基于网格化的低空飞行管理系统

本发明属于空管技术领域，尤其涉及一种基于网格化的低空飞行管理方法及其系统。

续推进空管体制改革，完善军民航空管联合运行机制，实施空域资源分类精细化管理，优化全国航路航线网，深化低空空域管理改革。

低空空域资源的开发将是我国交通运输发展的新方向，拥有着广阔的市场前景。但是目前的低空飞行管理系统，无法有效对多架无人机同时飞行的情况进行有效监管，当在飞无人机较多时，其路径分配是否合理，空间资源是否得到合理利用，都无法进行验证和规划。

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于网格化的低空飞行管理系统，提高飞行安全性，提升管理效率。

本发明通过以下方式实现：

一种基于网格化的低空飞行管理系统，其特征在于，包括客户端、管理端、仿真端和服务端；

所述客户端用于无人机及用户信息注册、飞行申请、航路申请，并将注册信息、飞行申请信息和航路申请信息发送到管理端进行审批；

所述管理端用于接收客户端用户信息注册、飞行申请、航路申请的请求并进行审批；对无人机飞行情况进行可视化管理和监控；

所述仿真端用于接收航路申请信息并在管理端进行模拟飞行；判断无人机飞行路径是否存在冲突，如果存在冲突，则驳回飞行申请或进行路线重新规划；

所述服务端用于路线重新规划形成新航线并将规划结果返回管理端，管理端接受新航线并推送到客户端；

所述管理端可视化管理基于三维地理信息系统，将管理空域划分成若干连续的立体空间网格；每个网格具有不同的网格特征；所述网格特征包括网格长度、宽度和高度；所述立体空间网格根据无人机类型自下向上划分为若干个高度层，每个高度层具有不同的网格特征，

进一步的，所述飞行申请信息包括但不限于无人机信息和飞行任务信息；

所述无人机及用户注册信息包括但不限于无人机的生产厂家信息、型号、参数信息、驾驶员的资格信息、联系信息；

所述飞行任务信息审批包括但不限于飞行任务类型、飞行时长、飞行路径、起飞地点、降落地点、起飞时间、降落时间、飞行距离。

进一步的，所述仿真端通过以下方式判断是否存在冲突，获取申请飞行的无人机预计飞行路径后，将预计飞行的路径与网格空间进行重叠，统计飞行路径覆盖的网格；然后依据覆盖的网格数量和飞行的预计时段，推算出无人机占用该网格的时间段，并对该网格标记时间属性；检测是否与其他无人机预计飞行的路径存在重复的网格；如果存在重复网格，判断经过同一网格的多架无人机的预计到达时间之间的差值是否大于第一阈值；如果小于或等于第一阈值，则进行路径重新规划。

进一步的，所述服务端通过以下方式进行航路重新规划，在所在高度层形成一水平剖面，网格端点在水平剖面的投影形成若干节点，并将相邻节点通过连结线两两连接形成数字航图；在重复网格周围形成一半径为R的冲突圈，将与冲突圈有重叠的节点和连线标记为不可用；以申请飞行的无人机为第一无人机，以第一无人机预计飞行路径飞行方向上与冲突圈第一个相交点为第一起点，与冲突圈第二个相交点为第一终点，以路径发生冲突的无人机为第二无人机，计算起点与终点最短距离的连结线作为重新规划的路径进行绕飞；第一起点搜索距离最近的四个节点，分别比较各个节点到终点的距离；以距离最短的节点为第一节点，之后分别搜索与第一节点有连线连结的节点，分别比较各个节点到终点的距离，以最短的节点为第二节点，以此类推，直到该节点与终点距离最短为止；以相邻节点的最短连结线的集合作为重新规划的绕飞路径。

进一步的，以第二无人机的预计飞行路径在飞行方向上与冲突圈的第一个相交点为第一判断点；以第二无人机的预计飞行路径在飞行方向上与冲突圈的第二个相交点为第二判断点；判断绕飞路径与第二无人机的预计飞行路径是否存在相交点，如存在一个以上相交点，则判断该绕飞路径无效，原来的第一节点标记为不可用，从新选取第一节点；并重新进行绕飞路径规划；如果仅存在一个相交点，则比较第一判断点到相交点的距离是否小于第二判断点到相交点的距离，如果是，则判定该绕飞路径有效；如果否，则判断该绕飞路径无效，原来的第一节点标记为不可用，从新选取第一节点；并重新进行绕飞路径规划。

