CN106297417A - 一种无人机飞行服务与监管系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机飞行服务与监管系统及方法。本发明的无人机飞行服务与监管系统包括气象处理服务器、情报处理服务器、飞行计划处理服务器、监视信息处理服务器。利用上述各种模块分别提供气象产品服务、空域数据、地理高程数据以及民航通告的情报信息、飞行计划的验证、监控飞行是否偏离、主被动监视以及监视告警。本发明还公开了一种使用基于GRIB气象预报数据、全国雷达反射拼图、空域数据和地理高程数据的无人机飞行计划校验方法。本发明还公开了一种使用上述系统的无人机运行监管方法，依托于监视信息处理服务器，融合主被动监视系统获得的航迹信息，实现无人机飞行潜在的冲突分析，以提供实时告警信息。

Description

一种无人机飞行服务与监管系统及方法

技术领域

本发明涉及一种飞行服务与监管系统及方法，尤其涉及一种无人机飞行服务与监管系统及方法。

背景技术

军用和民用无人机的大量涌现，对现在以有人机为主的空中交通管制格局带来了新的挑战。一方面，由于无人机的发射与回收方式多样，机动灵活，造成无人机与有人驾驶航空器竞争空域使用，加之无人机用户不办理任何飞行审批手续，对航空安全造成严重威胁，必须加强管控。另一方面，由于无人机目前还不具备与有人航空器一样的自主“感知—避让”能力，在空中交通管制中必须与有人航空器区别对待。目前各国对无人机管控的手段主要是采用划定隔离空域的方法，即专门为无人机分配独立的空域，通过防止或严格控制其他航空器进入该空域来降低碰撞风险，然而随着无人机数量的迅速增加和空域资源的持续紧张，继续单独为无人机划定隔离空域将很难维继。

无人机的运行融入国家空域系统为大势所趋，为此研发无人机相关的监视、控制、避碰等相关技术势在必行。无人机运行服务与监管系统能够向用户提供航行情报服务，气象服务等，对民用无人机运行数据(包括运营信息、位置、高度和速度等)进行实时监测。

无人机的飞行服务与监管方法需要在战略层面上对无人机的飞行进行有效安全的监管；在预战术层面上，通过为无人机用户提供飞行计划人机交互方式，实现飞行计划的多途径申报；为飞行用户提供气象和情报服务产品，实现飞行计划可飞性的有效验证；在战术层面上，融合主被动监视系统获得的信息，实现无人机执行飞行任务进度高效、准确地监视。这是保证无人机完成飞行任务、确保空域运行安全的关键所在，对将无人机系统纳入国家空域系统具有重要意义。

发明内容

发明目的：基于现有技术的不足，本发明提供一种无人机飞行服务与监管系统及方法，用于解决无人机缺少服务和管控所带来的影响航空安全、影响空域资源的技术问题。

技术方案：

一种无人机飞行服务与监管系统，包括气象处理服务器、情报处理服务器、飞行计划处理服务器、监视信息处理服务器；

所述气象处理服务器是为无人机飞行提供气象服务，通过GRIB气象预报数据和实时全国雷达反射拼图，为无人机在飞行前提供飞行航线上或作业区域中的气象信息和天气信息；

所述情报处理服务器是为无人机用户提供飞行前的情报信息服务，包括禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的经纬度范围，其他无人机用户申报的临时隔离空域以及地理高程数据以及民航和通航发布的通告；

所述飞行计划处理服务器，对无人机用户注册的无人机及其申报的飞行计划进行管理，建立飞行计划的表达和描述模型，为无人机计划的申报提供人机交互界面，在飞行前对飞行计划进行校验，在飞行中对飞行计划执行的进度、偏离情况进行监控；

所述监视信息处理服务器，对主被动监视系统获得的无人机航迹信息进行融合，提供飞行状态监视服务；在此基础上，依据飞行计划信息、气象信息、电子围栏和地理高程信息实现对无人机的运行进行监管，提供各类告警服务。

进一步的，在本发明中，所述气象处理服务器为无人机在飞行前提供飞行航线上或作业区域中的气象信息的方法是：

步骤A1、获取GRIB气象预报数据，得到图形化、可视化的经纬度网格分布的格点数据，即每隔6小时分布在1ft到30000ft非等高度分布的37个压力高度层的气象预报数据信息，包括风速、风向和温度；

