一种基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法

1.本发明属于基于地球空间信息剖分组织的空域管理技术领域，特别涉及一种基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法。


背景技术：

2.低空空域的态势图构建问题是空域任务规划、航线导航、飞行调度、流量管控等实际应用的基础。空域划分的原因是出于安全性考虑需要管制员进行分区管理，考虑到多种现实约束后以机器学习相关算法实现扇区优化。空域的管控在军事角度具有重大意义，军事上通过态势感知、态势评估明晰战场情况从而辅助作战决策，而对于智能化高度发展而产生的无人系统、联合多维作战等，需要从空域态势、管控、规划等多方面进行技术革新。在航管系统中，空域通常是立体的三维图形，采用平面区域加底高、顶高的形式表达，而平面区域又分为圆形、多边形、扇形、椭圆形和长方形五种几何形状表示，同时，空域中还存在临时区域或移动区域。通过对空域划分方法和空域建模现状调研了解到，当前动态低空空域态势图构建方法主要存在以下不足：空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大。
3.动态低空空域划分缺乏统一性和完整性。低空空域对于通用航空以及无人机的发展有着巨大的需求。如何在低空空域建立一套包含空域信息的空域规划模型是当前研究的基本问题，统一性体现在该模型可适用于全球范围内的动态低空空域，完整性体现在包含全面的动态低空地面和空域的数据信息，并且可以在未来根据具体应用需求和国家相关政策进行功能性拓展和技术性提升。
4.低空空域难以做到实时规划，人为工作量大。在现有的空域管理系统中，人工的管制占有极其重要的地位，比如在路径规划方面，航路规划作为低空空域使用的重点之一，最重要的是保证飞行安全性，即飞行器间不发生碰撞，在为每个飞行器预设了航路以后，还需要人为的实时监控飞行器的位置和状态，并且人工判别并协调飞行器间的交错状态，避免发生冲突。而在开放低空空域发展的大背景下，低空空域将面对大量的飞行器涌入，以及日益增多的飞行任务需求，通过人工管制和协调将导致管制人员的工作量急速增大且降低低空空域的安全性，亟待引入一套自动化或半自动化的动态低空空域智能态势图辅助管制员进行管理和决策。
5.动态低空空域态势图构建较为复杂，设计目标数量多且需要实时更新环境与航迹信息，且传统方法无法解决上述空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大等问题。


技术实现要素：

6.本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法，解决动态低空空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大的问题，为实现低空空域态势图网格化建模的动态化和智能化提供技术支撑。
7.根据本公开的一方面，本发明提供一种基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法，所述方法包括：
8.基于立体剖分网格确定飞行器在所述动态低空空域的位置；
9.根据所述飞行器在所述动态低空空域的位置更新所述动态低空空域中立体网格的动态属性；
10.基于立体剖分网格对所述飞行器在所述动态低空空域的动态空域区域进行标识；
11.根据所述动态低空空域中立体网格的动态属性和动态空域区域构建所述动态低空空域态势图。
12.在一种可能的实现方式中，所述基于立体剖分网格确定飞行器在所述动态低空空域的位置，包括：
13.当所述飞行器在所述动态低空空域被视为质点时，将所述飞行器所在的网格编码作为所述飞行器的位置；
14.当所述飞行器在所述动态低空空域被视为缓冲区时，将所述飞行器在其机身长、宽、高方向上的分量长度的延伸作为所述飞行器的位置。
15.在一种可能的实现方式中，所述动态低空空域中立体网格的动态属性包括立体网格占用性、立体网格当前容量和立体网格占用均匀度。
16.在一种可能的实现方式中，所述根据所述飞行器在所述动态低空空域的位置更新所述动态低空空域中立体网格的动态属性，包括：
17.当所述立体网格的动态属性为立体网格占用性时，所述飞行器飞入所述立体网格时，将所述立体网格的动态属性更新为1，且所述立体网格被渲染为警示色，否则，更新为0且所述立体网格被渲染为背景色；
18.当所述立体网格的动态属性为立体网格当前容量时，所述立体网格当前容量更新为所述立体网格当前时刻的飞行器数量；
19.当所述立体网格的动态属性为立体网格占用均匀度时，计算大尺度立体网格的小尺度立体网格的飞行器的平均值，将每个小尺度立体网格当前容量与所述飞行器的平均值的差值进行加和开方，以更新立体网格占用均匀度。
20.在一种可能的实现方式中，所述动态空域区域为具有持续时间且动态移动的区域，包括无人机飞行限定区。
