一种基于网格码的智能空域管理系统的制作方法

本发明涉及交通管控，尤其涉及一种基于网格码的智能空域管理系统。

背景技术：

1、随着无人机系统在工业、农业、军事等多个领域的广泛应用，无人机飞出“隔离空域”并与有人机共享国家空域执行多样化任务已成为当前的趋势。无人机智能空域管理系统是民航标准定义的“无人机云平台”和“飞行服务站”系统的扩展。目标是通过隔离、过渡、融合三个阶段实现载人载货无人机融入国家整体空域管理体系，通过在无人机空域管理领域的技术进步和理念革新，实践出一套空域利用效率倍数提升、安全性高于民航管理的系统方案，最终达到全面覆盖无人机、通航、民航的空域管理。当前制约无人机全域飞行的关键技术为：对空域范围内所有航线的全生命周期管控能力。包括：快速的静态冲突检测能力、合理的航线规划能力、高效的大数据量航线支撑能力等。

2、从国内外研究现状来看，目前还很少有较为成熟的智能空域管理系统。航线生成大多通过简单的手动编辑来实现，大数据量航线处理速度很不理想，空域资源管理能力较差、技术落后，导致空域资源利用率不高。对空域航线管控技术的研究重点大多也放在局部无人机动态避障上，缺少对空域航线全生命周期的系统性研究。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于网格码的智能空域管理系统，用以解决现有空域管理系统缺乏全生命周期管控能力、空域资源管理能力差、处理大数据量航线速度慢、运算效率较低的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种基于网格码的智能空域管理系统，所述智能空域管理系统包括数据存储模块、显控与编辑模块、网格码转换与管理模块、飞行器位置获取模块；

3、当所述智能空域管理系统启动后，所述显控与编辑模块读取所述数据存储模块中存储的航空数据并显示，所述网格码转换与管理模块读取所述数据存储模块存储的航空数据并转换为网格码后暂存，其中，所述航空数据包括已规划航线、禁飞区；

4、所述飞行器位置获取模块，用于获取飞行器实时位置，并发送至所述数据存储模块保存；

5、所述显控与编辑模块，还用于编辑航线、禁飞区并暂存和实时显示；

6、所述网格码转换与管理模块，还用于读取所述飞行器实时位置，根据所述飞行器实时位置动态更新相应网格码；及读取所述显控与编辑模块中所述编辑航线、禁飞区并转换为网格码后暂存。

7、上述技术方案的有益效果如下：提供了一种基于网格码的空域管理系统技术方案，其中，所述网格码转换与管理模块不仅提供了网格码转换功能，能够将航线、禁飞区数据转换为网格码，而且所述网格码转换与管理模块还支持动态网格码管理，能够基于所述飞行器位置获取模块传回的飞行器位置动态管理网格码状态，利用网格码运算的速度和效率优势提升航线、禁飞区等航空数据处理和空域全生命周期管理能力。

8、基于上述系统的进一步改进，所述根据飞行器实时位置动态更新相应网格码，包括：所述网格码转换与管理模块为所述飞行器以所述飞行器为中心设置飞行安全区域，当飞行器即将起飞时，将所述飞行安全区域设置成半径为预设阈值的安全圆，将所述安全圆覆盖的网格码设置为独占状态。

9、上述进一步改进方案的有益效果是：通过所述网格码转换与管理模块对即将起飞飞行器设置安全圆，并将安全圆覆盖的网格码设置为独占状态，是实现网格码动态管理的其中一方面功能，确保基于网格码动态状态管理对安全飞行区域的高效管控。

10、基于上述系统的进一步改进，所述根据飞行器实时位置动态更新相应网格码，还包括：当飞行器沿已规划航线飞行，所述网格码转换与管理模块基于所述飞行器实时位置网格码通过以下方法动态更新飞行安全区域以及更新相应网格码：

11、读取所述已规划航线网格码，基于飞行器实施位置网格码动态更新安全圆的圆心；

12、基于以下算式实时计算飞行器前进方向安全距离长度，

13、rfront＝d+(v1/vmax)*(dmax-d)，式中，rfront为所述飞行器前进方向安全距离长度，d为所述预设阈值，dmax为所述飞行器设计最大安全阈值，v1为所述飞行器实际航速，vmax为所述飞行器设计最大航速；