步骤A2、若是基于航线运行的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中航路点列表的经纬度范围、在巡航高度层构成航线的外包矩形，并分别设置经度、纬度插值间隔；2、设置气象要素影响距离d，将外包矩形划定的地理区域按照设置的经纬度插值间隔离散化；3、获取所有距航线距离小于d的地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据；

步骤A3、若是基于区域作业的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中作业空域的经纬度范围，并结合作业空域的高度范围，构成作业空域的外包立方体，并分别设置经度、纬度、高度插值间隔；2、将外包立方体划定的地理空间按照设置的经度、纬度、高度插值间隔离散化；3、获得所有在作业空域内的空间地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据。

进一步的，在本发明中，所述气象处理服务器为无人机在飞行中提供飞行航线上或作业区域中的天气信息的方法是：

步骤A4、获取实时全国雷达反射拼图，在已知其投影方式为正轴等角圆锥投影的条件下，运用二维仿射变换理论进行图像配准，确定图像像素坐标与其在正轴等角圆锥投影直角坐标系下坐标的仿射关系；

步骤A5、运用正轴等角圆锥投影原理及其投影特点，在地理坐标中完成图像投影变换并将数据栅格化；根据栅格数据的组织结构特点，通过三个步骤完成数据栅格化：确定索引序列、划分栅格单元、栅格单元赋值；

步骤A6、依据图例提取回波强度对应像素，实现具体地理位置的实时降水率估算，得到对应位置降水量。

进一步的，在本发明中，所述情报处理服务器为无人机用户飞行前提供禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的经纬度范围，其他无人机用户申报的隔离空域以及地理高程数据的方法是：

步骤B1、获取禁飞区、危险区、限制区及民航净空区数据，确定其由经纬度点限定的平面区域和上下海拔高度界定的高度范围，在此基础上抽象化为垂直于地表的柱体模型，建立空域模型；

步骤B2、获取其他无人机用户申报的临时隔离空域数据，建立隔离空域模型；

步骤B3、获取表示地理高程数据的SRTM数据的组织方式和命名规则，通过输入无人机飞行区域的经纬度范围搜寻相应的地理高程数据所在的地理文件，将搜寻到的地理文件加载到系统中。

进一步的，在本发明中，所述飞行计划处理服务器处理飞行计划的方法是：

步骤C1、系统提供基于人机交互的无人机飞行计划的输入、管理接口；用户通过无人机客户端提交飞行计划，完成飞行计划的申报；

步骤C2、管理员依据系统中无人机信息、驾驶员信息以及飞行计划格式内容要求，对提交的飞行计划进行校验；在此基础上，依据无人机的飞行计划类型及内容，结合无人机性能、飞行环境、气象约束按需生成无人机静态初始航迹，为验证飞行计划可行性提供数据；

步骤C3、通过加载气象GRIB气象预报数据、禁飞区、危险区、限制区、民航净空区、临时隔离空域数据以及地理高程数据对飞行计划的可飞行性进行验证；

步骤C4、按照如下方法监视通过验证的飞行计划执行飞行任务的进度：通过系统实时接收到的无人机飞行信号，与系统数据库中的飞行计划进行匹配，根据匹配结果，系统自动变更飞行计划状态。

进一步的，在本发明中，步骤C3中通过加载GRIB气象预报数据、禁飞区、危险区、限制区、民航净空区、临时隔离空域数据以及地理高程数据验证飞行计划可飞性的具体方法如下：

步骤C3.1、验证航线运行的飞行计划飞行前是否存在危险气象，具体方法如下：获取由气象服务模块提供的飞行航线上的GRIB气象预报数据，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如飞行航线上存在不符合飞行的气象条件，则气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证。

步骤C3.2、验证区域作业的飞行计划飞行前是否存在危险气象，具体方法如下：获取由气象服务模块提供的作业区域中的GRIB气象预报数据，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如作业区域中存在不符合飞行的气象条件，则气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证；

步骤C3.3、验证航线运行的飞行计划是否存在空域冲突，具体方法如下：获取飞行航线上第一个航路点，作为前一点，读取下一个航路点作为当前点，前一点和当前点组成航段，判断航段是否穿越禁飞区、危险区、限制区和民航净空区及临时隔离空域中的任意一个或几个：若不穿越，则判断当前点是否为最后一个航路点，若是，则空域满足，否则，继续判断下一个航段；当所有航段均不穿越禁飞区、危险区、限制区、民航净空区及临时隔离空域，则不存在空域冲突，反之，存在空域冲突；