21.在一种可能的实现方式中，所述基于立体剖分网格对所述飞行器在所述动态低空空域的动态空域区域进行标识，包括：
22.当所述动态空域区域为圆形时，利用所述动态空域区域的中心点网格编码和任一个边缘点网格编码进行标识；
23.当所述动态空域区域为矩形时，利用所述动态空域区域的中心点网格编码和相邻两边的中点网格编码进行标识。
24.在一种可能的实现方式中，所述根据所述动态低空空域中立体网格的动态属性和动态空域区域构建所述动态低空空域态势图，包括：
25.p1：初始化所述动态低空空域中立体网格的动态属性均为0，根据由最小尺度立体网格到最大尺度立体网格的所有层级对立体网格进行渲染；
26.p2：提取当前时刻动态低空空域中飞行器所在位置的立体网格，并将所述立体网
格渲染为警示色，且将所述立体网格占用性加1；
27.p3：针对立体网格占用行发生变化的每个立体网格，逐层查找所述立体网格的父网格的网格编码，计算所述父网格的动态属性，当所述父网格当前容量低于预设容量阈值时，所述父网格渲染为背景色，当所述父网格当前容量高于预设容量阈值时，所述父网格渲染为警示色；
28.p4：根据飞行器在所述动态低空空域中的位置，飞行器飞入和飞出立体网格占用性发生改变，执行步骤p3，得到飞行器在动态低空空域态势图
29.本发明的基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法，基于立体剖分网格确定飞行器在所述动态低空空域的位置；根据所述飞行器在所述动态低空空域的位置更新所述动态低空空域中立体网格的动态属性；基于立体剖分网格对所述飞行器在所述动态低空空域的动态空域区域进行标识；根据所述动态低空空域中立体网格的动态属性和动态空域区域构建所述动态低空空域态势图。能够将低空空域以多尺度立体剖分网格统一划分，实现网格与实体的有效结合，解决动态低空空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大的问题，为实现低空空域态势图网格化建模的动态化和智能化提供技术支撑。
附图说明
30.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
31.图1示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法流程图；
32.图2a、2b、2c分别示出根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的空域网格的动态属性的立体网格占用性、立体网格当前容量和立体网格占用均匀度建模示意图；
33.图3a和图3b分别示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域的动态空域区域边缘的网格化表达示意图；
34.图4示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域可视化算法流程图；
35.图5示出了根据本公开另一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域可视化算法流程图。
具体实施方式
36.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
37.另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
38.针对现有的动态低空空域统一一体化管理、通用航空和无人机产业的大力发展、
动态低空空域的安全飞行等需求，提出基于立体剖分网格的动态低空空域网格态势图模型，下面介绍该动态低空空域网格态势图模型的构建方法。
39.图1示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法流程图。如图1所示，该方法空域包括：
40.步骤s1：基于立体剖分网格确定飞行器在所述动态低空空域的位置。
41.其中，立体剖分网格可选取geosot-3d(全球立体剖分参考网格体系)作为空域环境网格化时空建模编码一种方案，以建立时变空域网格的环境，从而建立空域的抽象环境模型。其剖分思想是将经纬度均拓展为512
°×
512
°
的空间，通过等经纬度递归四叉树剖分方法对拓展后的空间进行多尺度的剖分，随后将二维网格编码部分和对应的高度维网格编码部分组成。
42.在动态低空空域中，飞行器是最重要的组成部分之一。飞行器具有大小形态不一、速度可变、运动轨迹多样、实现高度不一等特点，不同的应用方法对飞行器的关注点不同，针对飞行器在动态低空空域态势图中的表达问题，结合空间立体网格将飞行器视为质点和缓冲区两种表达方式。
43.在一示例中，当飞行器在所述动态低空空域被视为质点时，将飞行器所在的网格编码作为所述飞行器的位置；
44.当飞行器在所述动态低空空域被视为缓冲区时，将飞行器在其机身长、宽、高方向上的分量长度的延伸作为所述飞行器的位置。
