CN109976375A - 一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，技术体系包括：低空安全走廊划定技术、空间交通网络生成技术、空间交通路由规划技术、飞行动态监控技术、航空器飞行控制技术及综合服务平台关键技术，系统功能层次分为：基础信息接入层、数据中心平台层、应用层和用户层；本发明采用三维数字化空中走廊体系，建立统一的城市低空空域交通管理平台，实时监控飞行活动，保证航空作业活动的顺利进行，防止误飞误撞等事件发生，为空管部门提供科学规范、全面系统的管理模式和运行机制，同时为低空航空器提供所需信息服务，保障航空器在低空空域的飞行安全及起降过程的安全，促进我国低空领域的开放管理和航空器市场的可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术、自动化技术及航天技术的综合应用技术领域，具体是一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台。
背景技术
众所周知，随着我国经济社会的快速发展，我国低空航空器，特别是无人机的快速发展及其普遍应用已呈现井喷式增长，与此同时对正常的航空航空器、公共安全甚至涉及国家安全的敏感区域造成了潜在危害，现有的无人驾驶航空器管控技术重点集中在管制和阻断措施领域，即：(1)针对遥控飞行，对无人驾驶航空器的控制链路进行阻断与管控，以破坏地面控制者遥控无人驾驶航空器入侵受保护或受限制飞行区域的企图；(2)针对无人驾驶航空器巡航飞行，对 GPS、北斗以及GLONASS等卫星导航系统进行阻断与管控，以阻止无人驾驶航空器获取自身当前位置状态，进而破坏无人驾驶航空器巡航状态。
国外学者在低空空域的安全管理中主要研究怎样严格的控制飞机使用者的资质，来确保飞机使用者的安全，同时提高相关设备的精度和准确性，每架飞机上都装有TCAS系统(冲突自动避让系统)提高低空相关航路航线设备的精密度，同时建立相关有的管理平台和法律法规来进行有效的监管，国外的法律法规对这些问题做出了明确规定也有相对应的处罚措施；国内低空空域逐步开放以来，各种相关设备都属于起步和实验阶段，主要集中在以无人驾驶航空器为主的无线电监测和搜索防务方面，对航空器的相关认证还没有系统的标准和规范管理，国内相关研究学者也提出了许多方案和办法，目前也还没有一套系统规范的管理平台来整合相关资源和进行有效的监管。我国已制定了多部相关的法规，但没有配套的有效的监管就阻碍低空开放的步伐，空域也不能得到充分的利用，还属于摸着石头过河的阶段。
基于此，本发明针对中国低空空域出现的安全隐患问题，开展了低空空域中的各类航空器实时侦测和定位、实名认证准入制度、航空器低空监测网构建研究，采用主动和被动式探测系统作为低空空域航空器监测平台的补充模块，提出了面向低空安全三维数字化空中走廊体系的城市低空空域交通管理平台构建技术。
发明内容
本发明是针对中国低空空域出现的安全隐患问题，开展了低空空域中的各类航空器实时侦测和定位、实名认证准入制度、航空器低空监测网构建研究，采用主动和被动式探测系统作为低空空域航空器监测平台的补充模块，提出了基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，技术体系包括：低空安全走廊划定技术、空间交通网络生成技术、空间交通路由规划技术、飞行动态监控技术、航空器飞行控制技术及综合服务平台关键技术，系统功能层次分为：基础信息接入层、数据中心平台层、应用层和用户层。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述技术体系采用多源传感器探测技术、大数据分析技术、计算机控制技术、信息技术和虚拟现实技术等相结合，设计智能化、系统化的低空交通管理平台，主要分为：
(1)、低空安全走廊划定技术：目标是实现在低空空域中的监视空域和报告空域无缝衔接，划设低空空域中的目视飞行航线，方便通用航空器快捷机动飞行；
(2)、空间交通网络生成技术是根据低空空域中的空间交通网络布局、规模与城市规模、空间结构、地形地貌、城市居民区与商业区及工业区的分布等因素的互动关系，结合空中交通网络中各网络节点连通的可靠性、航空器出行时间可靠性及飞行情报服务质量可靠性等测度指标，开展交通网络空间需求分析与优化研究，构建空间交通网络搜索引擎，实现空间交通网络的定量分析和快速构建；
(3)、空间交通路由规划技术：分析地面形态与空间交通网络布局的关联性，开展偏差事件管理、飞行品质管理、风险管理，构建空中交通路线自动搜索与动态更新机制，实现空间交通的静态路径规划及动态路径规划；