步骤C3.4、验证区域作业的飞行计划是否存在空域冲突，具体方法如下：获取无人机飞行的作业空域，判断作业空域是否与禁飞区、危险区、限制区、民航净空区及临时隔离空域有交集，若无交集，则空域无冲突，反之，则存在空域冲突；

步骤C3.5、验证航线运行的飞行计划是否满足超障高度，具体方法如下：获取飞行航线的航路宽度并分别设置经度和纬度取样间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有航路范围内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否与巡航高度保持一定的安全间隔，若是，则超障高度满足；反之，则不满足；

步骤C3.6、验证区域作业的飞行计划是否满足超障高度，具体方法如下：设置作业区域的经纬度插值间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有作业区域内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否高于作业空域的最高高度，若否，则超障高度满足；反之，则不满足。

进一步的，在本发明中，步骤C4中关于监控飞行计划执行进度的具体方法如下：

步骤C4.1、检测飞行计划被激活状态：系统的接收端接收到无人机信号时，由此无人机识别号匹配系统的数据库中未激活的飞行计划，匹配成功后，将计划状态修改为激活；

步骤C4.2、检测飞行计划执行完成状态：系统的接收端接收对应激活状态飞行计划的无人机信号，接收该信号时长与对应的飞行计划的时长匹配，超过计划申报时长后，并在设置的时间阈值内未接收到无人机信号，即认为该架次无人机完成飞行任务；

步骤C4.3、检测飞行计划取消执行状态：与数据库中飞行计划执行时间匹配的时间段内，接收端一直未接收到无人机信号，则认为该时间段待激活的飞行计划取消执行。

进一步的，在本发明中，所述监视信息处理服务器具体实现的方法是：

步骤D1、处理包括基于3G/4G通信网络、北斗导航系统及ADS-B系统多源主动监视系统获取到的无人机定位信息及飞行航迹信息；

步骤D2、对步骤D1中获得的无人机航迹信息进行融合，提供精确的飞行状态监视服务，并防止单一信息源失效而造成数据缺失现象的产生；

步骤D3、依据无人机当前的位置、速度、航向信息，推测其一定时间后可能到达的区域，及在上述对应区域可能运行的时间，运用预测数据进行相关运算，提前进行危险天气的告警；

步骤D4、设置地理围监视栏/电子围栏对特定无人机的飞行范围进行限定，在实际运行中对无人机可能违反的电子围栏限制进行告警；

步骤D5、依据无人机当前飞行高度，获取当前点的地理高程数据，计算无人机飞行的超障高度，对影响无人机飞行的超障高度进行告警；

步骤D6、对一定时间、空间范围内空中交通现状及发展趋势进行分析，对可能或将要出现的飞行冲突进行告警。

本发明在满足无人机飞行前和飞行过程中气象及情报服务的基础上，还实现了飞行计划处理以及无人机依据飞行计划飞行的安全监管。气象处理服务器，通过加载GRIB气象预报数据为无人机飞行前提供气象服务并且通过有效利用实时全国雷达反射拼图为降水量数据源，为飞行中的无人机提供雷暴等恶劣天气的气象信息；情报处理服务器，通过提供禁飞区、危险区、限制区和民航净空区位置信息，其他无人机申报的隔离空域信息以及地理高程信息和民航通告为无人机用户提供情报产品；飞行计划处理服务器，为无人机计划的提交提供人机交互界面，在飞行前对计划进行校验，在飞行中对飞行计划执行的进度、偏离情况进行监控；监视信息处理服务器，用于实现对主被动监视系统获得的无人机航迹信息进行融合；在此基础上，依据飞行计划信息、气象信息、电子围栏和地理高程信息实现对无人机的运行进行监管，提供各类告警服务。

有益效果：

本发明的无人机飞行服务与监管系统为无人机用户提供了飞行计划申报途径，以及通过加载GRIB气象预报数据、空域数据、地理高程数据，实现飞行计划可飞性的有效验证；监视通过验证的飞行计划执行飞行任务的进度，完成飞行计划的执行进度监控。依据飞行计划信息、气象信息、电子围栏和地理高程信息实现对无人机的运行进行监管，提供各类告警服务；

