本发明涉及低空飞行安全，具体而言，涉及一种基于运动轨迹预测的低空非合作目标飞行冲突预警方法。
背景技术：
1、随着低空经济的快速发展，以无人机为代表的低空飞行器数量急剧增长，其中，非合作目标（如未经授权的“黑飞”无人机）对空中交通构成了严重的安全威胁，被称为“空中移动暗礁”。尤其在诸如高原等复杂地形条件下，低空环境呈现出地形遮挡严重、气象条件多变、电磁环境复杂等特点，这使得对非合作目标的飞行冲突预警面临巨大挑战。
2、在现有的低空飞行冲突预警技术中，对非合作目标的轨迹预测是核心环节。当前，主流方法多采用循环神经网络（rnn）来处理非合作目标的轨迹时间序列数据。然而，rnn及其变体在处理较长的时间序列时，存在固有缺陷：当序列较长时，网络在反向传播过程中极易出现梯度消失或梯度爆炸问题，导致网络丧失了学习远距离历史轨迹信息的能力，无法充分挖掘和利用轨迹的上下文信息，从而造成轨迹预测精度不高。轨迹预测作为预警的基础，其精度不足将直接影响到后续冲突判断的可靠性。
3、进一步地，非合作目标本身具有机动性强、运动意图随机、轨迹不确定性高的特点。传统的确定性轨迹预测方法（即仅输出一条最可能的预测轨迹）难以准确刻画其真实的飞行影响范围。若仅依据单一的、确定性的轨迹预测结果进行冲突判断，极易导致对潜在飞行冲突的漏报（未能识别出真实风险）或虚警（错误地报告了不存在的风险），无法满足实际安全监控的需求。
4、此外，现有的预警方法通常缺乏针对高机动性非合作目标的动态迭代预测机制。这意味着系统无法根据目标实时更新的运动状态来动态修正和更新轨迹预测值，导致预警的提前量不足，难以为空中交通管制员或周边的合作式飞行器预留充足的冲突规避决策时间。特别是在高原复杂地形下，这一问题会更加突出，难以满足该场景下对低空交通安全防控的迫切要求。
5、目前虽有将轨迹预测与冲突判断相结合的尝试，但尚未形成一套专门针对高机动非合作目标、能适配高原复杂低空环境的、集轨迹预测与冲突预警于一体的完整方法。现有技术在轨迹预测精度、冲突预警的准确性以及预警时效性等方面均存在明显的技术短板，亟需一种更为高效、精准的低空飞行冲突预警方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于：针对目前存在的上述问题，提供了一种基于运动轨迹预测的低空非合作目标飞行冲突预警方法，通过改进的长短期记忆循环神经网络实现非合作目标轨迹的精准预测，结合三维概率可达集完成飞行冲突的科学判断，实现对高机动非合作目标的迭代轨迹预测与滚动冲突预警，提升高原复杂地形下低空非合作目标飞行冲突预警的准确率和提前量，为低空交通安全防控提供可靠的技术支撑。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种基于运动轨迹预测的低空非合作目标飞行冲突预警方法，包括以下步骤：
4、获取非合作目标的实时轨迹数据，并对实时轨迹数据进行特征提取与向量化处理，得到轨迹特征向量序列；
5、将轨迹特征向量序列输入至预训练的多隐层长短期记忆循环神经网络lstm中，通过多隐层长短期记忆循环神经网络lstm输出非合作目标在未来预设时段的轨迹预测向量序列及对应的轨迹状态预测概率分布；
6、基于轨迹状态预测概率分布，结合非合作目标的飞行动力学模型，构建表征非合作目标飞行影响范围的三维概率可达集；
7、获取合作式飞行器的预定飞行路线及三维飞行保护区，对三维概率可达集与三维飞行保护区进行空间几何相交分析，若相交概率大于预设的安全概率阈值，则判定存在飞行冲突风险；
