CN108922250B - 一种空域冲突检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空域冲突检测方法及系统，接收获得外部发送的空域信息；获取存储在本地的空域信息；将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；所述基本空域包括但不限于圆柱形空域、椭圆柱形空域、多边体空域和线段；将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。与现有技术相比，本发明统一用户使用的空域类型和图形样式，在统一空域接口的基础上使用快速并行的空域冲突检测方法，提高了针对大范围内空域冲突判定的性能和成功率。

Description

一种空域冲突检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种空域冲突检测方法及系统，涉及空中交通管制领域。

背景技术

随着我国国民经济的发展和科学技术的进步，通用航空和无人机作为新兴的经济增长点正快速进入人们的视野，未来的发展结果是空中飞行器的种类和数量都会不断增加，对于民用空域的需求和飞行的冲突也会不断增加。因此，在保证飞行活动安全的前提下，合理的规划空域，检测空域使用时的冲突情况，满足各空域用户的需求，提高空域使用效率，将促进民航、通航和无人机产业的进一步发展。

现有的空域冲突判断技术多是基于GIS引擎提供的底层API实现，各类空域的类型、图形样式五花八门，不利于系统间的交互，同时空域类型的不统一导致空域冲突判断的计算量增大，在针对小范围的空域冲突判定时性能尚佳，若是针对大范围的空域冲突检测则由于计算复杂导致性能下降。

发明内容

本发明提供一种空域冲突检测方法及系统，具有能够针对大范围的空域冲突进行检测判断的特点。

根据本发明提供的一种空域冲突检测方法，具体包括，

获得空域信息，接收获得外部发送的空域信息，包括航路航线信息、禁飞区信息、限制区信息、危险区信息、飞行计划信息和临时空域信息；获取存储在本地的空域信息；上述所有空域信息均包括空域名称、空域形状、空域类型、空域范围、使用时段和使用者信息；读取本地空域信息；

空域信息分解，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；所述基本空域包括但不限于圆柱形空域、椭圆柱形空域、多边体空域和线段；

空域信息映射，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；

选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。

具体包括，

将各航路映射为多边形存储在空域水平面映射数组horizon[]中，航线映射为线段加入数组horizon[]中，椭圆柱空域映射为椭圆并规格化为多边形后加入horizon[]中；在垂直方向上映射为多条线段，并存储在垂直方向映射数组vertical[]中；最终，形成的空域对象数据结构为Airspace＝(horizon[],vertical[])；

冲突初步筛选，具体包括，

S101，从两个空域对象的horizon[]数组中分别读出一个规格化图形；

S102，构造这两个规格化图形的投影矩形，即求出线段P或多边形Q所有顶点中的最大和最小x、y坐标，记为XP_min、YP_min、XP_max、YP_max以及XQ_min、YQ_min、XQ_max、YQ_max；其中XP_min为线段P在x轴方向的最小值；YP_min为线段P在y轴方向的最小值；XP_max为线段P在x轴方向的最大值；YP_max为线段P在y轴方向的最大值；XQ_min为多边形Q在x轴方向的最小值；YQ_min为多边形Q在y轴方向的最小值；XQ_max为多边形Q在x轴方向的最大值；YQ_max为多边形Q在y轴方向的最大值；

S103，若筛选条件XP_max≥XQ_min、YP_max≥YQ_min、XP_min≤XQ_max、YP_min≤YQ_max中的至少一个成立，那么表示规格化图形P和Q之间存在冲突的可能性；否则，表示规格化图形P和Q之间不存在冲突，继续返回S101，直至数组horizon[]中的所有元素都遍历完成。