同时还为无人机用户飞行前和飞行中提供了气象产品服务、为无人机用户飞行前提供了情报产品服务；实现了无人机运行的安全有效监管服务；

因此，本发明可更好地管理无人机飞行计划，为无人机飞行提供气象、情报服务，实现无人机飞行监管服务，提高飞行的安全性。

附图说明

图1为本发明的无人机飞行服务与监管系统总体结构示意图；

图2为加载GRIB气象数据的流程示意图；

图3为雷达数据处理步骤示意图；

图4为空域模型示意图；

图5为搜寻地理高程数据文件步骤示意图；

图6为验证飞行计划的可飞性示意图；

图7为监控飞行计划示意图；

图8为主被动监视信息融合示意图；

图9为运行中告警服务示意图；

图10为无人机飞行间隔简化保护区示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明的无人机飞行服务与监管系统，如图1所示，气象处理服务器101、情报处理服务器102、飞行计划处理服务器103、监视信息处理服务器104。以下对各个部分的具体实施方式分别进行详细的描述。

1、气象处理服务器

气象处理服务器101是为无人机用户提供飞行前的GRIB气象预报数据，以及飞行中的雷达反射降水量数据。如图2和图3所示，其具体实施方案如下：

首先是，参照图2，获取GRIB气象预报数据，得到图形化、可视化的经纬度网格分布的格点数据，即是每隔6小时分布在1ft到30000ft非等高度分布的37个压力高度层的气象数据信息，包括风速、风向和温度；

若是基于航线运行的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中航路点列表的经纬度范围、在巡航高度层构成航线的外包矩形，并分别设置经度、纬度插值间隔；2、设置气象要素影响距离d，将外包矩形划定的地理区域按照设置的经纬度插值间隔离散化；3、获取所有距航线距离小于d的地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据；

若是基于区域作业的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中作业空域的经纬度范围，并结合作业空域的高度范围，构成作业空域的外包立方体，并分别设置经度、纬度、高度插值间隔；2、将外包立方体划定的地理空间按照设置的经度、纬度、高度插值间隔离散化；3、获得所有在作业空域内的空间地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据。

其次是，参照图3，飞行中提供实时雷达反射降水量数据的方法：

(1)获取实时全国雷达反射拼图，在已知其投影方式为Lambert等角圆锥投影即正轴等角圆锥投影的条件下，运用二维仿射变换理论进行图像配准，确定图像像素坐标与其在Lambert投影直角坐标系下坐标的仿射关系；

(2)运用Lambert投影原理及其投影特点，在地理坐标中完成图像投影变换并将数据栅格化；根据栅格数据的组织结构特点，通过三个步骤完成数据栅格化：确定索引序列、划分栅格单元、栅格单元赋值；

(3)依据图例提取回波强度对应像素，并实现具体地理位置的实时降水率估算；具体如下：

雷达回波图提供的数据对应为雷达回波强度，为估算降水率R(单位：mm/h)，首先要得到反射率因子Z(单位：mm⁶/m³)。回波强度dBZ与反射率因子Z之间的转换公式为：其中Z₀＝1mm⁶/m²。降水估计时，根据实测雨强和雨滴谱资料统计的结果得到如下经验公式：其中统一取A＝300，b＝1.4。

2、情报处理服务器

情报处理服务器102是为无人机用户飞行前提供现存三区(禁飞区、危险区和限制区)和民航净空区经纬度范围，其他无人机用户申报的隔离空域，地理高程数据等信息。

如图4和图5所示，其具体实施方案如下：

首先是，获取禁飞区、危险区、限制区及民航净空区数据，确定其由若干经纬度点限定的平面区域和上下海拔高度界定的高度范围，可以描述为限定了地理边界与高度范围的空间区域，即形象化为垂直于地表的柱体模型，建立空域模型；

然后是，获取其他无人机用户申报的临时隔离空域数据，建立隔离空域模型。临时空域即是用户向管制员申请，得到批复后可使用，使用完成后，撤销的空域；

最后是，地理高程数据为SRTM数据，SRTM数据组织方式为：每5度经纬度方格划分一个文件，共分为24行(-60至60度)和72列(-180至180度)。文件命名规则为srtm_XX_YY.zip，XX表示列数(01-72)，YY表示行数(01-24)。根据SRTM的数据组织方式，通过输入无人机飞行区域的经纬度范围搜寻相应的地理高程数据所在的文件，文件即包含无人机飞行区域的所有高程信息。具体步骤如下：

