本發(fā)明涉及一種飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

軍用和民用無(wú)人機(jī)的大量涌現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)在以有人機(jī)為主的空中交通管制格局帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。一方面，由于無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收方式多樣，機(jī)動(dòng)靈活，造成無(wú)人機(jī)與有人駕駛航空器競(jìng)爭(zhēng)空域使用，加之無(wú)人機(jī)用戶不辦理任何飛行審批手續(xù)，對(duì)航空安全造成嚴(yán)重威脅，必須加強(qiáng)管控。另一方面，由于無(wú)人機(jī)目前還不具備與有人航空器一樣的自主“感知—避讓”能力，在空中交通管制中必須與有人航空器區(qū)別對(duì)待。目前各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)管控的手段主要是采用劃定隔離空域的方法，即專門為無(wú)人機(jī)分配獨(dú)立的空域，通過防止或嚴(yán)格控制其他航空器進(jìn)入該空域來(lái)降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，然而隨著無(wú)人機(jī)數(shù)量的迅速增加和空域資源的持續(xù)緊張，繼續(xù)單獨(dú)為無(wú)人機(jī)劃定隔離空域?qū)⒑茈y維繼。

無(wú)人機(jī)的運(yùn)行融入國(guó)家空域系統(tǒng)為大勢(shì)所趨，為此研發(fā)無(wú)人機(jī)相關(guān)的監(jiān)視、控制、避碰等相關(guān)技術(shù)勢(shì)在必行。無(wú)人機(jī)運(yùn)行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)能夠向用戶提供航行情報(bào)服務(wù)，氣象服務(wù)等，對(duì)民用無(wú)人機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)(包括運(yùn)營(yíng)信息、位置、高度和速度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

無(wú)人機(jī)的飛行服務(wù)與監(jiān)管方法需要在戰(zhàn)略層面上對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行進(jìn)行有效安全的監(jiān)管；在預(yù)戰(zhàn)術(shù)層面上，通過為無(wú)人機(jī)用戶提供飛行計(jì)劃人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃的多途徑申報(bào)；為飛行用戶提供氣象和情報(bào)服務(wù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃可飛性的有效驗(yàn)證；在戰(zhàn)術(shù)層面上，融合主被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)獲得的信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)進(jìn)度高效、準(zhǔn)確地監(jiān)視。這是保證無(wú)人機(jī)完成飛行任務(wù)、確?？沼蜻\(yùn)行安全的關(guān)鍵所在，對(duì)將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)納入國(guó)家空域系統(tǒng)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)及方法，用于解決無(wú)人機(jī)缺少服務(wù)和管控所帶來(lái)的影響航空安全、影響空域資源的技術(shù)問題。

技術(shù)方案：

一種無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)，包括氣象處理服務(wù)器、情報(bào)處理服務(wù)器、飛行計(jì)劃處理服務(wù)器、監(jiān)視信息處理服務(wù)器；

所述氣象處理服務(wù)器是為無(wú)人機(jī)飛行提供氣象服務(wù)，通過GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)全國(guó)雷達(dá)反射拼圖，為無(wú)人機(jī)在飛行前提供飛行航線上或作業(yè)區(qū)域中的氣象信息和天氣信息；

所述情報(bào)處理服務(wù)器是為無(wú)人機(jī)用戶提供飛行前的情報(bào)信息服務(wù)，包括禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)以及民航凈空區(qū)的經(jīng)緯度范圍，其他無(wú)人機(jī)用戶申報(bào)的臨時(shí)隔離空域以及地理高程數(shù)據(jù)以及民航和通航發(fā)布的通告；

所述飛行計(jì)劃處理服務(wù)器，對(duì)無(wú)人機(jī)用戶注冊(cè)的無(wú)人機(jī)及其申報(bào)的飛行計(jì)劃進(jìn)行管理，建立飛行計(jì)劃的表達(dá)和描述模型，為無(wú)人機(jī)計(jì)劃的申報(bào)提供人機(jī)交互界面，在飛行前對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行校驗(yàn)，在飛行中對(duì)飛行計(jì)劃執(zhí)行的進(jìn)度、偏離情況進(jìn)行監(jiān)控；

所述監(jiān)視信息處理服務(wù)器，對(duì)主被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)獲得的無(wú)人機(jī)航跡信息進(jìn)行融合，提供飛行狀態(tài)監(jiān)視服務(wù)；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)飛行計(jì)劃信息、氣象信息、電子圍欄和地理高程信息實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，提供各類告警服務(wù)。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述氣象處理服務(wù)器為無(wú)人機(jī)在飛行前提供飛行航線上或作業(yè)區(qū)域中的氣象信息的方法是：

