结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法及系统

本发明属于航空，具体涉及一种结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法及系统。

背景技术：

1、北斗、5g等新兴技术的发展使得无人机能够承担的任务种类越来越多，无人机逐渐摆脱飞手操控，应用领域拓展至物流、巡检、消防、医疗等行业。为方便管控无人机飞行活动，常使用结构化空域（即航路网络）限定无人机飞行路线，达到降低无人机飞行自由度，减轻无人机管控压力的目的。但随着无人机作业需求的进一步增长，各飞行计划的潜在冲突数量急剧增加，难以通过简单的三维航线调整消除潜在冲突。

2、因此，面向无人机超视距飞行差异化、规模化、智能化需求，如何基于航路网络整体结构为各飞行计划生成无冲突的四维航迹，对无人机行业发展和产品应用具有重要意义。

技术实现思路

1、基于航路网络结构和无人机定制化飞行需求，本发明提供了一种兼顾安全性、高效性和经济性的无人机无冲突飞行计划调配方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法，包括：

4、步骤s1，识别提取航路网络空域资源，并根据各无人机的飞行计划需求，确定各无人机的可选飞行航线集合；

5、步骤s2，基于各无人机的可选飞行航线集合，并根据各无人机的飞行计划任务性质，确定各飞行计划需求的飞行计划调配结果；

6、步骤s3，根据飞行计划调配目标函数考评飞行计划调配结果，对飞行计划需求的优先级排序和选择的飞行航线进行迭代优化，得到最优的无人机无冲突飞行计划调配方案。

7、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s1中，所述识别提取航路网络空域资源，包括识别提取航路点位置、航路连通情况、航路及交叉口容量、起降机场容量；所述飞行计划需求包括，飞行计划起降点、预计起降时段、任务类型、路线要求。

8、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，对于有确定的路线要求的飞行计划需求，其对应无人机的可选飞行航线集合设置为该确定的飞行路线；对于无确定的路线要求的飞行计划需求，采用k最短路径算法从航路网络空域资源中选择k条可行航线，组成飞行计划的可选飞行航线集合，k为大于1的自然数。

9、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，所述步骤s2包括，

10、步骤s21，根据各无人机的飞行计划任务性质，确定各飞行计划需求的初始优先级排序；

11、步骤s22，从各无人机的可选飞行航线集合中初始化各无人机的飞行航线；

12、步骤s23，基于初始优先级排序，结合各无人机性能、安全间隔、空域资源使用受限情况，确定各飞行计划需求的作业时间，形成飞行计划调配结果。

13、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s21中，所述确定各飞行计划需求的初始优先级排序包括：针对飞行计划任务性质，进行优先级分层，根据优先级分层的结果，分别对各优先级层级内的飞行计划需求随机分配优先级，最后根据优先级分层的结果和各优先级层级内飞行计划需求的优先级分配的结果确定全部飞行计划需求的飞行计划需求的初始优先级排序。

14、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s22中，所述初始化各无人机的飞行航线包括：对于有确定的路线要求的飞行计划需求，飞行航线初始化为该确定的路线要求；对于无确定的路线要求的飞行计划需求，从其可选飞行航线集合中随机选择飞行航线，将飞行航线初始化为该随机选择的飞行航线。

15、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s23中，所述确定各飞行计划需求的作业时间包括：基于各无人机性能和初始化的各无人机的飞行航线飞行计划航线选用情况，从飞行计划需求中的预计起降时段中选择全航程空域资源未被使用的飞行时隙，作为该飞行计划需求的作业时间。

16、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，所述选择全航程空域资源未被使用的飞行时隙，包括以下步骤：

17、步骤s231，根据各无人机性能，初始化并推算各飞行计划需求的全航程空域资源占用时间，计算方法为，选择预计起降时段中的预计起飞时段中间时刻作为初始起飞时间 t0，计算无人机飞行至第一个航路点的时间 t1表示为：

