一种基于UM-Event模型的融合运行侧向安全间距评估方法

本发明涉及无人机飞行，更具体地说，它涉及一种基于um-event模型的融合运行侧向安全间距评估方法。

背景技术：

1、在近年来，无人机市场经历了迅猛的发展，成为航空领域的一个重要分支，其灵活性、成本效益和多样化的应用使得无人机在各个领域中得到了广泛应用，包括航拍摄影、物流配送、农业监测、环境保护等，人工智能技术的飞速发展为无人机的智能化运行提供了强大的支持，使得无人机市场更加繁荣；随着无人机市场的迅速扩张，无人机对空域资源的需求不断增加，传统航空领域中的有人机一直是主要的空域占用者，而无人机的涌入使得空域资源供需失衡，为了提高空域利用效率并最大程度地发挥空域资源的价值，充分利用现有的空域资源成为迫切需求；

2、因此，有人机与无人机的融合运行成为无人机发展的重要方向，融合运行指的是无人机与有人机在同一空域内安全地共同运行。通过确立适当的规则和协议，有人机与无人机可以在同一空域内共享飞行空间，高效利用现有资源，从而提高航空领域的工作效率；然而，无人机与有人机的融合运行在碰撞风险和安全间隔方面带来了新的挑战，由于无人机的自主性和机动性，与有人机的协同与规避变得更加复杂。因此，解决无人机与有人机的碰撞风险和保持适当的安全间隔成为实现融合运行的关键。

3、为了解决上述问题，英国的brooker教授在对于航空器最小安全间距的研究中，提出了全新的飞行碰撞风险模型，即event碰撞风险模型，在实践方面，对航空器的碰撞风险展开研究；event模型的提出为飞行器的飞行安全性能研究提供了新的思路和方法，为航空器的飞行安全性能提供了新的理论支持。王莉莉等人根据小型无人机的飞行特点，提出了针对低空空域小型无人机不同飞行动作的碰撞模板，建立基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型，利用模型计算得到了该空域内碰撞风险与无人机密度的关系。

4、但该event模型在对于融合运行侧向安全间距评估方面仍存在一些缺陷：一是event模型在考虑侧向安全间距时主要关注飞机位置、速度和随机偏差等因素，但没有充分考虑侧向动态特性，如cns设备性能、航空器机载防撞设备、人为因素和气象条件等因素对安全间距的影响。这可能导致event模型在评估飞机的侧向碰撞风险时不准确或局限；二是event模型是一种静态模型，无法实时地进行飞行器的碰撞风险评估。实际运行中，飞行器的状态和环境可能随时发生变化，因此需要考虑实时性和动态性，以便更准确地评估碰撞风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于um-event模型的融合运行侧向安全间距评估方法，以解决现有技术中对于无人机和有人机融合运行的侧向安全间距评估不够准确的问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于um-event模型的融合运行侧向安全间距评估方法，所述方法综合通信、导航、监视性能、人为因素、防撞设备性能、气象对无人机及有人机融合运行时定位误差的影响，以event碰撞风险模型为基础，构建出um-event碰撞风险模型，通过仿真实验，代入实际数据进行计算，根据目标安全水平计算得出融合运行的侧向安全间距，分析实验结果；具体包括以下步骤：

3、s1：确定航空器的几何形状和尺寸，建立碰撞风险因素与航空器实际距离之间的关系模型；

4、s2：确定无人机及有人机两架航空器的初始位置和速度信息；

5、s3：基于步骤s1所述的航空器模型和步骤s2所述的初始条件以及event模型，构建碰撞风险um-event计算模型，并确定侧向安全间距的评估指标；

6、s4：通过将航空器之间的实际距离代入步骤s3中所述的碰撞风险um-event计算模型，在考虑了除cns设备性能误差以外的其他因素的影响后，迭代计算出航空器无人机和有人机之间的侧向安全间距；

7、s5：通过步骤s4所计算得到的侧向安全间距与预设的安全间距标准，对航空器的碰撞风险进行分析和评估，并提出相应的飞行控制建议。

8、通过采用上述技术方案，本发明在评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距时，综合考虑了通信、导航、监视性能、人为因素、防撞设备性能和气象等多个因素的影响，这意味着该方法能够全面地考虑各种实际情况下的潜在风险因素，提供更准确的侧向安全间距评估结果；本发明所采用的um-event碰撞风险模型是一种风险评估模型，通过将航空器的实际距离与碰撞风险因素建立数学关系模型，可以更准确地评估碰撞的潜在风险，这样的模型能够增强对融合运行侧向安全间距的评估准确性；本发明采用迭代计算的方式，反复细化计算过程，以降低初始条件偏差对评估结果的影响，通过多次迭代计算，可以得到更精确的融合运行侧向安全间距评估结果；本发明可以适用于不同类型的无人机和有人机，并且具有较高的灵活性，无论是在军事领域还是民用领域，无论是在城市环境还是乡村环境中，该方法都可以为融合运行的侧向安全间距提供有效的评估和建议。

9、本发明进一步设置为：步骤s1中碰撞风险因素主要包括cns设备性能误差、航空器机载防撞设备误差、人为因素误差和气象条件误差。

10、通过采用上述技术方案，本发明的cns设备性能误差是指通信、导航和监视系统中可能存在的测量或计算误差，将这种误差作为碰撞风险因素之一考虑进来，能更精确地评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距，这可以避免仅仅依赖设备理论性能进行评估而忽略实际误差带来的风险；无人机和有人机上的机载防撞设备(例如ads-b)是避免空中碰撞的重要装置，考虑机载防撞设备误差可以更准确地评估融合运行中的侧向安全间距，将设备准确性考虑在内，避免依赖单一设备的理论准确性；

