CN107393349B - 一种无人机飞行空域超界自动告警方法 - Google Patents

一种无人机飞行空域超界自动告警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人机飞行空域超界自动告警方法，首先对给定空域划分设置控制点组成多边形，然后对飞机与多边形的位置进行一次水平空域告警解算，然后将多边形分割为多个小多边形，进行二次水平空域告警。利用无人机导航位置信息，根据规定的飞行空域信息，通过算法自动判断无人机是否超出规定的飞行空域，若超界实时给出告警信息，以减轻操作人员负担。

Description

一种无人机飞行空域超界自动告警方法
技术领域
本发明属于无人机空域管制与自主控制技术，具体涉及一种无人机飞行空域超界自动告警方法。
背景技术
无人机作为一种快速发展的军事装备，在试飞试验、演习飞行或是实战飞行过程中，空域的使用应按照预先规定进行严格的限制，尤其是其他飞行器(有人机或无人机)在附近空域飞行时，更应保证无人机在预定空域内飞行。
无人机具备两种基本控制模式，即程序控制和人工控制；程序控制可实现无人机按照预先规划的航线飞行，一般可以保证无人机在预定空域内飞行；人工控制是通过给定高度及给定航向指令控制无人机飞行，通常在临时任务、突发目标情况下围绕目标飞行。无人机在人工控制模式下，地面控制站操纵手注意力通常集中在目标探测与跟踪上，往往忽略飞行空域的限制，造成飞机飞行空域超界。
目前，对无人机飞行空域超界主要通过地面站电子地图进行图形标绘，通过人工观察进行判断，分散操纵手精力，增加了人员负担，尤其不适用于一站控多机的使用模式。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决人工监控无人机飞行空域的不足，避免人工控制无人机时出现碰撞等飞行事故发生，本发明提出一种无人机飞行空域超界自动告警方法。本发明利用无人机导航位置信息，根据规定的飞行空域信息，通过算法自动判断无人机是否超出规定的飞行空域，若超界实时给出告警信息，以减轻操作人员负担。
技术方案
一种无人机飞行空域超界自动告警方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在给定飞行空域内离边界500-1000m设置多个顶点Z1、Z2、…Zi、…、Zn，每个顶点包括顶点序号、顶点纬度和经度信息，将各个顶点依次按顺序连接，最后一个顶点Zn与Z1连接，构成一个封闭多边形，其中i为顶点的序号，n为顶点的总个数；
步骤2：进行一次水平空域告警解算：
1)以无人机地面控制站位置的纬度经度(B0，L0)为参考、经度L0作为投影变换中心轴，将无人机地理坐标(BU，LU)转化为直角坐标(XU，YU)：
Figure GDA0002230464930000021
其中R＝6371393；
2)按如下方法判断无人机是否在多边形某个边上，若在则给出告警信息：
首先判断无人机是否在Z1(X1，Y1)与Z2(X2，Y2)连接的线段上
Figure GDA0002230464930000022
Figure GDA0002230464930000023
Figure GDA0002230464930000024
若同时满足：λ<10-5、X′1X′2≤0、Y′1Y′2≤0，则无人机在Z1与Z2连接的线段，若不满足，则继续按照上述方法，逐一判断该多边形的其他边Z2Z3、Z3Z4…ZnZ1；飞机处于该多边形的任意一条边上，均给出告警信息，并转入步骤3；若飞机不处于多边形任何一条边之上，则进入步骤3)；
3)在直角坐标系下以无人机为起点P0(XU，YU)，在其正北方向远距离取一点P1(1010，YU)，按照如下方法逐一判断线段P0P1与多边形各条边ZiZi+1和ZnZ1是否相交，累计相交次数，若相交次数为偶数则给出报警信息：
Figure GDA0002230464930000031
Figure GDA0002230464930000032
若0≤r≤1且0≤s≤1则线段相交，计入相交次数；其中(Xi，Yi)为Zi的坐标，(Xi+1，Yi+1)为Zi+1的坐标，r、s为计算控制参数；
步骤3：将多边形分割为若干个小多边形D1、D2、…Dl、…、Dm，其中l为分割后多边形的序号，m为多边形的总个数：各小多边形分割时尽量共用顶点，但顶点排序按各自多边形顺时针排列；对每个小多边形内部指定飞行高度上限与下限和准入时间；
步骤4：进行二次水平空域告警：
1)按照步骤2所述方法遍历各小多边形，查找出无人机位于哪一个小多边形Dl；
2)查找在步骤3中分割的小多边形Dl所对应的准入时间，取无人机当前北斗授时时间，若不在该准入时间段内则给出告警信息；
3)查找在步骤3中分割的小多边形Dl所对应的高度上限和下限，若无人机气压高度不在高度上限和下限组成的范围内，则给出告警信息。
所述步骤1中的多边形为凸多边形或者凹多边形。
所述步骤3中的准入时间采用天文时间。
有益效果
本发明提出的一种无人机飞行空域超界自动告警方法，与之前的人工视觉监控方式相比，提高了无人机监控的自动化程度，减轻了操作人员负担，实现了空间与时间的同时监控，降低了操作人员的失误概率，提高了系统的安全性。