14、将所述安全圆对应的圆弧等分为4部分，按照其所在方位所述圆弧包括前部圆弧、后部圆弧，上部圆弧、下部圆弧；

15、飞行器沿已规划航线飞行时，以所述飞行器前进方向安全距离长度为前部圆弧的半径，对前部圆弧进行实时更新，其他部分圆弧半径保持不变；过安全圆上部顶点沿与航线平行的方向作第一直线，过安全圆下部顶点沿与航线平行的方向作第二直线，所述前部圆弧、第一直线、第二直线、上部圆弧、下部圆弧以及后部圆弧围成的区域作为实时的飞行安全区域；

16、将所述飞行安全区域覆盖的网格码设置为独占状态。

17、上述进一步改进方案的有益效果是：飞行过程动态调整飞行器前进方向的安全区域，不仅确保飞行器飞行安全，而且通过所述网格码转换与管理模块基于上述技术方案实现基于网格码对飞行过程中空域资源的优化利用。

18、基于上述系统的进一步改进，所述预设阈值为飞行器安全阈值，选择与所述飞行器安全阈值相等的网格码宽度或最为接近的两个相邻层级网格码宽度任意之一做为所述距离约束网格集合中最低层级网格。

19、上述进一步改进方案的有益效果是：本发明设置预设阈值的方法与网格图选取的最小精度，即最低层级一致，对航线网格码处理是一种合适、合理的选择，既不会太大增加运算负担，又不会太小影响距离约束；另一方面，选取最小精度为预设阈值的最小值，可使得对航线进行划分时，航线分段近似直线，降低运算复杂度。

20、基于上述系统的进一步改进，所述网格码转换与管理模块，还包括航线网格码转换子模块和区域网格码转换子模块，其中，所述航线网格码转换子模块，通过以下方法将航线转化为网格码，所述方法为：

21、从所述数据存储模块或所述显控与编辑模块中读取一条航线，从所述航线的起点开始，以预设阈值为步长将所述航线分段；

22、对每条航线分段逐一计算并建立距离约束网格集合，并经过网格去重计算、聚合计算，生成所述航线网格码。

23、上述进一步改进方案的有益效果是：本发明技术方案中的网格码转换模块对应空域数据中典型的航线数据，区域数据分别提供了处理子模块，且针对航线数据通过设置所述安全阈值将航线分段，从而高效计算每条航线分段在一个阈值范围内的网格集合而不必对所有相交网格进行运算，大大降低了运算量和算法复杂度；并且，前一航线分段的计算结果能够有效减少后一分段的运算量，进一步提高网格码计算效率。

24、基于上述系统的进一步改进，通过以下步骤完成所述对每条航线分段逐一计算并建立距离约束网格集合，所述步骤包括：

25、若航线分段的两端点处于同一网格，则将所在网格作为选定网格，若距离约束网格集合中不存在该选定网格，则将该选定网格加入所述距离约束网格集合；

26、若航线分段的两端点处于不同网格，将所述两个不同网格加入所述距离约束网格集合，并基于两个不同网格的经纬度得到第一选定区域，从第一选定区域中去除冗余网格，从所述第一选定区域的剩余网格中选取符合预设条件的网格加入所述距离约束网格集合；

27、基于所述预设阈值对所述选定网格或所述第一选定区域进行扩展得到第二选定区域，从第二选定区域中去除冗余网格，从所述第二选定区域的剩余网格中选取符合预设条件的网格加入所述距离约束网格集合。

28、上述进一步改进方案的有益效果是：在基于安全阈值对航线分段分别计算网格码基础上，增加的航段间网格码去冗余操作，使得前一航线分段的计算结果能够有效减少后一分段的运算量，进一步提高航线网格码计算效率。