(4)、飞行动态监控技术：运用移动互联网、大数据分析等现代信息技术，建设低空安全监管平台，提升对航空器在地面起降阶段和空中飞行过程中的追踪和监控能力，构建航空器飞行过程中涉及的短期航迹预测、冲突动态监控及冲突消解策略，确保航空器在低空空域飞行期间识别飞行报文类型、跟踪飞行轨迹、监测飞行状况，并对多源信息数据采用地图化显示方式和数据库管理，实现地面对飞行全过程动态实时监控；
(5)、航空器飞行控制技术：开展航空器模型特性分析、飞行控制系统设计与仿真、飞行任务规划，结合飞行品质规范，研究飞行姿态和轨迹的跟踪控制算法，以及对多组航空器进行编队避障和控制编队队形，检测飞行环境、跟踪障碍目标、规划避障路径、控制路径跟随方式，确保航空器自主、高精度、高可靠地实现任务目标；
(6)、综合服务平台关键技术：重点围绕完善低空空域中的基础性飞行情报资料体系，制定并发布低空数字化告警航图，在监视空域和报告空域实时发布航空器的相关飞行动态以及飞行区域的天气条件情况，提升航空情报、航空气象、飞行情报与告警服务等面向低空空域的数据服务能力，包含低空航空器在飞行区域的飞行任务审批、飞行计划申请和飞行审批备案的数据通信接口，为数据管理、数据查询选择、空间分析、交通需求预测和可视化表达提供空地一体化综合服务平台，实现空中交通网络的自动化管理和无缝运营。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述系统功能主要分为：
(1)、基础数据接入层，主要包括航空器的登记认证系统、飞行任务申报审核系统、航空器飞行监视和监测系统、航空器通信服务系统、气象地理环境等信息服务系统、空管部门综合服务系统等基础信息数据的接入；
(2)、数据中心平台层各分类中心，主要是指数据中心平台层需要的包括网络、数据存储、安全管理，硬件和软件等各种分类，数据中心是一整套复杂的设施，它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备(例如通信和存储系统)，还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置；
(3)、应用层，主要是空域交通管理平台的具体业务应用平台，包括城市低空空域交通安全走廊的划定和构建、空间交通网络路由规划和生成、航空器安全飞行的诱导和动态监测管理、航空器飞行控制、航空器飞行轨迹的绘制等综合管理应用平台，航空器智慧公共综合服务平台，航空器综合集成指挥平台 (特殊需求情况下的应急调度)；
(4)、用户层，主要是为航空器用户提供方便快捷的信息和应用服务，包括空管部门的信息发布、飞行信息咨询、航空器认证申报、审核信息查询、飞行任务和路线等应用的申报和查询，主要分为用户端、服务网站、智能终端、移动应用等。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述技术系统三维数字化空中走廊可视化流程为：
(1)、首先对低空空域进行分层规划；
(2)、结合空中走廊动态更新机制，对空中限制区进行设置；
(3)、选择低空飞行区域类别，并提取高程数据；
(4)、采用投影变换技术，实现空中飞行区域与地面坐标匹配；
(5)、获取空中及地面映射障碍物数据集；
(6)、绘制空中立体图像；
(7)、生成低空数字飞行通道；
(8)、对空域的水平及垂直精度进行校验；
(9)、最后生成三维空中飞行走廊。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述技术系统目标区域三维可视化模型构建方式为：
(1)、设计图纸结合纹理数据进行枢纽建筑物三维建模和道路桥梁等建模；
(2)、采用倾斜摄影技术，获取建筑物的影响及纹理数据，生产正射影像图，进行建筑物快速三维建模；
(3)、激光扫描技术与遥感影像纹理贴图结合的三维图像生成技术：首先激光点云数据进行预处理、栅格化、生成数字地势模型，采用遥感图像进行地理坐标配准；在特征提取阶段采用对高程模型的目标分割及遥感图像地物掩模提取，实现空间分割；在对象分割阶段，采用图像纹理、色彩特征提取和三维基元表示相结合，获取地面特征；在三维重建过程中，采用三维图像绘制和空间分层构建三维数字空域模型。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述技术系统空中走廊动态更新机制步骤为：首先对获取的媒体数据(包括业务部门接口数据)进行文本分析，提取拟定活动区域的人文及社会活动信息；然后，对语义信息的真实性进行判别，对相关活动的持续时间、位置等信息进行提取，同时对业务部门传输的气象数据进行安全风险等级判别，对气象风险区域进行区域位置信息提取；同时，根据防灾减灾业务部门通信接口、人防实施数据库通信接口及人防模拟数据库通信接口数据，对空中走廊进行动态切换，结合主动、被动式探测网进行地理信息系统空间分析，设置临时飞行限制区，实现三维数字化空中走廊的动态更新。
