轨迹的位置信息组，其输出是删除了若干点的位置信息后的位置信息组。

在一个例子中，将待处理的历史轨迹分为多段，以降低历史航迹的不规则性、回环或其他因素对整体稀释算法的影响。例如，每段历史轨迹对应一位置信息组。将各段历史轨迹所对应的位置信息组提供给整体稀释算法处理，得到稀释后的位置信息组。再根据各段位置信息组绘制航迹。在处理各位置信息组时，整体稀释算法以递归方式对每组位置信息进行处理。

在又一个例子中，将所有待处理的历史轨迹对应的位置信息组都提供给整体稀释算法。整体稀释算法递归地处理对应完整待处理的历史轨迹对应的位置信息组。

从该过程可以看出，整体稀释算法能够很好地保留轨迹骨架，并移除轨迹中的冗余点和近似冗余点，大幅度降低轨迹点的数量级，从而使海图的绘制响应的实时性大大增加。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于水声数据综合态势下的航迹优化方法，包括：

获取多个海上平台各自采集的位置信息，其中海上平台每秒采集一次位置信息，位置信息包括经度与纬度；

响应于收到代表点C的位置信息，计算

其中W_C表示C点的纬度，J_C表示C点的经度；以及其中在轨迹队列中最近被添加到所述轨迹队列的2个位置信息记为点A与点B的位置信息，W_A表示A点的纬度，J_A表示A点的经度，W_B表示B点的纬度，J_B表示B点的经度；

若计算出的所述tan大于指定阈值，则将C点的位置信息添加到所述轨迹队列；若计算出的所述tan小于指定阈值，则从所述队列中丢弃B点的位置信息，以及将所述C点的位置信息添加到所述轨迹队列以替代所述B点的位置信息；

按被添加到所述轨迹队列的先后顺序，从所述轨迹队列获取位置信息并根据获取的位置信息在显示设备上绘制代表海上平台的轨迹点。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

存储所述轨迹队列中记录的所有位置信息；以及

存储所述多个海上平台各自采集的位置信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述根据获取的位置信息在显示设备上绘制代表海上平台的轨迹点包括：

根据所获取的位置信息的经度与纬度转换为显示设备的屏幕的横坐标与纵坐标，根据显示设备的屏幕的横坐标与纵坐标所指示的位置在屏幕上绘制代表海上平台的轨迹点；其中

获取所述轨迹队列中的位置信息的经度最小值与纬度最大值，将具有所述经度最小值与纬度最大值的点记为O点；

获取所述轨迹队列中的位置信息中同所述O点具有最大地球表面距离的点M，计算地球表面从所述O点到所述M的距离

其中

其中，R为地球的半径，W_O为O点的纬度，W_M为M点的纬度，J_M为M点的经度，J_O为O点的经度；

计算缩放比例ratio，

其中D是所述显示设备的屏幕的对角线长度；

对于从所述轨迹队列中获取的每个位置信息，其对应的点记为P点，W_P表示P点的纬度，J_P表示P点的经度，计算

作为点P在屏幕上的纵坐标，计算

作为点P在屏幕上的横坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

获取所述轨迹队列中记录的所有位置信息；

将所述轨迹队列中记录的所有位置信息分为M组，每组位置信息包括多个在所述轨迹队列中位置连续的位置信息；

对于M组位置信息的一组或多组的每组位置信息，获取当前组位置信息作为参数提供给步骤S进行处理；

在所述步骤S中，获取被提供的第一组位置信息；获取第一组位置信息中排序在最前的对应第一点的第一位置信息与排序在最尾的对应第二点的第二位置信息；以及从第一组位置信息中计算其中N个位置信息对应的点，各自相对于所述第一点与所述第二点构成的第一线段的距离，其中N为小于或等于第一组位置信息中的位置信息的数量的整数；若所述N个位置信息对应的点中相对于所述第一线段的距离最大值的点到所述第一线段的距离不超过第二指定阈值，则从所述轨迹队列中删去所述第一组位置信息中除第一位置信息与第二位置信息之外的其他位置信息；若所述N个位置信息对应的点中相对于所述第一线段的距离最大值的第三点到所述第一线段的距离超过第二指定阈值，则将所述第一组位置信息分为第二组位置信息与第三组位置信息，其中第二组位置信息包括所述第一组位置信息中从所述第一位置信息到所述第三点对应的位置信息的所有位置信息，第二组位置信息包括所述第一组位置信息中从所述第三点对应的位置信息到所述第二点对应的位置信息的所有位置信息；以及将所述第二组位置信息与所述第三组位置信息提供给所述步骤S处理；

以及其中，在所述步骤S中，若被提供的第一组位置信息中位置信息的数量少于三个，则不再对所述第一组位置信息进行处理。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

存储所述轨迹队列中记录的所有位置信息。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1-5之一所述的方法。

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