一种适用机场终端区特定类无人机对空风险判别方法

本技术涉及无人机，具体而言，涉及一种适用机场终端区特定类无人机对空风险判别方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的发展，无人机的飞行高度、飞行稳定性，以及飞行距离都在不断的增加。在无人机飞行高度和飞行距离增加的背景下，无人机原本在运行时所需要考虑的对地面目标的碰撞概率，已经逐渐演化为对空的碰撞概率。

2、尤其是在机场附近的空域，有人飞行器的起落高度与无人机的飞行高度存在的重叠空间，因为无人机的飞行高度增加而不断变大，所以无人机与有人飞行器的碰撞概率也在逐渐增加。

3、而目前的机场管理领域中，为了避免无人机与有人飞行器的碰撞而引起的飞行事故，都是为无人飞行器在距离跑道较远的地方划设隔离空域，或者以有人飞行器停飞或地面等待为代价让无人飞行器能够使用机场临近的空域。出现这种管理方式的原因在于，目前对于无人机安全事故的计算方式都是依据于对地碰撞概率进行计算和预测的，所以无法准确的计算无人机与有人飞行器在机场邻近空域的碰撞概率，进而也就无法评估无人机在机场飞行的安全性。从而导致了机场如今无法进行无人机的起飞、实验，以及无人机的货运运输等，影响了机场附近良好的低空空域的利用率。

技术实现思路

1、本技术的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本技术的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

2、作为本技术的第一个方面，为了解决机场附近低空空域利用低的技术问题，本技术的一些实施例提供了一种适用机场终端区特定类无人机对空风险判别方法，包括如下步骤：

3、步骤1：收集试飞机场的无人飞行器的第一飞行数据和有人飞行器的第二飞行数据，第一飞行数据包括无人飞行器的飞行轨迹、无人飞行器在对应位置的时间和速率；第二飞行数据包括有人飞行器的飞行轨迹、有人飞行器在对应位置的时间和速率；

4、将无人飞行器的最大飞行范围与有人飞行器的最大飞行范围相互重合的部分设置为冲突空域；

5、步骤2：获取无人飞行器在机场的邻近空域飞行的最低要求碰撞概率；

6、步骤3：根据第一飞行数据计算无人飞行器在冲突空域的空间位置的概率分布得到第一数据组；

7、根据第二飞行数据计算有人飞行器在冲突空域的空间位置的概率分布得到第二数据组；

8、步骤4：根据第一数据组和第二数据组，计算无人飞行器和有人飞行器运行时的空间重叠概率，根据无人飞行器与有人飞行器运行时的空间重叠概率计算无人飞行器与有人飞行器的碰撞概率；

9、步骤5：根据无人飞行器与有人飞行器的碰撞概率与最低要求碰撞概率的差值，确定无人飞行器的飞行风险。

10、本技术所提供的技术方案中，通过收集试飞机场的有人飞行器的飞行数据，与无人飞行器的飞行数据，进而得到无人飞行器和有人飞行器的空间重叠概率，然后以空间重叠概率来计算最终的碰撞风险。采用该方案所获取的碰撞风险，是利用空间重叠概率所计算得到的。所以，计算的碰撞概率实际上是最大的碰撞概率，本质上而言，就是在不考虑无人飞行器会故意避开有人飞行器而设置的一系列操作或者措施的情况下，所计算到的概率。所以该概率能够很直观的反映出无人飞行器在机场中飞行时，无人飞行器与有人飞行器的碰撞情况，进而能够以此为依据在各机场中大规模的推动无人飞行器的运用，增加机场附近良好的低空空域的利用率。

11、无论是有人飞行器还是无人飞行器，在飞行时都存在大量的飞行数据，这些飞行数据会记录飞行器在飞行时的经纬度、飞行的速率，以及飞行时的时间。以此可以绘制出飞行器的飞行轨迹。但是现有的飞行数据中记录的飞行轨迹，都是将飞行器作为一个在空间中的点；进而，以这类飞行数据来预测有人飞行器与无人飞行器的碰撞概率，实际上只能够在有人飞行器与无人飞行器的路径在相交时，才会认为两者会发生碰撞，忽略了两者之间在体积上的影响，进而导致了碰撞概率预测不准确，使得碰撞概率没有参考价值。