优选的，在上述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，所述技术系统基于噪声水平估计和经验模型分解的数字地势模型构建方法：数字地势模型(Digital Terrain Model,DTM)是三维数字化空中走廊设计中的地物目标识别、空域分层关键技术，如何提高DTM的精确度是科研工作者长期探索的难题，LiDAR激光点云数据是快速构建DTM的重要数据源，然而， LiDAR激光点云数据集通常包含大量噪声，直接影响DTM的精确度，本项目研究中，首先对基于LiDAR点云数据集的数字地表模型(Digital SurfaceModel, DSM)进行噪声水平估计，采用基于噪声水平估计的高斯滤波器对DSM纹理区域进行滤波，然后，对滤波后的DSM进行经验模型分解，接着，利用形态学的开操作对分解后的固有模式函数(intrinsic mode functions,IMF)进行滤波处理，取得残差信号，计算代价函数，若代价函数值小于等于1，将该点云数据标记为地面，为了识别非地表的目标物，根据初始高度阈值、地表坡度值、栅格大小计算地表上的目标高度阈值，然后，利用DSM与DTM的差值与目标高度阈值比较，若大于目标高度阈值，判定该点云数据为非地表的目标对象，最终，根据经验分解模型和形态学开操作，完成了对数字地势模型的精确构建及对非地表目标的精准识别。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：采用三维数字化空中走廊体系，建立统一的城市低空空域交通管理平台，实时监控飞行活动，保证航空作业活动的顺利进行，防止误飞误撞等不安全事件的发生，为空管部门提供科学规范、全面系统的管理模式和运行机制，同时为低空航空器提供所需的信息服务，保障航空器在低空空域的飞行安全及起降过程的安全，促进我国低空领域的开放管理和航空器市场的可持续发展；主要原理方法为：
1、城市低空空域交通安全走廊的划定和构建，主要是根据航空器类型和业务需求划分不同的飞行空域和空中走廊(空中飞行通道)，是使航空器严格按照空中走廊进行飞行，避免航空器进入空中走廊之外的限制区域，从而保证航空器的飞行安全。
2、空间交通网络路由规划和生成，根据航空器申报的飞行计划和飞行路线，结合地理环境和气象条件，为航空器提供快捷合法的飞行线路规划信息服务。
3、航空器安全飞行诱导和动态监测管理，是监管人员根据低空航空器使用单位在城市低空空域交通管理平台申请情况，包括飞行计划，申报飞行机型、飞行时段、飞行区域、飞行高度、飞行速度、飞行任务等信息，及时有效地进行飞行引导和实时动态监测管理。
4、航空器飞行控制、对空域内正在飞行的低空航空器可能存在的安全事件进行违规告警，必要时实施飞行干预，引导航空器安全着陆，减少突发事件中航空器对地面的安全威胁。其中，违规告警采用与飞行计划数据进行实时比对，对于违反飞行计划的事件及时告警，对于正在违规飞行或监测站上报的低空航空器用明亮色进行标注。飞行干预中，平台系统兼容飞控协议，在威胁低空安全情况下，平台可以远程发送飞控干预指令，令其返航或降落，确保低空空域安全和对地面人群及建筑物等的及时保护。
5、航空器飞行轨迹的绘制等综合管理应用，航空器飞行轨迹可以实现可视化显示：集成GIS(地理信息系统)，在系统界面上显示矢量地图(可自由缩放)和当前关注区域内正在飞行的低空航空器，可实时监控空中低空航空器的数量、方位、速度、高度和航向，防止它们发生碰撞或者飞入“禁区”。平台可以实时显示低空航空器基本信息、当前操作人员以及详细飞行状态，可以降低监管人员的监管工作强度、减少传统人工操作对人员专业技能要求较高的操作技术难度。
6、航空器智慧公共综合服务，为航空器用户提供方便快捷的信息和应用服务，包括空管部门的信息发布、飞行信息咨询、航空器认证申报、审核信息查询、飞行任务和路线等应用的申报和查询，方便用户及时查看飞行情报及调整飞行计划。
7、航空器综合集成指挥平台，可以在特殊需求情况下的实现应急调度，确保航空器的日常安全飞行和应急指挥的及时飞行走廊动态调整，确保低空空域资源的高效、合理使用。
本发明提出的基于三维数字化空中走廊体系的城市低空空域交通管理平台，旨在为国家空管部门提供科学规范、全面系统、服务便捷、运转高效的管理模式和运行机制，构建城市低空空域安全走廊体系，为低空航空器提供所需的信息服务，帮助低空航空器进行路径规划和碰撞危险规避，从而保障低空航空器的飞行安全，促进低空领域的开放管理和低空航空器市场的可持续发展。最大限度盘活低空空域资源，促进通用航空事业健康有序发展，为经济建设、国防建设和社会发展提供有力支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的低空安全三维数字化空中走廊体系图。