45.例如，当飞行器在动态低空空域态势图中表达为质点时，将飞行器ac抽象为一个质点point_ac，质点point_ac所在位置为飞行器的物理重心，即飞行器所在位置就是该质点point_ac所在空间立体网格的网格编码code_gd，可便于飞行器位置记录和相应数据存储。
46.当飞行器在动态低空空域态势图中表达为缓冲区时，需要考虑飞行器的机身长和机高等数值，且需根据两个飞行器的速度进行进一步最小间距计算。缓冲区buffer是指飞行器在动态低空空域运动过程中，周围形成的动态低空空间范围，其他飞行器不能进入该区域，否则会造成碰撞危险。缓冲区buffer中，buffer
x
、buffery、bufferz分别是缓冲区在三个方向上的分量长度，lengthx
ac
为飞行器的机身长度，lengthy
ac
为飞行器的机身宽度，lengthz
ac
为飞行器的机身高度，f(v_
ac
)为关于飞行器速度v_
ac
的函数，缓冲区在三个方向上的缓冲区分量长度为飞行器机身在该方向上的长度length与f(v_
ac
)的标量和。
47.由此得到飞行器在动态低空空域态势图中的表达，为动态低空空域统一化管理提供参考。
48.步骤s2：根据飞行器在动态低空空域的位置更新动态低空空域中立体网格的动态属性。
49.其中，动态低空空域中立体网格的动态属性空域包括立体网格占用性、立体网格当前容量和立体网格占用均匀度。
50.动态低空空域态势图主要是针对可以飞行的低空空域部分，以下简称飞行空域af。飞行空域af在进行网格划分后赋予网格编码，每个网格编码gd代表一块特定的空域，以表示某时刻在该立体网格中的飞行器u0，u1，u2……
。基于立体网格可简单判定或计算以实现在该立体网格中的飞行器状态抽象。
51.图2a、2b、2c分别示出根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的空域网格的动态属性的立体网格占用性、立体网格当前容量和立体网格占用均匀度建模示意图。
52.在一示例中，如图2a所示，当立体网格的动态属性为立体网格占用性时，飞行器飞入立体网格时，将立体网格的动态属性更新为1，否则，更新为0。
53.如图2a所示，当空域网格的动态属性为网格占用性时，如果网格中在某一时刻ti存在飞行器，则表明当前网格被占用，在动态态势图表达时该网格用警示色(深色)填充；如果网格中在某一时刻ti不存在飞行器，则表明当前网格未被占用，在动态态势图中用背景色(白色)填充。
54.初始飞行空域af的网格占用性occupation_gd全部为0，表示整个飞行空域af都处于空闲状态。当飞行器进入飞行空域af后，开始执行飞行空域af的实时更新，飞行器进入某个立体网格时，该立体网格占用性occupation_gd更新为1。飞行器离开该网格时，该立体网格占用性occupation_gd更新为0。通过对最小尺度的飞行空域af的立体网格计算其当前网格占用性occupation_gd并实时更新到数据库中，以实现对整个飞行空域af立体网格占用性的实时更新。
55.在一示例中，当立体网格的动态属性为立体网格当前容量时，立体网格当前容量更新为立体网格当前时刻的飞行器数量。
56.网格当前容量表示网格在某一时刻ti存在飞行器的总数，初始飞行空域af的网格当前容量capacity_gd全部为0，表示整个飞行空域没有飞行器。当飞行器进入飞行空域af后，对每个飞行空域af网格中某时刻的飞行器数量相加并更新capacity_gd。飞行空域af为由小尺度立体网格到带尺度立体网格的多尺度立体网格进行表达时，大尺度网格的网格当前容量可以通过小尺度的网格当前容量加合得到。
57.大尺度网格的网格当前容量capacity_gd为大尺度网格包含的所有小尺度网格的网格当前容量capacity_gd累加得到的飞行器总数，预设网格容量阈值i
th
，大尺度网格当前容量capacity_gd不超过网格容量阈值i
th
时为低容量网格，立体网格在可视化时被渲染为背景色；当超过网格容量阈值i
th
时为高容量网格，立体网格在可视化时被渲染为警示色。例如，网格容量阈值i
th
为3，如图2b所示，左上的大尺度网格当前容量capacity_gd＝4，超过网格容量阈值i
th
3，被渲染为警示色，即显示为深色区域，其他网格被渲染为背景色，即显示为白色区域。
58.在一示例中，当立体网格的动态属性为立体网格占用均匀度时，计算大尺度立体网格的小尺度立体网格的飞行器的平均值，将每个小尺度立体网格当前容量与飞行器的平均值的差值进行加和开方，以更新立体网格占用均匀度。
59.网格占用均匀度表示为大尺度网格里的小尺度网格中飞行器的分布情况。当飞行器分布较为平均时，可以理解为小尺度网格具有等价性；当飞行器分布不均匀时，可以提取小尺度网格的当前容量等信息，并抽取符合需求的网格进一步计算，网格占用均匀度较低的网格是计算的对象。计算立体网格占用均匀度时，首先计算大尺度立体网格的小尺度立体网格的飞行器数量的平均值average_gd，再计算每个小尺度网格当前容量capacity_gd与平均值average_gd的差值，最后将得到的差值进行加和开方得到网格占用均匀度balance_gd，如图2c所示。