12、进一步的，步骤1包括如下步骤：

13、步骤11：获取无人飞行器的平均尺寸与有人飞行器的平均尺寸，其中无人飞行器的平均尺寸为x1、y1、z1，其中x1、y1、z1分别为无人飞行器的平均长度、平均宽度，以及平均高度，且x1≥y1；

14、有人飞行器的平均尺寸为x2、y2、z2，其中x2、y2、z2分别为无人飞行器的平均长度、平均宽度，以及平均高度，且x2≥y2；

15、步骤12：根据无人飞行器的平均尺寸计算出第一碰撞模板的尺寸，其中第一碰撞模块的尺寸为直径为2x1、高为2z1的圆柱状结构；

16、根据有人飞行器的平均尺寸计算出第二碰撞模板的尺寸，其中第二碰撞模块的尺寸为直径为2x2、高为2z2的圆柱状结构；

17、步骤13：收集试飞机场的无人飞行器的第一飞行数据和有人飞行器的第二飞行数据，第一飞行数据包括无人飞行器的飞行轨迹、无人飞行器在对应位置的时间和速率；第二飞行数据包括有人飞行器的飞行轨迹、有人飞行器在对应位置的时间和速率；

18、将无人飞行器的最大飞行范围与有人飞行器的最大飞行范围相互重合的部分设置为冲突空域；

19、步骤14：将第一碰撞模板加入到第一飞行数据中，替换第一飞行数据中用单个的点来描述的无人飞行器；

20、将第二碰撞模板加入到第二飞行数据中，替换第二飞行数据中用单个的点来描述的有人飞行器；

21、步骤15：根据无人飞行器的飞行数据得到无人飞行器在冲突空域的第一分布数据，第一分布数据包括无人飞行器在各单元空间出现的次数、出现的时间，以及出现时的飞行速率；

22、根据有人飞行器的飞行数据得到有人飞行器在冲突空域的第二分布数据，第二分布数据包括有人飞行器在各单元空间出现的次数、出现的时间，以及出现时的飞行速率。

23、本技术所提供的技术方案中，针对数据量过于庞大的问题，对空域进行简化，机场上方或者说机场附近的空域，简化成了有人飞行器和无人飞行器会存在交叉的空域。如此，极大地减少了需要考虑的空域范围。然后，为了增加有人飞行器和无人飞行器碰撞概率预测的精度，设置了对应的模板体积，在现有的坐标描述方式中，将有人飞行器和无人飞行器都作为一个简单的质点来描述的方式，替换成了对应的第一碰撞模板和第二碰撞模板，如此保证了对于有人飞行器与无人飞行器预测的精度。

24、目前的风险目标都是基于无人飞行器自身的碰撞，或者有人无飞行器的碰撞所设置的。对于有人飞行器和无人飞行器发生碰撞时，所需要遵守的风险目标尚不明确。为此，如何寻找到通用的风险目标，以在风险评估时，获得更大的优势，本技术提供了如下技术方案：

25、进一步的，步骤2：获取无人飞行器在机场的邻近空域飞行的最低要求碰撞概率m；m=g×h，其中，m为最低要求碰撞概率，g为通用航空事故率，h为航空器碰撞率占比。

26、本技术所提供的技术方案中，通过统计我国有人飞行器在通用航空与商业航空中的平均事故率与航空器碰撞率在事故率中的占比，通过将平均事故率与航空器碰撞率占比做乘积，通用航空以万时率为单位做换算，商业航空以百万小时碰撞次数做换算，得出无人飞行器在通用航空与商业航空中的等效目标安全水平，所以最终得出来的风险依据更加适应我国的通用航空的情况，用于风险评估时，具有更大的优势。