步驟A1、獲取GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，得到圖形化、可視化的經(jīng)緯度網(wǎng)格分布的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，即每隔6小時(shí)分布在1ft到30000ft非等高度分布的37個(gè)壓力高度層的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)信息，包括風(fēng)速、風(fēng)向和溫度；

步驟A2、若是基于航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃，提供GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的具體方法如下：1、計(jì)算飛行計(jì)劃中航路點(diǎn)列表的經(jīng)緯度范圍、在巡航高度層構(gòu)成航線的外包矩形，并分別設(shè)置經(jīng)度、緯度插值間隔；2、設(shè)置氣象要素影響距離d，將外包矩形劃定的地理區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化；3、獲取所有距航線距離小于d的地理坐標(biāo)，并插值計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

步驟A3、若是基于區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃，提供GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的具體方法如下：1、計(jì)算飛行計(jì)劃中作業(yè)空域的經(jīng)緯度范圍，并結(jié)合作業(yè)空域的高度范圍，構(gòu)成作業(yè)空域的外包立方體，并分別設(shè)置經(jīng)度、緯度、高度插值間隔；2、將外包立方體劃定的地理空間按照設(shè)置的經(jīng)度、緯度、高度插值間隔離散化；3、獲得所有在作業(yè)空域內(nèi)的空間地理坐標(biāo)，并插值計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述氣象處理服務(wù)器為無(wú)人機(jī)在飛行中提供飛行航線上或作業(yè)區(qū)域中的天氣信息的方法是：

步驟A4、獲取實(shí)時(shí)全國(guó)雷達(dá)反射拼圖，在已知其投影方式為正軸等角圓錐投影的條件下，運(yùn)用二維仿射變換理論進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，確定圖像像素坐標(biāo)與其在正軸等角圓錐投影直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)的仿射關(guān)系；

步驟A5、運(yùn)用正軸等角圓錐投影原理及其投影特點(diǎn)，在地理坐標(biāo)中完成圖像投影變換并將數(shù)據(jù)柵格化；根據(jù)柵格數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過三個(gè)步驟完成數(shù)據(jù)柵格化：確定索引序列、劃分柵格單元、柵格單元賦值；

步驟A6、依據(jù)圖例提取回波強(qiáng)度對(duì)應(yīng)像素，實(shí)現(xiàn)具體地理位置的實(shí)時(shí)降水率估算，得到對(duì)應(yīng)位置降水量。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述情報(bào)處理服務(wù)器為無(wú)人機(jī)用戶飛行前提供禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)以及民航凈空區(qū)的經(jīng)緯度范圍，其他無(wú)人機(jī)用戶申報(bào)的隔離空域以及地理高程數(shù)據(jù)的方法是：

步驟B1、獲取禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)及民航凈空區(qū)數(shù)據(jù)，確定其由經(jīng)緯度點(diǎn)限定的平面區(qū)域和上下海拔高度界定的高度范圍，在此基礎(chǔ)上抽象化為垂直于地表的柱體模型，建立空域模型；

步驟B2、獲取其他無(wú)人機(jī)用戶申報(bào)的臨時(shí)隔離空域數(shù)據(jù)，建立隔離空域模型；

步驟B3、獲取表示地理高程數(shù)據(jù)的SRTM數(shù)據(jù)的組織方式和命名規(guī)則，通過輸入無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的經(jīng)緯度范圍搜尋相應(yīng)的地理高程數(shù)據(jù)所在的地理文件，將搜尋到的地理文件加載到系統(tǒng)中。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述飛行計(jì)劃處理服務(wù)器處理飛行計(jì)劃的方法是：

步驟C1、系統(tǒng)提供基于人機(jī)交互的無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃的輸入、管理接口；用戶通過無(wú)人機(jī)客戶端提交飛行計(jì)劃，完成飛行計(jì)劃的申報(bào)；

步驟C2、管理員依據(jù)系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)信息、駕駛員信息以及飛行計(jì)劃格式內(nèi)容要求，對(duì)提交的飛行計(jì)劃進(jìn)行校驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行計(jì)劃類型及內(nèi)容，結(jié)合無(wú)人機(jī)性能、飛行環(huán)境、氣象約束按需生成無(wú)人機(jī)靜態(tài)初始航跡，為驗(yàn)證飛行計(jì)劃可行性提供數(shù)據(jù)；