本发明提供的基于网格化的低空飞行管理系统有以下有益效果

1.在客户端注册无人机信息，通过管理端审批，仿真端验证，对申请飞行的航路进行判断，如果与其他路径有冲突，则会进行重新规划，并将重新规划的路径返回给客户端，让客户端的无人机按规划路径进行飞行，从而确保飞行安全。

2.系统通过网格化空间划分，可以在无人机飞行时通过网格标记航线，从而为管理者提供直观的可视化管理，从而可以监控无人机是否按航线飞行。

图1为本系统结构示意图；

图2为立体空间网格可视化示意图；

图3为预演判断示意图；

图4为路径重新规划示意图。

一种基于网格化的低空飞行管理系统，包括客户端、管理端、仿真端和服务端；

所述客户端用于无人机及用户信息注册、飞行申请、航路申请，并将注册信息、飞行申请信息和航路申请信息发送到管理端进行审批；

所述管理端用于接收客户端用户信息注册、飞行申请、航路申请的请求并进行审批；对无人机飞行情况进行可视化管理和监控；

所述仿真端用于接收航路申请信息并在管理端进行模拟飞行；判断无人机飞行路径是否存在冲突，如果存在冲突，则驳回飞行申请或进行路线重新规划；

所述服务端用于路线重新规划形成新航线并将规划结果返回管理端，管理端接受新航线并推送到客户端；

所述管理端可视化管理基于三维地理信息系统，将管理空域划分成若干连续的立体空间网格；每个网格具有不同的网格特征；所述网格特征包括网格长度、宽度和高度；所述立体空间网格根据无人机类型自下向上划分为若干个高度层，每个高度层具有不同的网格特征。

进一步的，所述飞行申请信息包括但不限于无人机信息和飞行任务信息；

所述无人机及用户注册信息包括但不限于无人机的生产厂家信息、型号、参数信息、驾驶员的资格信息、联系信息；

所述飞行申请、航路申请的信息包括但不限于飞行任务类型、飞行时长、预计飞行路径、起飞地点、降落地点、起飞时间、降落时间、飞行距离。

使用时，用户通过客户端进行无人机及用户信息注册、飞行申请、航路申请，并将注册信息、飞行申请信息和航路申请信息；无人机及用户信息注册可以包括无人机生产商、型号、航速、续航能力、序列号等信息，用户信息包括飞行驾驶员信息、驾驶证证号、个人实名信息等进行登记，管理端对登记信息进行核准，管理端可以事先与生产厂家进行对接，厂家将无人机的信息直接接入管理端数据库，管理端在用户填写无人机信息时，直接调用对应厂家无人机数据供客户端选择；优选的，无人机厂家将每个无人机销售对象的信息与管理端对接，在管理端形成备案，管理端将客户端填写的使用者信息与无人机销售对象信息进行匹配，当二者信息不一致时，管理端在审查时可以予以提出补正授权说明、修改信息或驳回申请等处理。通过该方式，可以明确无人机责任人，明确无人机驾驶者对无人机的使用具有合法性。

网格的长宽高可以依据无人机的类型进行设置，由网格的长宽高（即经度的差值、纬度的差值和高程的差值）可以限定每个网格包含的空间范围，从而在获取无人机飞行路径各位置点的经度、纬度和高程信息后，可以与对应网格匹配并将网格进行颜标记。

可以根据高度层进行划分，如小型无人机，飞行高度一般控制在120米内，则在可视化管理时，120米内的空间网格可以根据适合小型无人机的长度、宽度和高度来设置；如中型无人机，飞行高度控制在120-300米的空域，则该空域可以根据适合中型无人机的长度、宽度和高度来设置。

所述仿真端通过获取预计飞行路径的经纬度和高程，与其他已经申报完成的无人机预计飞行路径进行比较，从而实现飞行路径冲突评估。

无人机飞行时，管理端通过无人机开放的数据端口，实时获得无人机的飞行数据，如经纬度、高程、时速、航向角等，之后根据无人机的实时数据，查无人机位置所对应的网格，并将网格进行第一颜标记，从而形成无人机的实时飞行路径；同时管理端可以将无人机预计飞行的路径，在对应的空间网格上进行第二颜的标记，通过两种颜的区分，即可以在可视化管理中，直观查看到无人机是否按原定路线飞行。

进一步的，可以以安全距离L为半径，以飞行路径为轴形成飞行安全通道；将安全通道与网格化立体空间叠加；将与飞行安全通道重叠的网格进行第三颜标记，其中安全距离L可根据第一无人机机型不同进行设置。