29、基于上述系统的进一步改进，所述区域网格码转换子模块，通过以下方法将禁飞区转换为网格码，所述方法为：

30、从所述数据存储模块或所述显控与编辑模块中读取禁飞区，基于网格码层级规则分解获得包含所述区域的最低层级网格码，并作为待处理网格码；

31、计算获得与所述区域边界线满足距离约束的边界线网格码集合；

32、通过以下过程获得区域网格码集合：

33、s11：将所述边界线网格码集合中的各网格码转换至所述待处理网格对应层级的网格码，并经过去重，作为更新后的边界线网格码集合中的各网格码；

34、s12：如果所述待处理网格码对应的层级高于设定最小层级，将所述待处理网格码分解为下一层级网格码，否则结束；

35、若所述下一层级网格码存在于所述区域边界线网格集合中，则将所述下一层级网格码作为下轮迭代的待处理网格码；

36、否则，若所述下一层级网格码对应的网格位于区域边界线内，则将所述下一层级网格码加入区域网格码集合；返回步骤s11；

37、将所述区域网格码集合与所述区域边界线网格码集合合并，再经过去重、聚合得到所述区域网格码。

38、上述进一步改进方案的有益效果是：相比现有技术优化的算法大大降低了运算复杂度和运算量，可实现快速运算获得区域网格码集合，运算性能和速度得到很大提升。

39、基于上述系统的进一步改进，所述智能空域管理系统还包括冲突检测模块，所述冲突检测模块用于读取所述显控与编辑模块中编辑的航空数据，通过以下方法检测冲突风险，所述方法包括：

40、将所述网格码转换与管理模块中暂存的所有网格码按大小排序；

41、判断所述网格码中相邻网格码是否存在重复或包含关系，如果存在，则判断所述存在重复或包含关系的相邻网格码是否均为禁飞区，如果是，则向所述显控与编辑模块返回检测结果无风险，

42、否则，向所述显控与编辑模块返回检测结果有冲突风险。

43、上述进一步改进方案的有益效果是：基于网格码仅需极小运算量即可快速找到现有航空数据与新增航空数据是否存在冲突，极大提升了所述智能空域管理系统的数据处理速度、系统响应速度和运行效率。

44、基于上述系统的进一步改进，所述智能空域管理系统还包括航线规划模块，所述航线规划模块用于读取所述显控与编辑模块中编辑航线，通过以下方法规划出有效航线并发送至所述数据存储模块存储，所述方法为：

45、读取所述编辑航线的航点；

46、从所述网格码转换与管理模块中找到所有航点的网格码；

47、将所有航点的网格码转换为栅格；

48、基于栅格八方向连通性建模建立所述航点间拓扑关系；

49、基于所述拓扑关系和耗费值最小原则规划出所述航点间有效航线，所有航点间的连线形成规划出的航线。

50、上述进一步改进方案的有益效果是：利用网格码的空间特性可以实现比坐标更为高效的转换栅格、标记禁飞区栅格，对新增航线规划效率和响应速度有显著提升效果。

51、基于上述系统的进一步改进，当在所述显控与编辑模块中编辑禁飞区时，通过以下方法检测冲突及自动重规划：

52、所述网格码转换与管理模块读取所述编辑的禁飞区坐标区域，将所述编辑的禁飞区转换为网格码并暂存；

53、所述冲突检测模块读取所述网格码转换与管理模块中暂存的已规划航线网格码与所述编辑的禁飞区对应的网格码，将上述读取的所有网格码按大小排序，判断所述网格码中相邻网格码是否存在重复或包含关系，如果存在，将所述存在重复或包含关系的相邻网格码作为与所述编辑的禁飞区冲突的已有航线网格码，并将检测结果为有冲突风险发送至所述显控与编辑模块显示；

54、所述航线规划模块读取所述冲突的已有航线网格码，计算得到所述冲突的已有航线网格码的最短航段，其中，所述最短航段的两端点均为所述冲突的已有航线的航点，所述冲突的已有航线的航点不与任何航线或禁飞区冲突；

55、所述航线规划模块基于所述冲突的已有航线的两个航点自动重规划出有效航线。

56、上述进一步改进方案的有益效果是：利用网格码的空间特性可以实现比坐标更为高效的冲突检测和栅格转换，对航线重规划效率和响应速度有显著提升效果。

57、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。