步驟C3、通過加載氣象GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)、民航凈空區(qū)、臨時(shí)隔離空域數(shù)據(jù)以及地理高程數(shù)據(jù)對(duì)飛行計(jì)劃的可飛行性進(jìn)行驗(yàn)證；

步驟C4、按照如下方法監(jiān)視通過驗(yàn)證的飛行計(jì)劃執(zhí)行飛行任務(wù)的進(jìn)度：通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收到的無(wú)人機(jī)飛行信號(hào)，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的飛行計(jì)劃進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)變更飛行計(jì)劃狀態(tài)。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，步驟C3中通過加載GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)、民航凈空區(qū)、臨時(shí)隔離空域數(shù)據(jù)以及地理高程數(shù)據(jù)驗(yàn)證飛行計(jì)劃可飛性的具體方法如下：

步驟C3.1、驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃飛行前是否存在危險(xiǎn)氣象，具體方法如下：獲取由氣象服務(wù)模塊提供的飛行航線上的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，與無(wú)人機(jī)性能能夠承受的風(fēng)速和溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，如飛行航線上存在不符合飛行的氣象條件，則氣象條件不滿足，反之，計(jì)劃通過氣象條件驗(yàn)證。

步驟C3.2、驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃飛行前是否存在危險(xiǎn)氣象，具體方法如下：獲取由氣象服務(wù)模塊提供的作業(yè)區(qū)域中的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，與無(wú)人機(jī)性能能夠承受的風(fēng)速和溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，如作業(yè)區(qū)域中存在不符合飛行的氣象條件，則氣象條件不滿足，反之，計(jì)劃通過氣象條件驗(yàn)證；

步驟C3.3、驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃是否存在空域沖突，具體方法如下：獲取飛行航線上第一個(gè)航路點(diǎn)，作為前一點(diǎn)，讀取下一個(gè)航路點(diǎn)作為當(dāng)前點(diǎn)，前一點(diǎn)和當(dāng)前點(diǎn)組成航段，判斷航段是否穿越禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)和民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域中的任意一個(gè)或幾個(gè)：若不穿越，則判斷當(dāng)前點(diǎn)是否為最后一個(gè)航路點(diǎn)，若是，則空域滿足，否則，繼續(xù)判斷下一個(gè)航段；當(dāng)所有航段均不穿越禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)、民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域，則不存在空域沖突，反之，存在空域沖突；

步驟C3.4、驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃是否存在空域沖突，具體方法如下：獲取無(wú)人機(jī)飛行的作業(yè)空域，判斷作業(yè)空域是否與禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)、民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域有交集，若無(wú)交集，則空域無(wú)沖突，反之，則存在空域沖突；

步驟C3.5、驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃是否滿足超障高度，具體方法如下：獲取飛行航線的航路寬度并分別設(shè)置經(jīng)度和緯度取樣間隔，將地理高程取樣區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化，獲取所有航路范圍內(nèi)的地理高程，判斷所獲取的地理高程數(shù)據(jù)是否與巡航高度保持一定的安全間隔，若是，則超障高度滿足；反之，則不滿足；

步驟C3.6、驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃是否滿足超障高度，具體方法如下：設(shè)置作業(yè)區(qū)域的經(jīng)緯度插值間隔，將地理高程取樣區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化，獲取所有作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地理高程，判斷所獲取的地理高程數(shù)據(jù)是否高于作業(yè)空域的最高高度，若否，則超障高度滿足；反之，則不滿足。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，步驟C4中關(guān)于監(jiān)控飛行計(jì)劃執(zhí)行進(jìn)度的具體方法如下：

步驟C4.1、檢測(cè)飛行計(jì)劃被激活狀態(tài)：系統(tǒng)的接收端接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)時(shí)，由此無(wú)人機(jī)識(shí)別號(hào)匹配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中未激活的飛行計(jì)劃，匹配成功后，將計(jì)劃狀態(tài)修改為激活；

步驟C4.2、檢測(cè)飛行計(jì)劃執(zhí)行完成狀態(tài)：系統(tǒng)的接收端接收對(duì)應(yīng)激活狀態(tài)飛行計(jì)劃的無(wú)人機(jī)信號(hào)，接收該信號(hào)時(shí)長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的飛行計(jì)劃的時(shí)長(zhǎng)匹配，超過計(jì)劃申報(bào)時(shí)長(zhǎng)后，并在設(shè)置的時(shí)間閾值內(nèi)未接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)，即認(rèn)為該架次無(wú)人機(jī)完成飛行任務(wù)；