在可视化管理中，可以直观查看该第一无人机的安全距离，当有其他无人机接近安全通道时，视为可能引发危险，系统及时发出预警。

进一步的，所述仿真端通过以下方式判断是否存在冲突，获取申请飞行的无人机预计飞行路径后，将预计飞行的路径与网格空间进行重叠，统计飞行路径覆盖的网格；然后依据覆盖的网格数量和飞行的预计时段，推算出无人机占用该网格的时间段，并对该网格标记时间属性；检测是否与其他无人机预计飞行的路径存在重复的网格；如果存在重复网格，判断经过同一网格的多架无人机的预计到达时间之间的差值是否大于第一阈值；如果小于或等于第一阈值，则进行路径重新规划。

进一步的，所述服务端通过以下方式进行航路重新规划，在所在高度层形成一水平剖面，网格端点在水平剖面的投影形成若干节点，并将相邻节点通过连结线两两连接形成数字航图；在重复网格周围形成一半径为R的冲突圈，将与冲突圈有重叠的节点和连线标记为不可用；以申请飞行的无人机为第一无人机，以第一无人机预计飞行路径飞行方向上与冲突圈第一个相交点为第一起点，与冲突圈第二个相交点为第一终点，以路径发生冲突的无人机为第二无人机，计算起点与终点最短距离的连结线作为重新规划的路径进行绕飞；第一起点搜索距离最近的四个节点，分别比较各个节点到终点的距离；以距离最短的节点为第一节点，之后分别搜索与第一节点有连线连结的节点，分别比较各个节点到终点的距离，以最短的节点为第二节点，以此类推，直到该节点与终点距离最短为止；以相邻节点的最短连结线的集合作为重新规划的绕飞路径。

进一步的，以第二无人机的预计飞行路径在飞行方向上与冲突圈的第一个相交点为第一判断点；以第二无人机的预计飞行路径在飞行方向上与冲突圈的第二个相交点为第二判断点；判断绕飞路径与第二无人机的预计飞行路径是否存在相交点，如存在一个以上相交点，则判断该绕飞路径无效，原来的第一节点标记为不可用，从新选取第一节点；并重新进行绕飞路径规划；如果仅存在一个相交点，则比较第一判断点到相交点的距离是否小于第二判断点到相交点的距离，如果是，则判定该绕飞路径有效；如果否，则判断该绕飞路径无效，原来的第一节点标记为不可用，从新选取第一节点；并重新进行绕飞路径规划。

如图所示，如无人机Q预计从m点至n点，根据其平均速度（其平均速度可以根据各无人机的历史飞行数据获得）；可以评估出无人机Q经过每个网格的时刻T1-Tn，则可以为无人机Q预计经过的每个网格赋予时间属性，有其他无人机在相同时间段也会经过同一网格或者到达的时间差超过第一阈值，则判断其可以安全通过。

第一阈值可以根据无人机类型、飞行速度等因素进行设置。

具体的，以所在高度层形成一水平剖面，网格端点在水平剖面的投影形成若干节点1，并将相邻节点通过连结线2两两连接形成一航路底图；存在第一无人机预计飞行路径R1和第二无人机的预计飞行路径R2，两个路径相交，划定冲突圈A，冲突圈覆盖的连结线和节点为不可用，其中R1与冲突圈的第一交点R1a为起点，第二交点R1b为终点；第一判断点R2a，第二判断点R2b；R1a寻距离最近的节点e5、f5、f6、d5；分别比较e5、f5、f6、d5到R1b的距离，其中f6为与R1b间距离最短的点，则选取f6为第一节点，之后f6再搜索所有与其有连结的节点e5、f5、g5、g6、g7、f7，并一一比较到R1b的距离，依次类推，最终可以选出绕飞路径为R1a-f6-f7-e8-d8，将从新规划的绕飞路径进行检测，发现与R2存在交点B且LB-R2b的距离小于LB-R2a的距离，因此判断该路径无效，则f6判定为不可用，R1a重新选择第一节点；经上述步骤，重新认定的第一节点为e5，之后重新选定的路径为e5-c6-c7-d8，该路径与R2存在交点C，且LC-R2b＞LC-R2a因此，该绕飞路径判断有效，按该路径绕飞后回到原预计飞行路线并继续完成飞行。

其中冲突圈半径R可以根据实际情况进行设置，如无人机安全距离等。