8、通过预设的滑动时间窗口对非合作目标的轨迹数据进行实时滚动更新，并基于更新后的轨迹数据迭代执行轨迹预测及冲突判断，实现对非合作目标的滚动冲突预警。
9、通过将改进的多隐层长短期记忆循环神经网络lstm、概率化的冲突判断机制和动态迭代预警机制进行有机整合，本方法在提升轨迹预测精度的基础上，将预测结果转化为可量化的冲突风险判断，并结合实时更新的滚动机制，有效解决了现有技术中预测精度低、漏报虚警率高、预警提前量不足的综合性技术问题，为低空非合作目标的飞行安全监控提供了一套完整、可靠的技术方案。
10、进一步的，所述多隐层长短期记忆循环神经网络lstm中的每一个lstm单元均包括遗忘门、输入门和输出门三级门控结构，以及一个具有动态权重自循环机制的细胞状态；lstm单元的内部运算逻辑如下：
11、遗忘门：，控制上一时刻细胞状态信息保留比例；
12、输入门：，生成候选细胞状态，控制新信息融入比例；
13、细胞状态更新：，实现轨迹信息跨时刻线性传递；
14、输出门：，隐层输出，筛选细胞状态有效信息输出；
15、其中，为当前时刻输入的轨迹特征向量，为上一时刻的隐层状态输出，为当前时刻的隐层状态输出，为上一时刻的细胞状态，为当前时刻更新后的细胞状态，为当前时刻的候选细胞状态，为遗忘门的门控激活值，为输入门的门控激活值，为输出门的门控激活值，为遗忘门对应的权重矩阵，为输入门对应的权重矩阵，为候选细胞状态对应的权重，为输出门对应的权重矩阵，为遗忘门对应的偏置项，为输入门对应的偏置项，为候选细胞状态对应的偏置项，为输出门对应的偏置项，为sigmoid激活函数，用于将门控值映射至区间，为双曲正切激活函数，用于生成候选细胞状态及隐层输出，为逐元素相乘，为将上一时刻隐层输出与当前时刻输入向量进行拼接。
16、通过引入三级门控结构和细胞状态的线性加和更新机制，使网络具备了选择性地保留或遗忘历史信息的能力，从根本上解决了rnn在处理长时间序列时梯度消失/膨胀的固有缺陷。这使得多隐层长短期记忆循环神经网络lstm能够充分挖掘非合作目标历史轨迹中的远距离上下文信息，显著提升了对高机动性目标的轨迹预测精度，为后续冲突判断提供了可靠的数据基础。
17、进一步的，所述多隐层长短期记忆循环神经网络lstm在训练过程中，采用结合了梯度裁剪与梯度平滑机制的时间反向传播bptt算法进行参数更新；梯度裁剪用于将超过预设阈值的梯度进行等比例缩放；梯度平滑机制通过对相邻时刻的梯度进行加权平均以缓解梯度衰减，其中将距离当前时刻最近的时刻记为第一时刻，距离当前时刻最远的时刻记为第二时刻；第一时刻的梯度权重系数大于所述第二时刻的梯度权重系数。
18、进一步的，所述梯度裁剪的预设阈值为1.0；梯度平滑的权重系数按时间衰减，第一时刻权重为0.8，第二时刻权重为0.2。
19、梯度裁剪机制通过限制梯度幅值，避免了训练过程中因梯度过大导致的参数震荡；梯度平滑机制通过对相邻时刻梯度进行加权平均，缓解了梯度沿时间维度反向传播时的衰减问题。两者协同作用，确保在多隐层、复杂轨迹样本条件下，网络能够稳定收敛至最优参数，充分学习轨迹特征，进一步提升模型在高原复杂环境下的预测泛化能力和精度。
20、进一步的，所述三维概率可达集是基于齐诺多面体构建的，具体包括：根据非合作目标的飞行动力学模型，为其控制变量设定高原环境下的动态约束范围；根据轨迹状态预测概率分布，导出非合作目标在未来时段内所有可能的飞行状态集合，并将其转化为由齐诺多面体表征的三维概率可达集。
21、进一步的，所述空间几何相交分析包括：采用三维空间几何相交算法，计算三维概率可达集与合作式飞行器的三维飞行保护区的相交区域，并根据三维概率可达集的概率分布，确定相交区域的冲突概率。