步驟C4.3、檢測(cè)飛行計(jì)劃取消執(zhí)行狀態(tài)：與數(shù)據(jù)庫(kù)中飛行計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間匹配的時(shí)間段內(nèi)，接收端一直未接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)，則認(rèn)為該時(shí)間段待激活的飛行計(jì)劃取消執(zhí)行。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述監(jiān)視信息處理服務(wù)器具體實(shí)現(xiàn)的方法是：

步驟D1、處理包括基于3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及ADS-B系統(tǒng)多源主動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)獲取到的無(wú)人機(jī)定位信息及飛行航跡信息；

步驟D2、對(duì)步驟D1中獲得的無(wú)人機(jī)航跡信息進(jìn)行融合，提供精確的飛行狀態(tài)監(jiān)視服務(wù)，并防止單一信息源失效而造成數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象的產(chǎn)生；

步驟D3、依據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置、速度、航向信息，推測(cè)其一定時(shí)間后可能到達(dá)的區(qū)域，及在上述對(duì)應(yīng)區(qū)域可能運(yùn)行的時(shí)間，運(yùn)用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，提前進(jìn)行危險(xiǎn)天氣的告警；

步驟D4、設(shè)置地理圍監(jiān)視欄/電子圍欄對(duì)特定無(wú)人機(jī)的飛行范圍進(jìn)行限定，在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)無(wú)人機(jī)可能違反的電子圍欄限制進(jìn)行告警；

步驟D5、依據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行高度，獲取當(dāng)前點(diǎn)的地理高程數(shù)據(jù)，計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行的超障高度，對(duì)影響無(wú)人機(jī)飛行的超障高度進(jìn)行告警；

步驟D6、對(duì)一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)空中交通現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)可能或?qū)⒁霈F(xiàn)的飛行沖突進(jìn)行告警。

本發(fā)明在滿足無(wú)人機(jī)飛行前和飛行過程中氣象及情報(bào)服務(wù)的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了飛行計(jì)劃處理以及無(wú)人機(jī)依據(jù)飛行計(jì)劃飛行的安全監(jiān)管。氣象處理服務(wù)器，通過加載GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為無(wú)人機(jī)飛行前提供氣象服務(wù)并且通過有效利用實(shí)時(shí)全國(guó)雷達(dá)反射拼圖為降水量數(shù)據(jù)源，為飛行中的無(wú)人機(jī)提供雷暴等惡劣天氣的氣象信息；情報(bào)處理服務(wù)器，通過提供禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)和民航凈空區(qū)位置信息，其他無(wú)人機(jī)申報(bào)的隔離空域信息以及地理高程信息和民航通告為無(wú)人機(jī)用戶提供情報(bào)產(chǎn)品；飛行計(jì)劃處理服務(wù)器，為無(wú)人機(jī)計(jì)劃的提交提供人機(jī)交互界面，在飛行前對(duì)計(jì)劃進(jìn)行校驗(yàn)，在飛行中對(duì)飛行計(jì)劃執(zhí)行的進(jìn)度、偏離情況進(jìn)行監(jiān)控；監(jiān)視信息處理服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)主被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)獲得的無(wú)人機(jī)航跡信息進(jìn)行融合；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)飛行計(jì)劃信息、氣象信息、電子圍欄和地理高程信息實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，提供各類告警服務(wù)。

有益效果：

本發(fā)明的無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)用戶提供了飛行計(jì)劃申報(bào)途徑，以及通過加載GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、空域數(shù)據(jù)、地理高程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃可飛性的有效驗(yàn)證；監(jiān)視通過驗(yàn)證的飛行計(jì)劃執(zhí)行飛行任務(wù)的進(jìn)度，完成飛行計(jì)劃的執(zhí)行進(jìn)度監(jiān)控。依據(jù)飛行計(jì)劃信息、氣象信息、電子圍欄和地理高程信息實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，提供各類告警服務(wù)；

同時(shí)還為無(wú)人機(jī)用戶飛行前和飛行中提供了氣象產(chǎn)品服務(wù)、為無(wú)人機(jī)用戶飛行前提供了情報(bào)產(chǎn)品服務(wù)；實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全有效監(jiān)管服務(wù)；

因此，本發(fā)明可更好地管理無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃，為無(wú)人機(jī)飛行提供氣象、情報(bào)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行監(jiān)管服務(wù)，提高飛行的安全性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為加載GRIB氣象數(shù)據(jù)的流程示意圖；