还包括冲突精细化筛选，如果冲突初步筛选中发现存在冲突的可能性，则进行冲突精细化筛选，具体方法包括，

S201，判断可能产生冲突的两个规格化图形的具体类型；如果是线段与多边形，则进入S202；如果是多边形与多边形，则进入S203；如果是线段与线段则进入S204；

S202，将线段与多边形的精细化筛选转换为线段与多边形上每一条线段的相交检测；进入S204；

S203，将多边形与多边形的精细化筛选转换为两个多边形每一条线段的相交检测；进入S204；

S204，判断两条线段S₁(p₁,p₂)、S₂(p₃,p₄)在水平方向上是否相交，如果相交则说明在水平方向上存在冲突，直至所有线段比较完毕，如果均不相交，则说明并不存在冲突；其中p₁、p₂是构成线段S₁的两个点，p₃、p₄是构成线段S₂的两个点。

还包括垂直冲突筛选，如果冲突精细化筛选过程中，两条线段在水平方向上相交，则进行垂直冲突检测，具体方法包括，从两个空域对象的vertical[]数组中，分别读出在水平面上存在冲突的规格化图形对应的元素，假设记为ZP_min、ZP_max和ZQ_min、ZQ_max；其中，ZP_min表示线段P在z轴方向上的最小值，ZP_max表示线段P在z轴方向上的最大值；ZQ_min表示多边形Q在z轴方向上的最小值；ZQ_max表示多边形Q在z轴方向上的最大值；

若筛选条件ZQ_max≥ZP_min、ZP_max≥ZQ_min中至少有一个成立，那么表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上存在冲突；否则，表示表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上不存在冲突。

判断两条线段是否在水平上相交的具体方法包括，先设：

其中，

是点p₁、p₂的x坐标，

是点p₁、p₂的y坐标，

是点p₃、p₄的x坐标，

是点p₃、p₄的y坐标。

若x1_max<x2_min或y1_max<y2_min或x1_min>x2_max或y1_min>y2_max，则表示线段S₁和S₂不相交；否则，需要进一步判断；为此设：

点p₁和p₂构成的直线方程为

凡在此直线上的点必满足

而不在该直线上的其他点使

并且不在该直线同一侧的两个点对应的两个f(x,y)值是异号的，因此，判断p₃、p₄在S₁不同侧的充分必要条件是：

同理可写出点p₃和p₄构成的直线方程，进而可判断p₁、p₂在S₂不同侧的充分必要条件；

显然，若线段的两个端点都在对方的不同侧，则此两线段必然相交；

若筛选条件

和

同时成立，那么表示规格化图形的线段S₁和S₂之间在水平面上存在冲突；否则，表示规格化图形的线段S₁和S₂之间不存在冲突。

所述方法还包括，输出冲突检测结果。

所述方法还包括，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

一种空域冲突检测系统，用于实现上述空域冲突检测方法，包括，

空域信息获取模块，获取外部空域信息和内部空域信息；

空域信息分解模块，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；

空域信息映射模块，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；

空域冲突判断模块，选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。

还包括冲突显示模块，显示冲突加测结果。

还包括冲突报警模块，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

与现有技术相比，本发明根据空域管理系统应用实践过程中的经验，统一用户使用的空域类型和图形样式等，在统一空域接口的基础上使用快速并行的空域冲突检测方法，提高针对大范围内空域冲突判定的性能和成功率。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的空域冲突检测流程示意图。

图2为本发明其中一实施例的空域分解和映射结构示意图。

图3为本发明其中一实施例的空域冲突检测流程示意图。

图4为本发明其中一实施例中线段和多边形的投影矩形示意图。

图5为本发明其中一实施例的空域冲突检测系统结构示意图。

图6为本发明其中一实施例的参数设置模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种空域冲突检测方法，具体包括，

获得空域信息，接收获得外部发送的空域信息，包括航路航线信息、禁飞区信息、限制区信息、危险区信息、飞行计划信息和临时空域信息；获取存储在本地的空域信息；上述所有空域信息均包括空域名称、空域形状、空域类型、空域范围、使用时段和使用者信息；读取本地空域信息；

空域信息分解，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；所述基本空域包括但不限于圆柱形空域、椭圆柱形空域、多边体空域和线段；

如图2所示，空域信息映射，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面(水平面)，以及统一坐标系的z轴(垂直方向)；

