一种飞行器计划航线的时空冲突检测方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器计划航线的时空冲突检测方法，属于飞行安全评估技术领域。

背景技术

为完成作业任务，直升机、无人机等飞行器通常需要低空飞行，但低空飞行环境极其复杂，地面山体起伏、高大建筑物、通信铁塔、跨江大桥、高大植被等要素以及雨雪、大雾、雷暴、低空飞行器等环境要素对飞行器低空飞行构成重大的安全威胁。基于计划航线的安全评估是以作业环境时空数据为基础，在执行任务前对预先规划的飞行航线进行推理分析，查找潜在的安全隐患以便修改航线或提醒飞行员注意计划航线的危险航段，提高低空飞行的安全性。传统的空间推理与分析是基于空间坐标实现的，随着几何体结构的复杂化，空间运算的算法越来越复杂，运算量也不断增加，给计划航线安全度评估系统造成了巨大的计算压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞行器计划航线的时空冲突检测方法，以解决目前航行器计划航线安全评估存在的运算量大导致冲突检测效率低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种飞行器计划航线的时空冲突检测方法，该检测方法包括以下步骤：

1)对飞行区域进行网格化处理，获取飞行器计划航线数据，从中提取空间区域范围和时间区间范围，并分别进行编码；

2)获取飞行区域内的场环境要素和对象环境要素，对场环境要素进行量化表达，对对象环境要素进行时空编码；

3)确定计划航线的安全飞行缓冲区，将缓冲区范围内的网格单元编码加入飞行航线编码集合；

4)根据飞行区域内的场环境要素的量化表达确定飞行航线编码集合中是否有静态障碍物；

5)根据飞行区域内对象环境要素的时空编码判断飞行航线编码集合是否与动态环境对象要素时空相交；

6)根据步骤4)和步骤5)的判断结果确定计划航线的安全度，以此实现计划航线的时空冲突检测。

本发明采用空间网格剖分方法将飞行区域剖分为一系列离散的网格单元，并同时进行时间的离散剖分，形成时空一体的时空编码体系；将计划航线表示为网格单元集合，并根据预警距离计算缓冲区的网格编码集合，根据对场环境要素量化表达以及对对象环境要素时空编码，判断缓冲区内是否存在不可通行的网格，并判断安全飞行缓冲区时空网格编码与对象环境要素网格编码是否时空相交，以此实现飞行器计划航线的安全度评估。该方法不需要复杂的空间运算，只需简单的网格编码运算就可实现，大大减少了计算量，提高了计划航线时空冲突的检测效率。

进一步地，所述步骤2)中场环境要素进行量化表达是根据网格单元内的环境属性计算出防撞属性，防撞属性的计算方式为：

A

本发明通过确定飞行区域中的场环境要素的防撞属性，利用防撞属性对场环境要素进行量化表达，能够准确表达出场环境要素对飞行安全的影响情况，方便后续的静态障碍物判断。

进一步地，所述步骤2)对象环境要素的时空编码表示：

obj＝{ObjID,BondCode,lnnerCodeSet}

其中，ObjID表示对象要素的ID，BondCode表示对象要素整体包围盒所在的时空网格编码，InnerCodeSet表示对象要素内部时空特征的时空网格编码集合。

本发明采用双层的编码机制对对象环境要素进行编码，能够方便、快捷的判断出的飞行航线编码集合是否与动态环境对象要素时空相交，提高判断效率。

进一步地，所述步骤5)中的判断过程如下：

判断对象要素整体时空编码和飞行航线编码集合是否相交，如果不相交则继续检测其它对象，如果相交，则判断飞行航线编码集合与对象要素内部时空编码集合是否有相交关系，如果不相交，则跳出继续检测其它对象，如果相交则再进一步判断时间是否重叠，如果时间不重叠则跳出继续检测其它对象，如果重叠则判断与动态环境对象要素时空相交。

本发明先判断对象要素整体时空编码和飞行航线编码集合是否相交，若相交，再判断飞行航线编码集合与对象要素内部时空编码集合是否有相交关系，最后再判断时间上是否重叠。通过这种分级的判断的方式，能够避免一些不必要的判断过程，进一步提高了判断效率。