圖3為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理步驟示意圖；

圖4為空域模型示意圖；

圖5為搜尋地理高程數(shù)據(jù)文件步驟示意圖；

圖6為驗(yàn)證飛行計(jì)劃的可飛性示意圖；

圖7為監(jiān)控飛行計(jì)劃示意圖；

圖8為主被動(dòng)監(jiān)視信息融合示意圖；

圖9為運(yùn)行中告警服務(wù)示意圖；

圖10為無(wú)人機(jī)飛行間隔簡(jiǎn)化保護(hù)區(qū)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

本發(fā)明的無(wú)人機(jī)飛行服務(wù)與監(jiān)管系統(tǒng)，如圖1所示，氣象處理服務(wù)器101、情報(bào)處理服務(wù)器102、飛行計(jì)劃處理服務(wù)器103、監(jiān)視信息處理服務(wù)器104。以下對(duì)各個(gè)部分的具體實(shí)施方式分別進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1、氣象處理服務(wù)器

氣象處理服務(wù)器101是為無(wú)人機(jī)用戶提供飛行前的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，以及飛行中的雷達(dá)反射降水量數(shù)據(jù)。如圖2和圖3所示，其具體實(shí)施方案如下：

首先是，參照?qǐng)D2，獲取GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，得到圖形化、可視化的經(jīng)緯度網(wǎng)格分布的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，即是每隔6小時(shí)分布在1ft到30000ft非等高度分布的37個(gè)壓力高度層的氣象數(shù)據(jù)信息，包括風(fēng)速、風(fēng)向和溫度；

若是基于航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃，提供GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的具體方法如下：1、計(jì)算飛行計(jì)劃中航路點(diǎn)列表的經(jīng)緯度范圍、在巡航高度層構(gòu)成航線的外包矩形，并分別設(shè)置經(jīng)度、緯度插值間隔；2、設(shè)置氣象要素影響距離d，將外包矩形劃定的地理區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化；3、獲取所有距航線距離小于d的地理坐標(biāo)，并插值計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

若是基于區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃，提供GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的具體方法如下：1、計(jì)算飛行計(jì)劃中作業(yè)空域的經(jīng)緯度范圍，并結(jié)合作業(yè)空域的高度范圍，構(gòu)成作業(yè)空域的外包立方體，并分別設(shè)置經(jīng)度、緯度、高度插值間隔；2、將外包立方體劃定的地理空間按照設(shè)置的經(jīng)度、緯度、高度插值間隔離散化；3、獲得所有在作業(yè)空域內(nèi)的空間地理坐標(biāo)，并插值計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

其次是，參照?qǐng)D3，飛行中提供實(shí)時(shí)雷達(dá)反射降水量數(shù)據(jù)的方法：

(1)獲取實(shí)時(shí)全國(guó)雷達(dá)反射拼圖，在已知其投影方式為L(zhǎng)ambert等角圓錐投影即正軸等角圓錐投影的條件下，運(yùn)用二維仿射變換理論進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，確定圖像像素坐標(biāo)與其在Lambert投影直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)的仿射關(guān)系；

(2)運(yùn)用Lambert投影原理及其投影特點(diǎn)，在地理坐標(biāo)中完成圖像投影變換并將數(shù)據(jù)柵格化；根據(jù)柵格數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過三個(gè)步驟完成數(shù)據(jù)柵格化：確定索引序列、劃分柵格單元、柵格單元賦值；

(3)依據(jù)圖例提取回波強(qiáng)度對(duì)應(yīng)像素，并實(shí)現(xiàn)具體地理位置的實(shí)時(shí)降水率估算；具體如下：

雷達(dá)回波圖提供的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)為雷達(dá)回波強(qiáng)度，為估算降水率R(單位：mm/h)，首先要得到反射率因子Z(單位：mm⁶/m³)。回波強(qiáng)度dBZ與反射率因子Z之間的轉(zhuǎn)換公式為：其中Z₀＝1mm⁶/m²。降水估計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)雨強(qiáng)和雨滴譜資料統(tǒng)計(jì)的結(jié)果得到如下經(jīng)驗(yàn)公式：其中統(tǒng)一取A＝300，b＝1.4。