1、计算边界经纬度(包括最大与最小经纬度)所在的列数与行数，列数XX求解：行数YY求解：同时注意边界条件的判断与处理。其中：lon表示经度；lat表示纬度；37表示0°经线所处行数；12表示0°纬度所处列数；floor函数表示向下取整。

2、计算列差与行差，并根据SRTM文件划分与命名规则，循环获得相应地理高程数据文件名称。

3、飞行计划处理服务器

飞行计划处理服务器103能够建立飞行计划的表达和描述模型，为无人机计划的提交提供人机交互界面，在飞行前对计划进行校验，在飞行中对飞行计划执行的进度、偏离情况进行监控；

如图6和图7所示，其具体实施方案如下：

(1)申报飞行计划；无人机飞行计划的基本元素主要包括三部分，分别是运营人基本信息、无人机基本信息以及飞行场地基本信息。无人机用户通过WEB客户端和移动客户端在人机交互界面按照规定格式输入无人机飞行计划所包含元素，完成飞行计划的申报。

(2)验证飞行计划；管理员验证用户提交的飞行计划的可行性。验证飞行计划的可行性，主要是指验证飞行航线上或作业区域内的气象条件、空域冲突、地理超障高度。

首先是，验证气象条件。验证航线运行的飞行计划飞行前危险气象的具体方法如下：获取由气象服务模块提供的飞行航线上的GRIB气象预报数据(风和温度)，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如飞行航线上存在不符合飞行的强风或高(低)温等气象条件，则计划气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证。验证区域作业的飞行计划飞行前危险气象的具体方法如下：获取由气象服务模块提供的作业区域中的GRIB气象预报数据(风和温度)，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如作业区域中存在不符合飞行的强风或高(低)温等气象条件，则计划气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证。

然后是，验证空域冲突。验证航线运行的飞行计划飞行前空域冲突的具体方法如下：获取飞行航线上第一个航路点，作为前一点，读取下一个航路点作为当前点，前一点和当前点组成航段，判断航段是否穿越三区和民航净空区及临时隔离空域，若不穿越，则判断当前点是否为最后一个航路点，若是，则空域满足，否则，继续；当所有航段均不穿越三区和民航净空区及临时隔离空域，则不存在空域冲突，反之，存在空域冲突。验证区域作业的飞行计划空域冲突的具体方法如下：获取无人机飞行的作业空域，判断作业空域是否与现存三区和民航净空区及临时隔离空域有交集，若无交集，则空域无冲突，反之，则不满足。

最后是，验证超障高度。验证航线运行的飞行计划超障高度的具体方法如下：获取飞行航线的航路宽度并分别设置经度和纬度取样间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有航路范围内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否与巡航高度保持一定的安全间隔，若是，则超障高度满足；反之，则不满足。验证区域作业的飞行计划超障高度的具体方法如下：设置作业区域的经纬度插值间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有作业区域内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否高于作业空域的最高高度，若否，则超障高度满足；反之，则不满足。

(3)监控飞行计划；当飞行计划通过审批可以执行时，无人机驾驶员通过无人机控制席操控无人机飞行。无人机飞行测控站测控无人机飞行数据链，无人机飞行管制员通过无人机管制席位监控无人机飞行状态。监控飞行计划执行进度是通过系统实时接收到的无人机飞行信号，与系统数据库中的飞行计划进行匹配，根据匹配结果，系统自动变更飞行计划状态。飞行计划执行状态主要包括几种：待激活、激活、完成执行、取消执行。1、检测飞行计划被激活状态：接收端接收到无人机信号时，由此无人机识别号匹配数据库中未激活的飞行计划，匹配成功后，将计划状态修改为激活。2、检测飞行计划执行完成状态：接收端接收对应激活状态飞行计划的无人机信号，接收该信号时长与对应的飞行计划的时长匹配，超过计划申报时长后，并在设置的时间阈值内未接收到无人机信号，即认为该架次无人机完成飞行任务。3、检测飞行计划取消执行状态：与数据库中飞行计划执行时间匹配的时间段内，接收端一直未接收到无人机信号，则认为该时间段待激活的飞行计划取消执行。