选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。

无论是外部空域信息还是本地空域信息都有可能存在两两冲突的情况，因此，要对所有的空域信息均进行两两比较。本发明根据空域管理系统应用实践过程中的经验，统一用户使用的空域类型和图形样式等，在统一空域接口的基础上使用快速并行的空域冲突检测方法，提高针对大范围内空域冲突判定的性能和成功率。

作为本发明的一种具体实施方式，如图3所示，具体包括，

将各航路映射为多边形存储在空域水平面映射数组horizon[]中，航线映射为线段加入数组horizon[]中，椭圆柱空域映射为椭圆并规格化为多边形后加入horizon[]中；在垂直方向上映射为多条线段，并存储在垂直方向映射数组vertical[]中；最终，形成的空域对象数据结构为Airspace＝(horizon[],vertical[])；

冲突初步筛选，具体包括，

S101，从两个空域对象的horizon[]数组中分别读出一个规格化图形(线段或多边形)；

S102，构造这两个规格化图形的投影矩形，即求出线段P或多边形Q所有顶点中的最大和最小x、y坐标，记为XP_min、YP_min、XP_max、YP_max以及XQ_min、YQ_min、XQ_max、YQ_max；其中XP_min为线段P在x轴方向的最小值；YP_min为线段P在y轴方向的最小值；XP_max为线段P在x轴方向的最大值；YP_max为线段P在y轴方向的最大值；XQ_min为多边形Q在x轴方向的最小值；YQ_min为多边形Q在y轴方向的最小值；XQ_max为多边形Q在x轴方向的最大值；YQ_max为多边形Q在y轴方向的最大值；

S103，若筛选条件XP_max≥XQ_min、YP_max≥YQ_min、XP_min≤XQ_max、YP_min≤YQ_max中的至少一个成立，那么表示规格化图形P和Q之间存在冲突的可能性；否则，表示规格化图形P和Q之间不存在冲突，继续返回S101，直至数组horizon[]中的所有元素都遍历完成。

作为本发明的一种具体实施方式，如图3和图4所示，还包括冲突精细化筛选，如果冲突初步筛选中发现存在冲突的可能性，则进行冲突精细化筛选，具体方法包括，

S201，判断可能产生冲突的两个规格化图形的具体类型；如果是线段与多边形，则进入S202；如果是多边形与多边形，则进入S203；如果是线段与线段则进入S204；

S202，将线段与多边形的精细化筛选转换为线段与多边形上每一条线段的相交检测；进入S204；

S203，将多边形与多边形的精细化筛选转换为两个多边形每一条线段的相交检测；进入S204；

S204，判断两条线段S₁(p₁,p₂)、S₂(p₃,p₄)在水平方向上是否相交，如果相交则说明在水平方向上存在冲突，直至所有线段比较完毕，如果均不相交，则说明并不存在冲突；其中p₁、p₂是构成线段S₁的两个点，p₃、p₄是构成线段S₂的两个点。

如图3所示，作为本发明的一个具体实施方式，还包括垂直冲突筛选，如果冲突精细化筛选过程中，两条线段在水平方向上相交，则进行垂直冲突检测，具体方法包括，

从两个空域对象的vertical[]数组中，分别读出在水平面上存在冲突的规格化图形对应的元素，假设记为ZP_min、ZP_max和ZQ_min、ZQ_max；其中，ZP_min表示线段P在z轴方向上的最小值，ZP_max表示线段P在z轴方向上的最大值；ZQ_min表示多边形Q在z轴方向上的最小值；ZQ_max表示多边形Q在z轴方向上的最大值；

若筛选条件ZQ_max≥ZP_min、ZP_max≥ZQ_min中至少有一个成立，那么表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上存在冲突；否则，表示表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上不存在冲突。

11.作为本发明的一种实施方式，判断两条线段是否在水平上相交的具体方法包括，先设：

其中，

是点p₁、p₂的x坐标，

是点p₁、p₂的y坐标，

是点p₃、p₄的x坐标，

是点p₃、p₄的y坐标。

若x1_max<x2_min或y1_max<y2_min或x1_min>x2_max或y1_min>y2_max，则表示线段S₁和S₂不相交；否则，需要进一步判断；为此设：