2、情報(bào)處理服務(wù)器

情報(bào)處理服務(wù)器102是為無(wú)人機(jī)用戶飛行前提供現(xiàn)存三區(qū)(禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和限制區(qū))和民航凈空區(qū)經(jīng)緯度范圍，其他無(wú)人機(jī)用戶申報(bào)的隔離空域，地理高程數(shù)據(jù)等信息。

如圖4和圖5所示，其具體實(shí)施方案如下：

首先是，獲取禁飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)及民航凈空區(qū)數(shù)據(jù)，確定其由若干經(jīng)緯度點(diǎn)限定的平面區(qū)域和上下海拔高度界定的高度范圍，可以描述為限定了地理邊界與高度范圍的空間區(qū)域，即形象化為垂直于地表的柱體模型，建立空域模型；

然后是，獲取其他無(wú)人機(jī)用戶申報(bào)的臨時(shí)隔離空域數(shù)據(jù)，建立隔離空域模型。臨時(shí)空域即是用戶向管制員申請(qǐng)，得到批復(fù)后可使用，使用完成后，撤銷的空域；

最后是，地理高程數(shù)據(jù)為SRTM數(shù)據(jù)，SRTM數(shù)據(jù)組織方式為：每5度經(jīng)緯度方格劃分一個(gè)文件，共分為24行(-60至60度)和72列(-180至180度)。文件命名規(guī)則為srtm_XX_YY.zip，XX表示列數(shù)(01-72)，YY表示行數(shù)(01-24)。根據(jù)SRTM的數(shù)據(jù)組織方式，通過輸入無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的經(jīng)緯度范圍搜尋相應(yīng)的地理高程數(shù)據(jù)所在的文件，文件即包含無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的所有高程信息。具體步驟如下：

1、計(jì)算邊界經(jīng)緯度(包括最大與最小經(jīng)緯度)所在的列數(shù)與行數(shù)，列數(shù)XX求解：行數(shù)YY求解：同時(shí)注意邊界條件的判斷與處理。其中：lon表示經(jīng)度；lat表示緯度；37表示0°經(jīng)線所處行數(shù)；12表示0°緯度所處列數(shù)；floor函數(shù)表示向下取整。

2、計(jì)算列差與行差，并根據(jù)SRTM文件劃分與命名規(guī)則，循環(huán)獲得相應(yīng)地理高程數(shù)據(jù)文件名稱。

3、飛行計(jì)劃處理服務(wù)器

飛行計(jì)劃處理服務(wù)器103能夠建立飛行計(jì)劃的表達(dá)和描述模型，為無(wú)人機(jī)計(jì)劃的提交提供人機(jī)交互界面，在飛行前對(duì)計(jì)劃進(jìn)行校驗(yàn)，在飛行中對(duì)飛行計(jì)劃執(zhí)行的進(jìn)度、偏離情況進(jìn)行監(jiān)控；

如圖6和圖7所示，其具體實(shí)施方案如下：

(1)申報(bào)飛行計(jì)劃；無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃的基本元素主要包括三部分，分別是運(yùn)營(yíng)人基本信息、無(wú)人機(jī)基本信息以及飛行場(chǎng)地基本信息。無(wú)人機(jī)用戶通過WEB客戶端和移動(dòng)客戶端在人機(jī)交互界面按照規(guī)定格式輸入無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃所包含元素，完成飛行計(jì)劃的申報(bào)。

(2)驗(yàn)證飛行計(jì)劃；管理員驗(yàn)證用戶提交的飛行計(jì)劃的可行性。驗(yàn)證飛行計(jì)劃的可行性，主要是指驗(yàn)證飛行航線上或作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣象條件、空域沖突、地理超障高度。

首先是，驗(yàn)證氣象條件。驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃飛行前危險(xiǎn)氣象的具體方法如下：獲取由氣象服務(wù)模塊提供的飛行航線上的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)(風(fēng)和溫度)，與無(wú)人機(jī)性能能夠承受的風(fēng)速和溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，如飛行航線上存在不符合飛行的強(qiáng)風(fēng)或高(低)溫等氣象條件，則計(jì)劃氣象條件不滿足，反之，計(jì)劃通過氣象條件驗(yàn)證。驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃飛行前危險(xiǎn)氣象的具體方法如下：獲取由氣象服務(wù)模塊提供的作業(yè)區(qū)域中的GRIB氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)(風(fēng)和溫度)，與無(wú)人機(jī)性能能夠承受的風(fēng)速和溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，如作業(yè)區(qū)域中存在不符合飛行的強(qiáng)風(fēng)或高(低)溫等氣象條件，則計(jì)劃氣象條件不滿足，反之，計(jì)劃通過氣象條件驗(yàn)證。