4、监视信息处理服务器

监视信息处理服务器104实现对主被动监视系统，获得的无人机航迹信息进行融合，以提供更精确的飞行状态监视服务，并防止单一信息源失效而造成数据缺失现象的产生；在此基础上依据飞行计划信息、气象信息、电子围栏和地理高程信息实现对无人机的运行进行监管，提供各类告警服务。

如图8、图9及图10所示，其具体实施方案如下：

(1)主被动监视信息融合；

1、处理多源主动监视系统(包括基于3G/4G通信网络、北斗导航系统及ADS-B系统)获取到的无人机定位信息及飞行航迹信息；

2、对主被动监视系统获得的无人机航迹信息进行融合，提供更精确的飞行状态监视服务，能防止单一信息源失效而造成数据缺失现象的产生。

(2)告警服务；

1、危险天气告警：依据无人机当前的位置、速度、航向等信息，推测其一定时间后可能到达的区域，及在对应区域可能运行的时间，运用预测数据前进行相关运算，提前进行危险天气的告警。以全国雷达拼图为数据源，量化降水量对于无人机的损伤性。以下给出降水损伤程度的估算公式：其中，损伤程度r_D取值范围为0(无损坏)到1(完全损坏)；D为无人机能够承受的最大降水量(单位(mm/h)·h)；R_c为栅格数据中栅格单元c对应的降水率，t_c为无人机在对应栅格中的持续运行时间。参考民航飞机告警系统，告警等级由高到低划分为：警告、警戒与提示。损伤程度与告警等级的对应关系设定为：r_D∈(0.5,1)对应告警等级为警告、r_D∈(0.1,0.5)对应告警等级为警戒、r_D∈(0,0.1)对应告警等级为提示。

2、电子围栏(空域)告警：依据设置的地理围监视栏/电子围栏对特定无人机的飞行范围进行限定，在实际运行中对无人机可能违反的电子围栏限制(高度限制、地理边界限制)进行告警，具体步骤如下：1、缩小空域搜索范围。在进行空域遍历前，可通过外包矩形的方法快速找到符合条件的少量空域。对于某一航迹点，若空域地面投影多边形的最小外包矩形包含该航迹点，则将相应空域添加到粗选集，等待进一步判断；2、在空域粗选集中，按照航迹点与空域拓扑关系判断原理，判断航迹点所在空域，提供告警数据。

3、超障高度告警：依据无人机当前飞行的高度，获取当前点的地理高程数据，计算无人机飞行的超障高度，具体步骤如下：t_k时刻航空器的超障高度C_k为：C_k＝alt_k-ele_k。其中，alt_k为t_k时刻航空器的飞行高度(海拔高度，单位为米)；ele_k为t_k时刻航空器在地面投影位置的地理高程(海拔高度，单位为米)。

4、与其他航空器冲突告警：对一定时间、空间范围内空中交通现状及发展趋势进行分析，对可能或将要出现的飞行冲突进行告警。利用飞行冲突探测模型进行飞行冲突告警，依据相关的航空器法规，对无人机飞行的安全间隔进行相应简化，约定无人机之间纵向间隔和侧向间隔不小于A英尺，垂直间隔不小于B英尺，形成圆柱体保护区。已知只要航空器在某一方向上符合规定的安全间隔，就不需要考虑航空器其他两个方向上的安全间隔。假设航空器i与航空器j分别在航迹点和存在飞行冲突，其判断公式为：

其中，和分别代表航空器i与j之间的侧向间隔、纵向间隔以及垂直间隔，当M值为1时，表示发生冲突；否则，不发生冲突。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人机飞行服务与监管系统，包括气象处理服务器、情报处理服务器、飞行计划处理服务器、监视信息处理服务器，其特征在于：

所述气象处理服务器为无人机飞行提供气象服务，通过GRIB气象预报数据和实时全国雷达反射拼图，为无人机在飞行前提供飞行航线上或作业区域中的气象信息和天气信息；

所述情报处理服务器为无人机用户提供飞行前的情报信息服务，包括禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的经纬度范围，其他无人机用户申报的临时隔离空域以及地理高程数据以及民航和通航发布的通告；