点p₁和p₂构成的直线方程为

凡在此直线上的点必满足

而不在该直线上的其他点使

并且不在该直线同一侧的两个点对应的两个f(x,y)值是异号的，因此，判断p₃、p₄在S₁不同侧的充分必要条件是：

同理可写出点p₃和p₄构成的直线方程，进而可判断p₁、p₂在S₂不同侧的充分必要条件；

显然，若线段的两个端点都在对方的不同侧，则此两线段必然相交；

若筛选条件

和

同时成立，那么表示规格化图形的线段S₁和S₂之间在水平面上存在冲突；否则，表示规格化图形的线段S₁和S₂之间不存在冲突。

作为本发明的一种实施方式，所述方法还包括，输出冲突检测结果。

作为本发明的一种实施方式，所述方法还包括，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

如图5所示，一种空域冲突检测系统，用于实现上述空域冲突检测方法，其特征在于，包括，

空域信息获取模块，获取外部空域信息和内部空域信息；

空域信息分解模块，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；

空域信息映射模块，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；

空域冲突判断模块，选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。

作为本发明的一种实施方式，还包括冲突显示模块，显示冲突加测结果。

作为本发明的一种实施方式，还包括冲突报警模块，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

作为本发明的一种实施方式，如图6所示，还包括参数设置模块，参数设置模块主要包括颜色设置、检测参数设置和提示参数设置等功能，能够打开或者关闭各种参数、信息设置开关。功能包括：空域相关的图形、标牌、信息等颜色的设置，涉及检测算法的坐标系、映射参数、投影参数、初选阈值、精选阈值、垂直阈值等参数的设置和选择，以及与人机界面提示功能相关的冲突显示、文字信息、提示策略、语音设置、数字和英文读法设置、文字编辑和文本导入导出等选项。

Claims (7)

1.一种空域冲突检测方法，具体包括，获得空域信息，接收获得外部发送的空域信息，包括航路航线信息、禁飞区信息、限制区信息、危险区信息、飞行计划信息和临时空域信息；获取存储在本地的空域信息；上述所有空域信息均包括空域名称、空域形状、空域类型、空域范围、使用时段和使用者信息；读取本地空域信息；

空域信息分解，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；所述基本空域包括但不限于圆柱形空域、椭圆柱形空域、多边体空域和线段；

空域信息映射，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；

选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形；

所述的空域冲突检测方法，具体包括，将各航路映射为多边形存储在空域水平面映射数组horizon[]中，航线映射为线段加入数组horizon[]中，椭圆柱空域映射为椭圆并规格化为多边形后加入horizon[]中；在垂直方向上映射为多条线段，并存储在垂直方向映射数组vertical[]中；最终，形成的空域对象数据结构为Airspace＝(horizon[],vertical[])；

冲突初步筛选，具体包括，

S101，从两个空域对象的horizon[]数组中分别读出一个规格化图形；

S102，构造这两个规格化图形的投影矩形，即求出线段P或多边形Q所有顶点中的最大和最小x、y坐标，记为XP_min、YP_min、XP_max、YP_max以及XQ_min、YQ_min、XQ_max、YQ_max；其中XP_min为线段P在x轴方向的最小值；YP_min为线段P在y轴方向的最小值；XP_max为线段P在x轴方向的最大值；YP_max为线段P在y轴方向的最大值；XQ_min为多边形Q在x轴方向的最小值；YQ_min为多边形Q在y轴方向的最小值；XQ_max为多边形Q在x轴方向的最大值；YQ_max为多边形Q在y轴方向的最大值；

S103，若筛选条件XP_max≥XQ_min、YP_max≥YQ_min、XP_min≤XQ_max、YP_min≤YQ_max中的至少一个成立，那么表示规格化图形P和Q之间存在冲突的可能性；否则，表示规格化图形P和Q之间不存在冲突，继续返回S101，直至数组horizon[]中的所有元素都遍历完成；