60.步骤s3：基于立体剖分网格对所述飞行器在所述动态低空空域的动态空域区域进
行标识。
61.其中，动态空域区域为具有持续时间且动态移动的区域，包括无人机飞行限定区。在动态低空空域类型中存在具有规定的持续时间的区域、以及动态移动的区域，称之为动态空域区域。动态空域区域空间位置范围不变，但是具有持续时间的规定，如大多数限制区、临时性禁区等，该类空域的网格化态势表数据组织时需要对持续时间进行标识。
62.图3a和图3b分别示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域的动态空域区域边缘的网格化表达示意图。
63.动态空域区域主要有无人机飞行限定区等，其形态规则，可以通过几何图形函数表达。动态空域的网格表达首先需要确定动态空域的几何形状，然后根据几何形状特点决定需要的信息，如图3a所示，动态空域区域的几何形状为圆形，则需要其中心点网格编码和一个边缘点网格编码即可表达。如图3b所示，动态空域区域的几何形状为矩形，则需要中心点网格编码和相邻两个边的中点的两个边缘点网格编码表达。
64.步骤s4：根据动态低空空域中立体网格的动态属性和动态空域区域构建动态低空空域态势图。
65.动态低空空域态势的可视化是将飞行空域af的占用状况以及其中飞行器的飞行状况以态势图的形式展现给用户。每个ti时刻都需要依次更新一遍飞行空域中所有网格的动态属性，更新顺序为网格占用性、网格当前容量与网格占用均匀度。为了在满足用户对态势图的直观感知的同时，保证实时计算效率并减少渲染次数，需要在大尺度中隐藏部分细节信息，如每个飞行器所在具体位置、移动方向等，通过网格当前容量和网格占用均匀性等统计信息在大尺度网格下网格占用和变化情况。
66.图4和图5分别示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域可视化算法流程图。如图4和图5所示，步骤s4可以进一步包括：
67.p1：初始化所述动态低空空域中立体网格的动态属性均为0，根据由最小尺度立体网格到最大尺度立体网格的所有层级对立体网格进行渲染。初始化时，将动态低空空域中的每个网格的网格占用性occupation_gd、网格当前容量capacity_gd、网格占用均匀度capacity_gd均置为0。立体网格可以被渲染为警示色和背景色，其中，警示色可以为红色、灰色、深色等，在此不做限定，背景色可以为不同于警示色的其它颜色，优选为白色。
68.p2：提取当前时刻动态低空空域中飞行器所在位置的立体网格，并将所述立体网格渲染为警示色，且将立体网格占用性occupation_gd加1。
69.p3：针对立体网格占用行发生变化的每个立体网格，逐层查找所述立体网格的父网格的网格编码，计算所述父网格的动态属性(父网格占用性occupation_gd、父网格当前容量capacity_gd、父网格占用均匀度capacity_gd)，当父网格当前容量capacity_gd低于，预设网格容量阈值i
th
时，父网格渲染为背景色，当父网格当前容量capacity_gd高于网格容量阈值i
th
时，父网格渲染为警示色。
70.p4：根据飞行器在动态低空空域中的位置，飞行器飞入和飞出立体网格占用性发生改变，执行步骤p3，得到飞行器在动态低空空域态势图。例如，当飞行空域af中某个网格的网格占用性occupation_gd改变时，则触发飞行器进入网格和离开网格的网格占用性occupation_gd重新计算，并且逐层级更新父网格当前容量capacity_gd、父网格占用均匀度capacity_gd，重复步骤p3，即可得到飞行器在动态低空空域态势图。
71.除了飞行空域af网格根据飞行器位置偏移发生颜色变化，以及根据统计信息改变大尺度网格的颜色，动态态势图还可以根据实际任务场景和需求显示更多信息。
72.通过采用上述步骤，能够将低空空域以多尺度立体剖分网格统一划分，实现网格与实体的有效结合，解决空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大的问题，为实现低空空域态势图网格化建模的动态化和智能化提供技术支撑。
73.本发明的基于立体剖分网格的动态低空空域态势图构建方法，基于立体剖分网格确定飞行器在所述动态低空空域的位置；根据所述飞行器在所述动态低空空域的位置更新所述动态低空空域中立体网格的动态属性；基于立体剖分网格对所述飞行器在所述动态低空空域的动态空域区域进行标识；根据所述动态低空空域中立体网格的动态属性和动态空域区域构建所述动态低空空域态势图。能够将低空空域以多尺度立体剖分网格统一划分，实现网格与实体的有效结合，解决动态低空空域缺乏统一性与标准性、实时构建难，人为工作量大的问题，为实现低空空域态势图网格化建模的动态化和智能化提供技术支撑。
74.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。