22、通过齐诺多面体将非合作目标的概率化轨迹预测结果转化为三维空间中的三维概率可达集，量化表征了其不确定的飞行影响范围，比传统确定性轨迹点更贴合非合作目标的真实运动特征。同时，将合作式飞行器的三维飞行保护区纳入空间相交分析，能够更全面地识别潜在冲突风险。两者结合，有效降低了因目标机动随机性导致的冲突预警漏报率和虚警率，提升了冲突判断的准确性。
23、进一步的，所述预设的安全概率阈值是动态调整的，根据非合作目标当前所处的地理场景进行设置：在开阔区域采用第一阈值，在山区或峡谷等高危区域采用低于第一阈值的第二阈值。
24、进一步的，第一阈值为8%，第二阈值为3%。
25、通过针对不同高原场景（如山区、峡谷、开阔坝区）动态调整冲突判断的安全阈值，使预警系统能够适配复杂地形下的实际风险等级。在高危区域采用更严格的阈值（3%），能够更早发现潜在风险，弥补了地形遮挡、气候多变等环境因素带来的安全隐患；在开阔区域采用相对宽松的阈值（8%），避免了过度预警。这种差异化配置提升了本方法在高原复杂低空环境下的实用性和适配性。
26、进一步的，所述滑动时间窗口的窗口长度等于未来预设时段，滑动步长小于窗口长度；通过滑动时间窗口对轨迹数据进行滚动更新时，剔除窗口内最早时刻的轨迹数据，并融入最新采集的轨迹数据，确保窗口内数据始终反映非合作目标的最新运动状态。
27、进一步的，所述未来预设时段为30秒，滑动时间窗口的窗口长度为30秒，滑动步长为1秒；滚动冲突预警的更新频率为每秒一次。
28、通过设置窗口长度=预测时段（30秒），确保了每次预警均具备30秒的提前量，为管制员和合作式飞行器预留了充足的冲突规避决策时间。通过1秒的滑动步长和每秒一次的预警更新频率，实现了对非合作目标运动状态的快速捕捉和连续追踪，确保系统能够及时响应目标的突发机动，使预警信息始终保持时效性和准确性，有效解决了传统方法预警更新慢、无法跟踪动态变化的问题。
29、与现有的技术相比本发明的有益效果是：
30、1、在冲突预警的准确性与可靠性方面，本发明摒弃了传统单一的确定性轨迹预测结果进行冲突判断的模式，创新性地将轨迹预测结果转化为三维空间的三维概率可达集。通过引入齐诺多面体量化表征非合作目标的不确定飞行影响范围，并结合合作式飞行器的三维飞行保护区进行空间几何相交分析，能够更科学、更真实地反映非合作目标的潜在运动空间。同时，通过动态调整高原场景下的安全概率阈值，有效降低了因目标机动性高、意图随机而导致的飞行冲突预警的漏报率和虚警率，显著提升了预警系统的可靠性。
31、2、在预警的实时性与时效性方面，本发明通过构建高频率的滑动时间窗口（如窗口长度30秒、滑动步长1秒），实现了对非合作目标轨迹的实时滚动更新、迭代轨迹预测以及冲突风险的动态评估。这种动态迭代机制确保了系统能够根据目标最新的运动状态即时修正预测结果和预警等级，为管制员和合作式飞行器提供了充足的冲突规避决策时间，解决了现有技术预警提前量不足、无法有效应对突发机动的技术难题。
32、3、在环境适配性与系统通用性方面，本发明充分考虑了高原复杂地形（如地形遮挡、气候多变）对低空飞行安全的影响。通过在特征提取阶段嵌入高原环境特征注意力模块，并在冲突判断阶段引入动态安全概率阈值，使本方法能够良好适配高原等复杂环境下的低空交通运行需求。此外，本方法的核心算法模块化程度高，不依赖于特定探测设备，易于与现有低空监控系统集成，并可适用于无人机、不明飞行物等多种类型的非合作目标，具有良好的推广应用价值。