还包括冲突精细化筛选，如果冲突初步筛选中发现存在冲突的可能性，则进行冲突精细化筛选，具体方法包括，

S201，判断可能产生冲突的两个规格化图形的具体类型；如果是线段与多边形，则进入S202；如果是多边形与多边形，则进入S203；如果是线段与线段则进入S204；

S202，将线段与多边形的精细化筛选转换为线段与多边形上每一条线段的相交检测；进入S204；

S203，将多边形与多边形的精细化筛选转换为两个多边形每一条线段的相交检测；进入S204；

S204，判断两条线段S₁(p₁,p₂)、S₂(p₃,p₄)在水平方向上是否相交，如果相交则说明在水平方向上存在冲突，直至所有线段比较完毕，如果均不相交，则说明并不存在冲突；其中p₁、p₂是构成线段S₁的两个点，p₃、p₄是构成线段S₂的两个点；

判断两条线段是否在水平上相交的具体方法包括，先设：

其中，

是点p₁、p₂的x坐标，

是点p₁、p₂的y坐标，

是p₃、p₄的x坐标，

是p₃、p₄的y坐标；

若x1_max<x2_min或y1_max<y2_min或x1_min＞x2_max或y1_min＞y2_max,则表示线段S₁和S₂不相交；否则，需要进一步判断；为此设：

点p₁和p₂构成的直线方程为

凡在此直线上的点必满足：

而不在该直线上的其他点使

并且不在该直线同一侧的两个点对应的两个f(x,y)值是异号的，因此，判断p₃、p₄在S₁不同侧的充分必要条件是：

同理可写出点p₃和p₄构成的直线方程，进而可判断p₁、p₂在S₂不同侧的充分必要条件；

显然，若线段的两个端点都在对方的不同侧，则此两线段必然相交；

若筛选条件

和

同时成立，那么表示规格化图形的线段S₁和S₂之间在水平面上存在冲突；否则，表示规格化图形的线段S₁和S₂之间不存在冲突。

2.根据权利要求1所述的空域冲突检测方法，还包括垂直冲突筛选，如果冲突精细化筛选过程中，两条线段在水平方向上相交，则进行垂直冲突检测，具体方法包括，

从两个空域对象的vertical[]数组中，分别读出在水平面上存在冲突的规格化图形对应的元素，假设记为ZP_min、ZP_max和ZQ_min、ZQ_max；其中，ZP_min表示线段P在z轴方向上的最小值，ZP_max表示线段P在z轴方向上的最大值；ZQ_min表示多边形Q在z轴方向上的最小值；ZQ_max表示多边形Q在z轴方向上的最大值；

若筛选条件ZQ_max≥ZP_min、ZP_max≥ZQ_min中至少有一个成立，那么表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上存在冲突；否则，表示表示规格化图形P和Q对应的空域对象在垂直方向上不存在冲突。

3.根据权利要求1所述的空域冲突检测方法，所述方法还包括，输出冲突检测结果。

4.根据权利要求1所述的空域冲突检测方法，所述方法还包括，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

5.一种空域冲突检测系统，用于实现权利要求1到4之一所述的空域冲突检测方法，其特征在于，包括，

空域信息获取模块，获取外部空域信息和内部空域信息；

空域信息分解模块，将获得的外部空域信息和本地空域信息进行分解为基本空域的组合；

空域信息映射模块，将分解为基本空域的空域信息映射并规格化到统一坐标的xy平面，以及统一坐标系的z轴；

空域冲突判断模块，选择两个空域的规格图形进行比较，通过图形的交叠来判断是否存在冲突；所述两个空域的规格图形空域为相同类型的规格化图形，或不同类型的规格化图形。

6.根据权利要求5所述的空域冲突检测系统，其特征在于，还包括冲突显示模块，显示冲突加测结果。

7.根据权利要求5所述的空域冲突检测系统，还包括冲突报警模块，根据冲突检测结果进行空域冲突报警。

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