11、飞行任务中的人为因素可能对侧向安全间距评估产生重要影响，包括飞行员的决策、操作失误等，通过考虑人为因素误差，可以更全面地评估融合运行中的侧向安全间距，提高评估的准确性；气象条件对航空器的性能和控制产生直接影响，将气象条件误差纳入碰撞风险因素，可以更准确地评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距，确保在不良天气条件下的安全飞行。

12、本发明进一步设置为：所述cns性能主要包括通信性能rcp，导航性能rnp和监视性能rsp。

13、通过采用上述技术方案，本发明的通信性能rcp是指航空器在通信方面的性能要求，将通信性能rcp作为碰撞风险因素之一，可以更好地了解航空器之间的通信和导航性能差异，从而准确评估融合运行的侧向安全间距；导航性能rnp是指航空器在导航性能方面的要求，通过将导航性能rnp纳入碰撞风险因素，可以有效评估飞行器的导航准确度，从而确保融合运行的侧向安全间距的准确性和可靠性；监视性能rsp是指航空器在监视性能方面的要求，考虑监视性能rsp作为碰撞风险因素之一，能够更全面地评估航空器之间的监视性能，从而提高融合运行的侧向安全间距的可靠性和准确性。

14、本发明进一步设置为：步骤s3中构建碰撞风险模型的具体步骤为：计算航空器之间实际距离与各定位误差、航空器初始距离之间的关系，采用概率密度分布函数来计算航空器之间的侧向重叠概率，将步骤s1所述的碰撞风险因素计算在内，即得考虑多种影响因素后的两航空器的侧向碰撞风险模型。

15、通过采用上述技术方案，本方法计算航空器之间实际距离与各定位误差、航空器初始距离之间的关系，采用概率密度分布函数来计算航空器之间的侧向重叠概率，这样综合考虑了各种误差对实际距离的影响，更准确地评估碰撞风险，将步骤s1所述的碰撞风险因素计算在内，可以将多种可能影响融合运行侧向安全间距的因素纳入碰撞风险模型中。这有助于确保评估结果的全面性和准确性，采用概率密度分布函数计算重叠概率，可以更准确地评估碰撞风险，并避免评估结果的不全面性带来的误判风险，这可以让航空器融合运行更加可靠和安全，通过采用步骤s3中构建碰撞风险模型的具体步骤，本发明具有更高的准确性、全面性和可靠性，能够更好地评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距，实现更安全、高效的航空器融合运行。

16、本发明进一步设置为：步骤s4中所述的迭代计算方法为adam迭代法，所述adam迭代法通过指数加权移动平均的方法来估计梯度的一阶矩和二阶矩，并根据估计值来更新参数。

17、通过采用上述技术方案，adam迭代法通过指数加权移动平均的方法来估计梯度的一阶矩和二阶矩，能够更精确地估计梯度，从而提高模型的精度和效率；adam迭代法能够根据对梯度的估计来自适应地更新学习率，这种自适应学习率的方法可以避免在训练过程中出现学习率过高或过低的问题，提高训练效果；adam迭代法能够支持稀疏梯度，因为它仅考虑梯度的非零部分，这可以大大减少计算量和存储量，在训练大规模模型时非常有用；adam迭代法已经在许多机器学习应用程序中得到了广泛应用，由于其能够高效地估计梯度并自适应地调整学习率，adam迭代法通常能够在较短的时间内得到收敛，并在许多情况下可以取得很好的结果，通过采用adam迭代法作为步骤s4中的迭代计算方法，能够更有效地更新模型参数，提高模型精度，并在更短的时间内完成训练和评估，从而实现更高效、可靠地评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距。

18、本发明进一步设置为：所述adam迭代法的具体过程如下：

19、ss1：初始化参数；

20、ss2：计算梯度和梯度平方的一阶矩估计量；

21、ss3：计算梯度平方的二阶矩估计量；

22、ss4：校正一阶矩和二阶矩的偏差；

23、ss5：更新参数；

24、ss6：判断迭代序列的绝对误差或相对误差是否小于预设精度，输出最终近似解，即得最小安全间距。

25、通过采用上述技术方案，adam迭代法是一种常用的优化算法，结合了梯度的一阶矩估计和二阶矩估计，能够自适应地调整学习率，加速参数的收敛过程，通过使用adam迭代法，可以更高效地优化模型参数，提高融合运行侧向安全间距评估的准确性和效率；在迭代过程中，通过判断迭代序列的误差是否小于预设精度，可以提前终止迭代，输出最终近似解，这样可以在保证评估结果准确性的前提下，节省计算资源和时间成本，上述方法采用adam迭代法进行参数优化以及判断迭代序列的误差是否小于预设精度，能够更准确、全面且高效地评估融合运行侧向安全间距，提高融合运行的安全性和可靠性。

26、综上所述，本发明具有以下有益效果：

27、1.本发明通过综合考虑通信、导航、监视性能、人为因素、防撞设备性能和气象等多方面因素的影响，本发明能够准确评估无人机和有人机融合运行的侧向安全间距，从而降低碰撞风险，提高融合运行的安全性；本发明利用um-event碰撞风险模型，综合考虑航空器实际距离与碰撞风险因素之间的关系模型，能够更准确地评估碰撞的潜在风险，从而提供更可靠的侧向安全间距评估结果。

28、2.本发明根据评估结果，结合预设的安全间距标准，对航空器的碰撞风险进行分析和评估，并提出相应的飞行控制建议，帮助飞行员或操作者做出合理决策，确保飞行的安全性；本发明适用于不同类型的无人机和有人机，在军事领域和民用领域，以及城市环境和乡村环境等各种情况下都具有较高的灵活性，能够为融合运行的侧向安全间距提供有效的评估和建议。