27、进一步的，步骤3包括如下步骤：

28、步骤31：根据第一分布数据，对无人飞行器在冲突空域的垂直方向上的飞行高度数据进行统计，进而拟合出无人飞行器垂直方向的概率密度函数f（h）：

29、；

30、其中，f（h）一共包含k组公式，k为无人飞行器高斯分布的第k段，h为无人飞行器的高度；μ1'为第1段高斯分布的平均值，μ2'为第2段高斯分布的平均值，μk'为第k段高斯分布的平均值；δ1'为第1段高斯分布的标准差，δ2'为第2段高斯分布的标准差，δk'为第k段高斯分布的标准差，e为自然常数；

31、步骤32：根据第一分布数据，拟合出无人飞行器水平方向的概率密度函数f(x,y）：

32、，

33、其中，x，y分别为无人飞行器的横坐标和纵坐标，其中横坐标和纵坐标为剔除了高度数据的坐标；μx,μy分别为横向、纵向的平均值；δx、δy为无人飞行器横向、纵向轨迹分布的标准差;ρ为x，y的相关系数，ρ一般在-1与+1之间震荡，若ρ为0，代表x与y不相关或者独立，若两个参数完全独立，那么数学上有一个等价原则，f(x,y)=f(x)f(y),可以简化计算。

34、进一步的，步骤3还包括如下步骤：

35、步骤33：根据第二分布数据，对有人飞行器在冲突空域的垂直方向上的飞行高度数据进行统计，拟合出有人飞行器垂直方向的概率密度函数f（q）；

36、；

37、q为有人飞行器的飞行高度；μ1为有人飞行器飞行高度的平均值；δ1为有人飞行器飞行高度分布的标准差；

38、步骤34：根据第二分布数据，拟合出有人飞行器的水平方向的概率密度函数g（s）：

39、，

40、其中，s为有人飞行器水平轨迹的纵坐标；μg为平均值；μg为有人飞行器沿标称航迹纵向分布的标准差，δg是有人机水平轨迹纵坐标的标准差。

41、进一步的，步骤4包括如下步骤：

42、步骤41：计算无人飞行器和有人飞行器在垂直方向上的重合概率pv；，h∈[h0,h1]，q∈[h0,h1]；q和h均为pv的自变量，q为有人飞行器的高度，h为无人飞行器的高度，h0为有人飞行器和无人飞行器飞行高度的下限，h1为有人飞行器和无人飞行器飞行高度的上限；

43、步骤42：计算无人飞行器和有人飞行器在水平方向上的重合概率ph；；

44、x0为无人飞行器飞入冲突空域的横坐标，xe为有人飞行器飞离冲突空域的横坐标，ymax为无人飞行器在纵坐标方向分布的最大值；ymin为无人飞行器在纵坐标方向分布的最小值；g（s）为有人飞行器在冲突空域内水平方向的概率密度函数，s∈[ymax，ymin]；f（x，y）为无人飞行器在冲突空域内水平方向的二维联合概率密度函数；

45、步骤43：根据pv和ph计算有人飞行器和无人飞行器的碰撞概率p，p=nλpvph；其中n和λ均为超参数。

46、进一步的，步骤5包括如下步骤：

47、步骤51：预先设置风险等级，并给不同的风险等级设置概率差值；

48、步骤52：计算有人飞行器和无人飞行器的碰撞概率p与最低要求碰撞概率m的差值w，根据w计算无人飞行器与有人飞行器碰撞的风险等级。

49、本技术的有益效果在于：

50、本技术所提供的技术方案中，相比较于现有的技术中从无人机的飞行轨迹、飞行速率，以及飞行时各设备所搭载的避障设备来从多元化的方式来考虑飞机的碰撞概率，而是突出的采用了概率密度函数的方式来描述碰撞概率，所以相比较于考虑飞行轨迹、飞行速率，以及碰撞设备的方案中，本方案中可以考虑更小的数据量，进而可以将盈余出来的计算量，用于计入有人飞行器和无人飞行器的碰撞模板，进而保证了碰撞概率预测的准确性。