然后是，驗(yàn)證空域沖突。驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃飛行前空域沖突的具體方法如下：獲取飛行航線上第一個(gè)航路點(diǎn)，作為前一點(diǎn)，讀取下一個(gè)航路點(diǎn)作為當(dāng)前點(diǎn)，前一點(diǎn)和當(dāng)前點(diǎn)組成航段，判斷航段是否穿越三區(qū)和民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域，若不穿越，則判斷當(dāng)前點(diǎn)是否為最后一個(gè)航路點(diǎn)，若是，則空域滿足，否則，繼續(xù)；當(dāng)所有航段均不穿越三區(qū)和民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域，則不存在空域沖突，反之，存在空域沖突。驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃空域沖突的具體方法如下：獲取無(wú)人機(jī)飛行的作業(yè)空域，判斷作業(yè)空域是否與現(xiàn)存三區(qū)和民航凈空區(qū)及臨時(shí)隔離空域有交集，若無(wú)交集，則空域無(wú)沖突，反之，則不滿足。

最后是，驗(yàn)證超障高度。驗(yàn)證航線運(yùn)行的飛行計(jì)劃超障高度的具體方法如下：獲取飛行航線的航路寬度并分別設(shè)置經(jīng)度和緯度取樣間隔，將地理高程取樣區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化，獲取所有航路范圍內(nèi)的地理高程，判斷所獲取的地理高程數(shù)據(jù)是否與巡航高度保持一定的安全間隔，若是，則超障高度滿足；反之，則不滿足。驗(yàn)證區(qū)域作業(yè)的飛行計(jì)劃超障高度的具體方法如下：設(shè)置作業(yè)區(qū)域的經(jīng)緯度插值間隔，將地理高程取樣區(qū)域按照設(shè)置的經(jīng)緯度插值間隔離散化，獲取所有作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地理高程，判斷所獲取的地理高程數(shù)據(jù)是否高于作業(yè)空域的最高高度，若否，則超障高度滿足；反之，則不滿足。

(3)監(jiān)控飛行計(jì)劃；當(dāng)飛行計(jì)劃通過審批可以執(zhí)行時(shí)，無(wú)人機(jī)駕駛員通過無(wú)人機(jī)控制席操控?zé)o人機(jī)飛行。無(wú)人機(jī)飛行測(cè)控站測(cè)控?zé)o人機(jī)飛行數(shù)據(jù)鏈，無(wú)人機(jī)飛行管制員通過無(wú)人機(jī)管制席位監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)。監(jiān)控飛行計(jì)劃執(zhí)行進(jìn)度是通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收到的無(wú)人機(jī)飛行信號(hào)，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的飛行計(jì)劃進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)變更飛行計(jì)劃狀態(tài)。飛行計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)主要包括幾種：待激活、激活、完成執(zhí)行、取消執(zhí)行。1、檢測(cè)飛行計(jì)劃被激活狀態(tài)：接收端接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)時(shí)，由此無(wú)人機(jī)識(shí)別號(hào)匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中未激活的飛行計(jì)劃，匹配成功后，將計(jì)劃狀態(tài)修改為激活。2、檢測(cè)飛行計(jì)劃執(zhí)行完成狀態(tài)：接收端接收對(duì)應(yīng)激活狀態(tài)飛行計(jì)劃的無(wú)人機(jī)信號(hào)，接收該信號(hào)時(shí)長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的飛行計(jì)劃的時(shí)長(zhǎng)匹配，超過計(jì)劃申報(bào)時(shí)長(zhǎng)后，并在設(shè)置的時(shí)間閾值內(nèi)未接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)，即認(rèn)為該架次無(wú)人機(jī)完成飛行任務(wù)。3、檢測(cè)飛行計(jì)劃取消執(zhí)行狀態(tài)：與數(shù)據(jù)庫(kù)中飛行計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間匹配的時(shí)間段內(nèi)，接收端一直未接收到無(wú)人機(jī)信號(hào)，則認(rèn)為該時(shí)間段待激活的飛行計(jì)劃取消執(zhí)行。

4、監(jiān)視信息處理服務(wù)器

監(jiān)視信息處理服務(wù)器104實(shí)現(xiàn)對(duì)主被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)，獲得的無(wú)人機(jī)航跡信息進(jìn)行融合，以提供更精確的飛行狀態(tài)監(jiān)視服務(wù)，并防止單一信息源失效而造成數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象的產(chǎn)生；在此基礎(chǔ)上依據(jù)飛行計(jì)劃信息、氣象信息、電子圍欄和地理高程信息實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，提供各類告警服務(wù)。