进一步地，所述步骤3)中计划航线的安全飞行缓冲区的范围由缓冲区距离确定，缓冲区距离等于飞行器的飞行速度和预警时间的乘积。

将缓冲区范围内的网格单元编码加入飞行航线编码集合的过程如下：

将飞行器计划航线表示为一组时空网格编码集合；对计划航线的时空编码集合中的空间编码部分按照设定层次进行邻域查找，当邻域网格单元距离航线网格的距离小于缓冲区距离时，将该邻域网格编码加入飞行航线编码集合中。

本发明利用飞行器的飞行速度和预警时间确定缓冲区距离，能够准确确定影响飞机飞行安全的缓冲区范围，为后续准确确定计划航线的安全度提供了可靠地数据支撑。

进一步地，所述步骤4)的判断过程如下：

遍历飞行航线编码集合中的所有网格，提取所遍历的各网格的防撞属性，将防撞属性为不可通行的网格作为存在有静态障碍物的网格。

本发明利用网格的防撞属性能够准确判定网格内是否存在静态障碍物。

进一步地，所述步骤6)中的安全度采用安全因子来描述，计划航线网格单元总的威胁因子为：

其中ρ为计划航线网格单元总的威胁因子，n为飞行航线编码集合中威胁网格单元的个数，d

本发明利用威胁网格单元与航线中网格单元的最小距离与缓冲区距离的比值作为威胁因子，通过威胁因子来评价计划航线的安全度，能够对计划航线的安全情况进行可靠地量化，能够准确描述计划航线的安全情况。

进一步地，该方法还包括根据威胁网格单元中威胁因子的大小进行分级显示。

本发明通过威胁因子对计划航线的安全度进行量化分级显示，使计划航线的安全度进行可视化展示，有助于提醒飞行员注意计划航线的危险航段。

附图说明

图1是本发明飞行器计划航线的时空冲突检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

基于时空网格剖分的网格编码运算可将复杂几何体空间关系判断转变为具有规则几何结构的网格单元空间关系判断。网格编码运算是利用数学和计算机科学研究网格编码代数空间的内容和特性，包括网格编码与地理坐标相互转换、层级查找、邻域查找等基本运算，也包括判断网格单元拓扑、度量以及方位关系的空间关系运算，可用于空间要素的时空关系判断。为此，本发明借助于网格编码提供了一种飞行器计划航线的时空冲突检测方法，本发明采用空间网格剖分方法将空间剖分为一系列离散的网格单元，并向时间维扩展，实现时间的离散剖分，形成时空一体的时空编码体系，以网格编码为基础实现低空环境时空要素和计划航线数据的网格化组织管理，通过网格单元及其集合之间的空间关系判断实现飞行器计划航线的安全度评估，该方法的实现流程如图1所示，下面结合具体的实例进行详细说明。

1.获取飞行器计划航线数据，从中提取空间区域范围和时间区间范围，并分别进行编码。

飞行器计划航线包括一系列航线点，其中每个航线点包括如下参数：飞行器所处经度x

对应区域的飞行环境信息是以数据库方式存储，可通过调用接口获取，根据计划航线信息和飞行环境信息可以对计划航线的安全度进行评估。

根据获取的计划航线数据，提取空间区域范围FlyBond(MinL，MinB，MaxL，MaxB)，按照给定空间分辨率SpaceLevel(本实施例中SpaceLevel＝1.0米)进行空间区域划分，并按照层level、行row、列col、高height方式进行编码，得到网格单元的空间编码SpaceCode：

SpaceCode＝(level,row,col,height}

其中level、row、col、height均取整形。

根据获取的计划航线数据，提取时间区间范围TimeRange，按照给定的时间分辨率TimeLevel进行时间划分，本实施例中飞行器经过航线的时间范围TimeRange＝48分32秒，按照给定的时间分辨率TimeLevel＝1秒进行时间划分，采用时间码time进行编码，时间编码的数量TimeRange/TimeLevel＝2912,则：time∈[0,2912]。