本方法机载计算量小，实时性高，有效提高了无人机自主能力，为中小型无人机防撞提供了简便实现方法。
附图说明
图1是本方法总流程图
图2是本方法水平告警边界规划示意图
图3是本方法判断无人机是否在某条边上示意图
图4是本方法判断无人机是否在多边形内示意图
图5是本方法垂直空域分割示意图
图6是飞行航线及空域示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
1.利用多边形规划水平空域告警边界(一般在给定空域内0.5-1km)，并将多边形各顶点传递给告警程序。
1)多边形可以为凸多边形，也可是凹多边形；
2)多边形每个顶点一般包括顶点序号、顶点纬度、经度等，如Z1、Z2、…Zi…Zn等，每个顶点依次按顺序连接构成多边形，最后一个顶点Zn与Z1连接，构成封闭多边形；
3)多边形顶点采用C语言的结构体数据方式传递至告警程序，数组可定义为Z[i]，Z[i]的结构形式一般为：
Figure GDA0002230464930000041
Figure GDA0002230464930000051
2.进行一次水平空域告警解算：
1)地理坐标至站心直角坐标变换
以无人机地面控制站位置的纬度经度(B0，L0)为参考，将其经度L0作为投影变换中心轴，无人机地理坐标(BU，LU)按如下式计算其直角坐标(XU，YU)：
Figure GDA0002230464930000052
其中R＝6371393。
2)按如下方法判断无人机是否在多边形某个边上，若在则给出告警信息：
首先判断无人机是否在Z1(X1，Y1)与Z2(X2，Y2)连接的线段上
Figure GDA0002230464930000053
Figure GDA0002230464930000054
Figure GDA0002230464930000055
若同时满足：λ<10-5、X′1X′2≤0、Y′1Y′2≤0，则无人机在Z1与Z2连接的线段上，若不满足，则继续按照上述方法，逐一判断该多边形的其他边Z2 Z3、Z3 Z4…Zn Z1；飞机处于该多边形的任意一条边上，均给出告警信息，并转入步骤3；若飞机不处于多边形任何一条边之上，则继续以下计算。
3)在直角坐标系下以无人机为起点P0(XU，YU)，在其正北方向远距离取一点P1(1010，YU)，按照如下方法逐一判断线段P0P1与多边形各条边ZiZi+1和ZnZ1是否相交，累计相交次数，若相交次数为偶数则给出报警信息：
Figure GDA0002230464930000061
Figure GDA0002230464930000062
若(0≤r≤1)且(0≤s≤1)则线段相交，计入相交次数。其中(Xi，Yi)为Zi的坐标，(Xi+1，Yi+1)为Zi+1的坐标，r、s为计算控制参数。
3.根据垂直空域规定，对水平空域分割，分割成不同的小多边形(根据可飞行空域的高度上限及下限值，将水平空域按照高度上限和下限分割为若干个区域D1、D2、…Di、…、Dn)：
1)对每个小多边形内部指定飞行高度上限与下限和准入时间；
2)各多边形分割时尽量共用顶点，但顶点排序按各自多边形顺时针排列；
4.进行二次水平空域告警
1)根据2.所述方法遍历各多边形，查找出无人机位于哪一个小多边形，如Dl；
2)查找在3.中分割的Dl多边形所对应的准入时间(天文时间)，取无人机当前北斗授时时间，若不在该准入时间段内则给出告警信息；
3)查找在3.中分割的Dl多边形所对应的高度上限和下限，若无人机气压高度超出高度上限或下限，则给出告警信息。
本发明在ASN209型无人机上进行了应用，该型无人机采用GPS导航，应用主要分为两个部分：一是基于数字地图的空域边界规划；二是机载超界自动解算程序。该型无人机主要用于对地光电成像侦察，一般在无线电视距内飞行，飞行空域选择涵盖地形约束与飞行管制区域进行，边界规划如所示。点W1至W8为程控航路点，位于一次水平告警边界内；一次水平告警边界由Z1至Z14点构成类似“工”字闭合区域组成；
二次水平空域告警分为A区、B区和C区，其中A区由点Z1、Z2及Z9～Z14共8各点构成闭合区域，飞行高度限制为400m～2000m，无时间限制，该区用于无人机发射起飞与回收；B区由点Z2、Z3、Z8和Z9共4个点构成闭合区域，飞行高度限制为1800m～3500m，无时间限制，该区域跨越山地隆起地形，是出动与撤出航路区；C区有Z3～Z8共6各点构成闭合区域，该区为侦察作业区域，飞行高度限制为2200m～4200m，允许进入时间为2013年7月12日17：20至2013年7月12日20：50。
电子地图按照规划区域共生成4张电子表格用于存储飞行边界(按顺时针)，并将每张表按点次序通过数据链依次装定至机载计算机，并装定程控航路点。
飞机发射起飞后，通过手动控制在A区超界，机载计算机给出水平超界告警并通过数据链下传至地面站，地面站软件给出告警提示信息。
程序控制飞机沿W5向W6飞行，将程控高度临时改为4200m，飞机飞至3500m以上时，给出高度告警信息；
程序控制飞机在2013年7月12日19：20进入侦察区，沿W7～W8往返飞行，飞行至2013年7月12日20：30：5机载计算机给出空域超时告警信息。