如圖8、圖9及圖10所示，其具體實(shí)施方案如下：

(1)主被動(dòng)監(jiān)視信息融合；

1、處理多源主動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)(包括基于3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及ADS-B系統(tǒng))獲取到的無(wú)人機(jī)定位信息及飛行航跡信息；

2、對(duì)主被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)獲得的無(wú)人機(jī)航跡信息進(jìn)行融合，提供更精確的飛行狀態(tài)監(jiān)視服務(wù)，能防止單一信息源失效而造成數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(2)告警服務(wù)；

1、危險(xiǎn)天氣告警：依據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置、速度、航向等信息，推測(cè)其一定時(shí)間后可能到達(dá)的區(qū)域，及在對(duì)應(yīng)區(qū)域可能運(yùn)行的時(shí)間，運(yùn)用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)前進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，提前進(jìn)行危險(xiǎn)天氣的告警。以全國(guó)雷達(dá)拼圖為數(shù)據(jù)源，量化降水量對(duì)于無(wú)人機(jī)的損傷性。以下給出降水損傷程度的估算公式：其中，損傷程度r_D取值范圍為0(無(wú)損壞)到1(完全損壞)；D為無(wú)人機(jī)能夠承受的最大降水量(單位(mm/h)·h)；R_c為柵格數(shù)據(jù)中柵格單元c對(duì)應(yīng)的降水率，t_c為無(wú)人機(jī)在對(duì)應(yīng)柵格中的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。參考民航飛機(jī)告警系統(tǒng)，告警等級(jí)由高到低劃分為：警告、警戒與提示。損傷程度與告警等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定為：r_D∈(0.5,1)對(duì)應(yīng)告警等級(jí)為警告、r_D∈(0.1,0.5)對(duì)應(yīng)告警等級(jí)為警戒、r_D∈(0,0.1)對(duì)應(yīng)告警等級(jí)為提示。

2、電子圍欄(空域)告警：依據(jù)設(shè)置的地理圍監(jiān)視欄/電子圍欄對(duì)特定無(wú)人機(jī)的飛行范圍進(jìn)行限定，在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)無(wú)人機(jī)可能違反的電子圍欄限制(高度限制、地理邊界限制)進(jìn)行告警，具體步驟如下：1、縮小空域搜索范圍。在進(jìn)行空域遍歷前，可通過外包矩形的方法快速找到符合條件的少量空域。對(duì)于某一航跡點(diǎn)，若空域地面投影多邊形的最小外包矩形包含該航跡點(diǎn)，則將相應(yīng)空域添加到粗選集，等待進(jìn)一步判斷；2、在空域粗選集中，按照航跡點(diǎn)與空域拓?fù)潢P(guān)系判斷原理，判斷航跡點(diǎn)所在空域，提供告警數(shù)據(jù)。

3、超障高度告警：依據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行的高度，獲取當(dāng)前點(diǎn)的地理高程數(shù)據(jù)，計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行的超障高度，具體步驟如下：t_k時(shí)刻航空器的超障高度C_k為：C_k＝alt_k-ele_k。其中，alt_k為t_k時(shí)刻航空器的飛行高度(海拔高度，單位為米)；ele_k為t_k時(shí)刻航空器在地面投影位置的地理高程(海拔高度，單位為米)。

4、與其他航空器沖突告警：對(duì)一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)空中交通現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)可能或?qū)⒁霈F(xiàn)的飛行沖突進(jìn)行告警。利用飛行沖突探測(cè)模型進(jìn)行飛行沖突告警，依據(jù)相關(guān)的航空器法規(guī)，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的安全間隔進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，約定無(wú)人機(jī)之間縱向間隔和側(cè)向間隔不小于A英尺，垂直間隔不小于B英尺，形成圓柱體保護(hù)區(qū)。已知只要航空器在某一方向上符合規(guī)定的安全間隔，就不需要考慮航空器其他兩個(gè)方向上的安全間隔。假設(shè)航空器i與航空器j分別在航跡點(diǎn)和存在飛行沖突，其判斷公式為：

其中，和分別代表航空器i與j之間的側(cè)向間隔、縱向間隔以及垂直間隔，當(dāng)M值為1時(shí)，表示發(fā)生沖突；否則，不發(fā)生沖突。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。