2.获取飞行区域内的场环境要素和对象环境要素，对场环境要素进行量化表达，对对象环境要素进行时空编码。

场环境要素是指在空间、时间上连续分布的一类环境要素，如地表高程、土壤类型、大气温度、能见度等，这类数据是飞行环境中某种属性的时空分布特征，非常适合以空间网格单元为基准进行量化表达。在本实施过程中从环境数据库提取地形、气象等环境信息，并根据网格单元内的环境属性计算出防撞属性，具体计算方法如下：

A

对象环境要素指的是飞行区域内的高大建筑物、高压电线、通信铁塔、高大植被等要素，从环境数据库中提取高大建筑物、高压电线、通信铁塔、高大植被等数据，并将这些对象要素用时间和空间网格编码表示：

Obj＝{ObjID，BondCode，InnerCodeSet}

其中，ObjID表示对象要素的ID，BondCode表示对象要素整体包围盒所在的时空网格编码，InnerCodeSet表示对象要素内部时空特征的时空网格编码集合，由于这些是静态要素，其中的时间码为无效值。

3.确定计划航线的安全飞行缓冲区的时空网格编码集合。

将计划航线的时间和空间信息用网格编码STcode

LineSet＝{Stcode

其中n为计划航线经过的网格单元数量，STcode为时空编码；

将计划航线的时空编码集合LineSet中的空间编码部分做指定层次的邻域查找，将缓冲区范围内的网格单元编码放入飞行航线编码集合FlyRoadCodeSet中。缓冲区范围是根据飞行器的飞行速度和预警时间共同确定的，设d

d

令邻域网格单元距离航线网格的距离为d

当d

本实施例中预警时长t

4.判断计划航线的安全飞行缓冲区内是否有静态障碍物。

遍历FlyRoadCodeSet中所有网格编码，判断是否存在土地、水体、地空混合以及水空混合填充属性的网格单元，如果有则提示有撞地威胁，判断方法是提取FlyRoadCodeSet中的网格编码FRcode

5.判断计划航线的安全飞行缓冲区是否与动态环境对象要素时空相交。

判断计划航线的安全飞行缓冲区是否与动态环境对象要素时空相交主要是判断对象要素整体时空编码BondCode和飞行航线编码集合FlyRoadCodeSet是否相交，如果不相交则继续检测其它对象，如果相交，则进一步判断飞行航线编码FlyRoadCodeSet与对象要素内部时空编码集合InnerCodeSet是否有相交关系，如果不相交，则跳出继续检测其它对象，如果相交则再进一步判断时间是否重叠，如果时间不重叠则跳出继续检测其它对象，如果重叠则提示飞行障碍物威胁。

具体方法是调用CalTopoRelation(CodeSet1,CodeSet2)函数判断对象要素整体时空编码和飞行航线编码集合是否相交，CalTopoRelation(CodeSet1,CodeSet2)函数是判断网格编码的大小确定其空间关系，如在同一级编码中，如果row

6.确定计划航线的安全度。

为形象展现飞行器计划航线面临的飞行安全威胁信息，针对飞行器计划航线中的网格单元，查找缓冲区内的威胁网格单元，设威胁网格单元与航线中网格单元的最小距离为d

设规划航线网格单元总的威胁因子为ρ，则：

其中n为缓冲区内威胁网格单元的个数。

为了更加形象的描述计划航线的安全度，本发明按照规划航线网格单元的威胁因子进行分层设色，并在三维场景中绘制，可得到直升机规划航线的安全度可视化效果，使得飞行员能够直观、清楚地了解计划航线的安全度。

本发明采用空间网格剖分方法将空间剖分为一系列离散的网格单元，并向时间维扩展，实现时间的离散剖分，形成时空一体的时空编码体系，以网格编码为基础实现低空环境时空要素和计划航线数据的网格化组织管理，通过网格单元及其集合之间的空间关系判断实现飞行器计划航线的安全度评估。解决了低空动态复杂飞行环境下，飞行器计划航线安全度评估问题，提高了计划航线时空冲突的检测效率，可提醒飞行员注意计划航线的危险航段，可用于直升机、无人机等作业任务的规划。