Claims (3)

1.一种无人机飞行空域超界自动告警方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在给定飞行空域内离边界500-1000m设置多个顶点Z1、Z2、…Zi、…、Zn，每个顶点包括顶点序号、顶点纬度和经度信息，将各个顶点依次按顺序连接，最后一个顶点Zn与Z1连接，构成一个封闭多边形，其中i为顶点的序号，n为顶点的总个数；
步骤2：进行一次水平空域告警解算：
1)以无人机地面控制站位置的纬度经度(B0，L0)为参考、经度L0作为投影变换中心轴，将无人机地理坐标(BU，LU)转化为直角坐标(XU，YU)：
Figure FDA0002230464920000011
其中R＝6371393；
2)按如下方法判断无人机是否在多边形某个边上，若在则给出告警信息：
首先判断无人机是否在Z1(X1，Y1)与Z2(X2，Y2)连接的线段上
Figure FDA0002230464920000012
Figure FDA0002230464920000013
Figure FDA0002230464920000014
若同时满足：λ<10-5、X′1X′2≤0、Y′1Y′2≤0，则无人机在Z1与Z2连接的线段，若不满足，则继续按照上述方法，逐一判断该多边形的其他边Z2Z3、Z3Z4…ZnZ1；飞机处于该多边形的任意一条边上，均给出告警信息，并转入步骤3；若飞机不处于多边形任何一条边之上，则进入步骤3)；
3)在直角坐标系下以无人机为起点P0(XU，YU)，在其正北方向远距离取一点P1(1010，YU)，按照如下方法逐一判断线段P0P1与多边形各条边ZiZi+1和ZnZ1是否相交，累计相交次数，若相交次数为偶数则给出报警信息：
Figure FDA0002230464920000021
Figure FDA0002230464920000022
若0≤r≤1且0≤s≤1则线段相交，计入相交次数；其中(Xi，Yi)为Zi的坐标，(Xi+1，Yi+1)为Zi+1的坐标，r、s为计算控制参数；
步骤3：将多边形分割为若干个小多边形D1、D2、…Dl、…、Dm，其中l为分割后多边形的序号，m为多边形的总个数：各小多边形分割时尽量共用顶点，但顶点排序按各自多边形顺时针排列；对每个小多边形内部指定飞行高度上限与下限和准入时间；
步骤4：进行二次水平空域告警：
1)按照步骤2所述方法遍历各小多边形，查找出无人机位于哪一个小多边形Dl；
2)查找在步骤3中分割的小多边形Dl所对应的准入时间，取无人机当前北斗授时时间，若不在该准入时间段内则给出告警信息；
3)查找在步骤3中分割的小多边形Dl所对应的高度上限和下限，若无人机气压高度不在高度上限和下限组成的范围内，则给出告警信息。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行空域超界自动告警方法，其特征在于所述步骤1中的多边形为凸多边形或者凹多边形。
3.根据权利要求1所述的一种无人机飞行空域超界自动告警方法，其特征在于所述步骤3中的准入时间采用天文时间。
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