基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法与流程

本发明涉及低空空域规划及管理领域，尤其涉及一种基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法。

背景技术：

随着我国低空空域的改革和逐步开放以及技术的快速发展，无人机的应用范围越来越广泛，已遍布全国各地以及各行各业，低空空域使用需求日趋旺盛，随之带来的一系列低空空域安全问题也备受关注，充分利用有限的低空资源、保证低空飞行的安全已成为亟待解决的重要课题。

低空空域是各类航空器尤其是无人机的活动空间，是与无人机运行紧密相关的客观条件，如何对低空空域进行建模描述，对无人机态势监视、路径规划、危险预警告警等具有重要意义。目前，对低空空域的建模描述主要是伴随着解决飞行路径规划问题时建立一个二维平面模型或三维空间模型，并没有针对空域、地形的限制等系统地对低空空域进行建模描述。

技术实现要素：

为建立完整完善无人机低空运行环境，切实有效地描述低空空域、地形的限制，本发明提供了一种基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法，为无人机管控平台的搭建提供理论支持。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法，首先提取低空空域的运行环境特征数据，包括地形环境，限制区、危险区、禁飞区、净空区等空域环境(以下简称限制空域)，然后对地形、限制空域分别建模描述，包括以下步骤：

步骤一、提取地形环境特征要素，基于数字高程模型对地形环境进行栅格化，即将空间区域划分成相同的正方形栅格单元；

步骤二、将栅格顶点坐标经纬高转化为三维空间坐标，即从大地坐标系转化为世界坐标系；

其中，n为地球椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的椭圆第一偏心率，a为地球长半轴，b为短半轴，a＝6378137±2(m)，b＝6356752.314(m)；

步骤三、基于数字高程模型将其高程数值匹配为栅格顶点的高程值，利用高程内插法计算栅格网内任意点的高程值，具体步骤如下：

(1)判断选取插值点k与栅格顶点的关系；

(2)插值点k在栅格边界上时，采用最近邻插值法计算插值点高程；

(3)插值点k在栅格边界内时，采用双线性内插法计算插值点高程。

步骤四、提取限制空域环境特征要素，建立空限制域信息数据库；

步骤五、构建限制空域的四维空间要素结构，并将限制空域进行栅格化；

步骤六、构建航迹点与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)航迹点ai∈ωj，此航迹点在限制空域ωj内；

(2)航迹点此航迹点在限制空域ωj外。

步骤七、构建航段与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)航段此航段与限制空域ωj不相交；

(2)航段此航段与限制空域ωj相交。

步骤八、构建限制空域与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)限制空域空域ωi和空域ωj不相交；

(2)限制空域空域ωi和空域ωj相交。

进一步的，步骤一所述的数字高程模型是由划分的规则栅格点的高程值构成的栅格结构空间数据模型。

进一步的，步骤三所述的采用最近邻插值法计算插值点k高程的方法为：

进一步的，步骤三所述的采用双线性内插法计算插值点k高程的方法为：

demk＝dema+(demb-dema)xk+(demc-dema)yk+(dema-demc+demd-demb)xkyk

进一步的，步骤五所述的四维空间要素为限定了水平边界和高度边界的空间区域以及该空域的有效时间范围。

本发明具有以下有益的技术效果：

针对无人机飞行路径规划中的地形限制和空域限制问题，建立了一种基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法，能够系统性的对地形环境限制和空域环境限制进行描述，将限制因素进行三维栅格化，并构建了航迹点、航段、限制空域之间的拓扑结构，为无人机飞行路径规划技术、无人机冲突预警告警及冲突规避技术提供了支持。

附图说明

图1为基于地形和限制空域的无人机飞行网络建模流程图；

图2为具有高程的栅格模型图；

图3为限制空域的四维空间要素结构图；

图4为航迹点与限制空域的拓扑关系构建流程图；

图5为航段与限制空域的拓扑关系构建流程图；

图6为限制空域与限制空域的拓扑关系构建流程图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明实施例提供的基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法，包括以下步骤：

步骤一、分析低空空域运行环境特征要素，包括地形环境限制和空域环境限制；空域环境数据可从《国内航行资料汇编(naip)》中获取；

步骤二、从地理信息系统中提取地形环境特征要素；

步骤三、如图2所示，基于数字高程模型对地形环境进行栅格化，即将空间区域划分成相同的正方形栅格单元；

步骤四、根据数字高程模型提取将栅格顶点坐标，并经纬高转化为三维空间坐标，即从大地坐标系转化为世界坐标系；

其中，n为地球椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的椭圆第一偏心率，a为地球长半轴，b为短半轴，a＝6378137±2(m)，b＝6356752.314(m)；

步骤五、基于数字高程模型将其高程数值匹配为栅格顶点的高程值，利用高程内插法计算栅格网内任意点的高程值：

(1)先提取栅格四个顶点坐标a(xi，yj，dema)、b(xi，yj+1，demb)、c(xi+1，yj，demc)、d(xi+1，yj+1，demd)，其高程值分别为dema、demb、demc、demd；

(2)插值点k在栅格边界上时，采用最近邻插值法计算插值点高程demk：

(3)插值点k在栅格边界内时，采用双线性内插法计算插值点高程demk：

demk＝dema+(demb-dema)xk+(demc-dema)yk+(dema-demc+demd-demb)xkyk

步骤六、提取限制空域环境特征要素，建立空限制域信息数据库；

步骤七、如图3所示，构建限制空域的四维空间要素结构，并将限制空域进行栅格化；

步骤八、如图4所示，构建航迹点与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)获取航迹点ai坐标和限制空域ωj数据，其中ωj＝{a1，a2，...，an}；

(2)航迹点ai∈ωj，此航迹点在限制空域ωj内；

(3)航迹点此航迹点在限制空域ωj外。

步骤九、如图5所示，构建航段与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)获取航段ai数据和限制空域ωj数据，其中ai＝{am，am+1，...，ak}，ωj＝{a1，a2，...，an}；

(2)航段此航段与限制空域ωj不相交；

(3)航段此航段与限制空域ωj相交。

步骤十、如图6所示，构建限制空域与限制空域之间的拓扑网络结构关系，具体步骤如下：

(1)获取限制空域ωi数据和限制空域ωj数据，其中ωi＝{ap，ap+1，...，aq}，ωj＝{a1，a2，...，an}；

(2)限制空域空域ωi和空域ωj不相交；

(3)限制空域空域ωi和空域ωj相交。

本发明建立了一种基于低空空域限制条件的无人机飞行网络建模方法，针对无人机飞行路径规划中的地形限制和空域限制问题，将地形环境和限制空域分别进行三维栅格化，针对栅格网中的任意点构建高程求解方法，并构建航迹点、航段、限制空域之间的拓扑结构，从而完成无人机的飞行网络限制因素建模。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。