18、

19、式中，为无人机经起飞程序从机场飞行至第一个航路点的耗时；

20、根据初始化的各无人机的飞行航线，计算无人机飞行至航路点 i的时刻，表示为：

21、

22、式中， ti-1为无人机在航路点 i前一个航路点 i-1的飞行时刻， li-1,j为航路点 i-1和航路点 i之间的距离，为无人机的额定飞行速度；

23、无人机预计降落时间 tn表示为：

24、

25、式中， t-1为无人机飞行至最后一个航路点的飞行时刻，为无人机经降落程序从最后一个航路点至着陆机场的耗时；

26、步骤s232，识别空域资源使用受限情况，计算航路点的安全间隔，

27、无人机飞行计划执行主要受机场起飞容量和航路容量限制，机场起飞容量约束为：

28、

29、式中，为无人机的飞行计划需求集合，为飞行计划需求中预计起降时段中的起飞时间， t0为初始起飞时间， ta为机场容量计算时间单位，为机场起飞容量，为起飞机场使用决策变量，当无人机飞行计划需求使用当前飞行计划需求的起飞机场时， t为1，否则为0；

30、机场着陆容量约束为：

31、

32、式中，为无人机的飞行计划需求集合，为飞行计划需求中预计起降时段中的着陆时间，为无人机预计降落时间， ta为机场容量计算时间单位，为机场着陆容量，为着陆机场使用决策变量，当无人机飞行计划需求使用当前飞行计划需求的着陆机场时， l为1，否则为0；

33、航路点的安全间隔约束为：

34、

35、式中，为无人机飞行计划需求集合，为飞行计划需求在航路点的过点时间，为当前飞行计划需求在航路点的过点时间，为机场容量计算时间单位，为航路点使用决策变量，当无人机飞行计划需求的飞行航线经过航路点时，为1，否则为0；

36、步骤s233，基于安全间隔调整起飞时间，分配无冲突飞行时隙，生成作为飞行计划调配结果的初始无冲突四维航迹。

37、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s233中，所述分配无冲突飞行时隙包括，判断当前飞行计划需求以该起降时间起降是否满足机场起飞容量约束、机场着陆容量约束、以及航路点的安全间隔约束；若不满足上述约束，则依次按+1、-1、-2、-2、+3、-3、…调整起飞时间，并重新计算起降时间和各航路点过点时间，直至得到满足机场起飞容量约束、机场着陆容量约束、以及航路点的安全间隔约束的无冲突飞行时隙，选定无冲突飞行时隙后，将该飞行计划需求使用的空域时隙资源设置为已被占用，依照优先级排序依此计算各飞行计划需求的无冲突飞行时隙，生成作为飞行计划调配结果的初始无冲突四维航迹。

38、上述结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法中，步骤s3中，所述对飞行计划需求的优先级排序和选择的飞行航线进行迭代优化包括，

39、基于各无人机的初始无冲突四维航迹的生成结果，从高效性和经济性两方面设置目标函数，以无人机飞行计划执行时间偏移量最小为第一目标函数，以无人机运行总成本最小为第二目标函数；

40、所述第一目标函数为：

41、

42、其中，为飞行计划需求的时间偏移代价，表示为：

43、

44、式中，为飞行计划需求预计执行时段的开始时间，为飞行计划需求预计执行时段的结束时间，为飞行计划需求的实际执行时间；

45、所述第二目标函数为：

46、

47、其中，为飞行计划需求经过的航段集合，为无人机单位距离能耗；

48、采用快速非支配排序遗传算法，将各个无人机的无冲突飞行计划调配方案分别设置为种群中的一个个体，在进化过程中对各个个体中各层级内飞行计划优先级及航线选定情况进行交叉变异；

49、根据目标函数值不断迭代优化直至达到最大迭代次数并输出最优的无人机无冲突飞行计划调配方案。

50、第二方面，本发明还提供结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配系统，执行上述所述的结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果：

52、本发明提供了结构化空域下无人机无冲突飞行计划调配方法及系统，充分考虑多种无人机作业任务的优先级差异和运行特征，获得兼顾安全性、高效性和经济性的无人机无冲突飞行计划调配方案，将生成的无冲突调配方案反馈给低空空管、无人机运营企业等单位，具有很好的实用性，能够有效保障飞行活动安全，降低航空器管控复杂度，提升空域运行效率。本发明能够有效解决无人机作业需求增长后大规模多类型无人机作业的潜在冲突问题，兼顾不同飞行任务的运行特色，高效利用空域资源，对无人机行业发展和产品应用具有重要意义。

53、为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。