所述飞行计划处理服务器，对无人机用户注册的无人机及其申报的飞行计划进行管理，建立飞行计划的表达和描述模型，为无人机计划的申报提供人机交互界面，在飞行前对飞行计划进行校验，在飞行中对飞行计划执行的进度、偏离情况进行监控；

所述监视信息处理服务器，对主被动监视系统获得的无人机航迹信息进行融合，提供飞行状态监视服务；在此基础上，依据飞行计划信息、气象信息、电子围栏和地理高程信息实现对无人机的运行进行监管，提供各类告警服务。

2.根据权利要求1所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：所述气象处理服务器为无人机在飞行前提供飞行航线上或作业区域中的气象信息的方法是：

步骤A1、获取GRIB气象预报数据，得到图形化、可视化的经纬度网格分布的格点数据，即每隔6小时分布在1ft到30000ft非等高度分布的37个压力高度层的气象预报数据信息，包括风速、风向和温度；

步骤A2、若是基于航线运行的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中航路点列表的经纬度范围、在巡航高度层构成航线的外包矩形，并分别设置经度、纬度插值间隔；2、设置气象要素影响距离d，将外包矩形划定的地理区域按照设置的经纬度插值间隔离散化；3、获取所有距航线距离小于d的地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据；

步骤A3、若是基于区域作业的飞行计划，提供GRIB气象预报数据的具体方法如下：1、计算飞行计划中作业空域的经纬度范围，并结合作业空域的高度范围，构成作业空域的外包立方体，并分别设置经度、纬度、高度插值间隔；2、将外包立方体划定的地理空间按照设置的经度、纬度、高度插值间隔离散化；3、获得所有在作业空域内的空间地理坐标，并插值计算对应位置的GRIB气象预报数据。

3.根据权利要求1所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：所述气象服务模块为无人机在飞行中提供飞行航线上或作业区域中的天气信息的方法是：

步骤A4、获取实时全国雷达反射拼图，在已知其投影方式为正轴等角圆锥投影的条件下，运用二维仿射变换理论进行图像配准，确定图像像素坐标与其在正轴等角圆锥投影直角坐标系下坐标的仿射关系；

步骤A5、运用正轴等角圆锥投影原理及其投影特点，在地理坐标中完成图像投影变换并将数据栅格化；根据栅格数据的组织结构特点，通过三个步骤完成数据栅格化：确定索引序列、划分栅格单元、栅格单元赋值；

步骤A6、依据图例提取回波强度对应像素，实现具体地理位置的实时降水率估算，得到对应位置降水量。

4.根据权利要求1所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：所述情报处理服务器为无人机用户飞行前提供禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的经纬度范围，其他无人机用户申报的隔离空域以及地理高程数据的方法是：

步骤B1、获取禁飞区、危险区、限制区及民航净空区数据，确定其由经纬度点限定的平面区域和上下海拔高度界定的高度范围，在此基础上抽象化为垂直于地表的柱体模型，建立空域模型；

步骤B2、获取其他无人机用户申报的临时隔离空域数据，建立隔离空域模型；

步骤B3、获取表示地理高程数据的SRTM数据的组织方式和命名规则，通过输入无人机飞行区域的经纬度范围搜寻相应的地理高程数据所在的地理文件，将搜寻到的地理文件加载到系统中。

5.根据权利要求1所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：所述飞行计划处理服务器处理飞行计划的方法是：

步骤C1、系统提供基于人机交互的无人机飞行计划的输入、管理接口；用户通过无人机客户端提交飞行计划，完成飞行计划的申报；

步骤C2、管理员依据系统中无人机信息、驾驶员信息以及飞行计划格式内容要求，对提交的飞行计划进行校验；在此基础上，依据无人机的飞行计划类型及内容，结合无人机性能、飞行环境、气象约束按需生成无人机静态初始航迹，为验证飞行计划可行性提供数据；

步骤C3、通过加载气象GRIB气象预报数据、禁飞区、危险区、限制区、民航净空区、临时隔离空域数据以及地理高程数据对飞行计划的可飞行性进行验证；

步骤C4、按照如下方法监视通过验证的飞行计划执行飞行任务的进度：通过系统实时接收到的无人机飞行信号，与系统数据库中的飞行计划进行匹配，根据匹配结果，系统自动变更飞行计划状态。

6.根据权利要求5所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：步骤C3中通过加载GRIB气象预报数据、禁飞区、危险区、限制区、民航净空区、临时隔离空域数据以及地理高程数据验证飞行计划可飞性的具体方法如下：

步骤C3.1、验证航线运行的飞行计划飞行前是否存在危险气象，具体方法如下：获取由气象服务模块提供的飞行航线上的GRIB气象预报数据，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如飞行航线上存在不符合飞行的气象条件，则气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证；

步骤C3.2、验证区域作业的飞行计划飞行前是否存在危险气象，具体方法如下：获取由气象服务模块提供的作业区域中的GRIB气象预报数据，与无人机性能能够承受的风速和温度范围进行对比，如作业区域中存在不符合飞行的气象条件，则气象条件不满足，反之，计划通过气象条件验证；

步骤C3.3、验证航线运行的飞行计划是否存在空域冲突，具体方法如下：获取飞行航线上第一个航路点，作为前一点，读取下一个航路点作为当前点，前一点和当前点组成航段，判断航段是否穿越禁飞区、危险区、限制区和民航净空区及临时隔离空域中的任意一个或几个：若不穿越，则判断当前点是否为最后一个航路点，若是，则空域满足，否则，继续判断下一个航段；当所有航段均不穿越禁飞区、危险区、限制区、民航净空区及临时隔离空域，则不存在空域冲突，反之，存在空域冲突；

步骤C3.4、验证区域作业的飞行计划是否存在空域冲突，具体方法如下：获取无人机飞行的作业空域，判断作业空域是否与禁飞区、危险区、限制区、民航净空区及临时隔离空域有交集，若无交集，则空域无冲突，反之，则存在空域冲突；

步骤C3.5、验证航线运行的飞行计划是否满足超障高度，具体方法如下：获取飞行航线的航路宽度并分别设置经度和纬度取样间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有航路范围内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否与巡航高度保持一定的安全间隔，若是，则超障高度满足；反之，则不满足；

步骤C3.6、验证区域作业的飞行计划是否满足超障高度，具体方法如下：设置作业区域的经纬度插值间隔，将地理高程取样区域按照设置的经纬度插值间隔离散化，获取所有作业区域内的地理高程，判断所获取的地理高程数据是否高于作业空域的最高高度，若否，则超障高度满足；反之，则不满足。

7.根据权利要求5所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：步骤C4中关于监控飞行计划执行进度的具体方法如下：

步骤C4.1、检测飞行计划被激活状态：系统的接收端接收到无人机信号时，由此无人机识别号匹配系统的数据库中未激活的飞行计划，匹配成功后，将计划状态修改为激活；

步骤C4.2、检测飞行计划执行完成状态：系统的接收端接收对应激活状态飞行计划的无人机信号，接收该信号时长与对应的飞行计划的时长匹配，超过计划申报时长后，并在设置的时间阈值内未接收到无人机信号，即认为该架次无人机完成飞行任务；

步骤C4.3、检测飞行计划取消执行状态：与数据库中飞行计划执行时间匹配的时间段内，接收端一直未接收到无人机信号，则认为该时间段待激活的飞行计划取消执行。

8.根据权利要求1所述无人机飞行服务与监管系统，其特征在于：所述监视信息处理服务器具体实现的方法是：

步骤D1、处理包括基于3G/4G通信网络、北斗导航系统及ADS-B系统多源主动监视系统获取到的无人机定位信息及飞行航迹信息；

步骤D2、对步骤D1中获得的无人机航迹信息进行融合，提供精确的飞行状态监视服务，并防止单一信息源失效而造成数据缺失现象的产生；

步骤D3、依据无人机当前的位置、速度、航向信息，推测其一定时间后可能到达的区域，及在上述对应区域可能运行的时间，运用预测数据进行相关运算，提前进行危险天气的告警；

步骤D4、设置地理围监视栏/电子围栏对特定无人机的飞行范围进行限定，在实际运行中对无人机可能违反的电子围栏限制进行告警；

步骤D5、依据无人机当前飞行高度，获取当前点的地理高程数据，计算无人机飞行的超障高度，对影响无人机飞行的超障高度进行告警；

步骤D6、对一定时间、空间范围内空中交通现状及发展趋势进行分析，对可能或将要出现的飞行冲突进行告警。