图2附图为本发明的城市低空空域交通管理平台构建框架图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，技术体系包括：低空安全走廊划定技术、空间交通网络生成技术、空间交通路由规划技术、飞行动态监控技术、航空器飞行控制技术及综合服务平台关键技术，系统功能层次分为：基础信息接入层、数据中心平台层、应用层和用户层。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述技术体系采用多源传感器探测技术、大数据分析技术、计算机控制技术、信息技术和虚拟现实技术等相结合，设计智能化、系统化的低空交通管理平台，主要分为：
（1）、低空安全走廊划定技术：目标是实现在低空空域中的监视空域和报告空域无缝衔接，划设低空空域中的目视飞行航线，方便通用航空器快捷机动飞行；
（2）、空间交通网络生成技术：根据低空空域中的空间交通网络布局、规模与城市规模、空间结构、地形地貌、城市居民区与商业区及工业区的分布等因素的互动关系，结合空中交通网络中各网络节点连通的可靠性、航空器出行时间可靠性及飞行情报服务质量可靠性等测度指标，开展交通网络空间需求分析与优化研究，构建空间交通网络搜索引擎，实现空间交通网络的定量分析和快速构建；
（3）、空间交通路由规划技术：分析地面形态与空间交通网络布局的关联性，开展偏差事件管理、飞行品质管理、风险管理，构建空中交通路线自动搜索与动态更新机制，实现空间交通的静态路径规划及动态路径规划；
（4）、飞行动态监控技术：运用移动互联网、大数据分析等现代信息技术，建设低空安全监管平台，提升对航空器在地面起降阶段和空中飞行过程中的追踪和监控能力，构建航空器飞行过程中涉及的短期航迹预测、冲突动态监控及冲突消解策略，确保航空器在低空空域飞行期间识别飞行报文类型、跟踪飞行轨迹、监测飞行状况，并对多源信息数据采用地图化显示方式和数据库管理，实现地面对飞行全过程动态实时监控；
（5）、航空器飞行控制技术：开展航空器模型特性分析、飞行控制系统设计与仿真、飞行任务规划，结合飞行品质规范，研究飞行姿态和轨迹的跟踪控制算法，以及对多组航空器进行编队避障和控制编队队形，检测飞行环境、跟踪障碍目标、规划避障路径、控制路径跟随方式，确保航空器自主、高精度、高可靠地实现任务目标；
（6）、综合服务平台关键技术：重点围绕完善低空空域中的基础性飞行情报资料体系，制定并发布低空数字化告警航图，在监视空域和报告空域实时发布航空器的相关飞行动态以及飞行区域的天气条件情况，提升航空情报、航空气象、飞行情报与告警服务等面向低空空域的数据服务能力，包含低空航空器在飞行区域的飞行任务审批、飞行计划申请和飞行审批备案的数据通信接口，为数据管理、数据查询选择、空间分析、交通需求预测和可视化表达提供空地一体化综合服务平台，实现空中交通网络的自动化管理和无缝运营。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述系统功能主要分为：
（1）、基础数据接入层，主要包括航空器的登记认证系统、飞行任务申报审核系统、航空器飞行监视和监测系统、航空器通信服务系统、气象地理环境等信息服务系统、空管部门综合服务系统等基础信息数据的接入；
（2）、数据中心平台层各分类中心，主要是指数据中心平台层需要的包括网络、数据存储、安全管理，硬件和软件等各种分类，数据中心是一整套复杂的设施，它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置；
（3）、应用层，主要是空域交通管理平台的具体业务应用平台，包括城市低空空域交通安全走廊的划定和构建、空间交通网络路由规划和生成、航空器安全飞行的诱导和动态监测管理、航空器飞行控制、航空器飞行轨迹的绘制等综合管理应用平台，航空器智慧公共综合服务平台，航空器综合集成指挥平台（特殊需求情况下的应急调度）；
（4）、用户层，主要是为航空器用户提供方便快捷的信息和应用服务，包括空管部门的信息发布、飞行信息咨询、航空器认证申报、审核信息查询、飞行任务和路线等应用的申报和查询，主要分为用户端、服务网站、智能终端、移动应用等。
4.根据权利要求2所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述技术系统三维数字化空中走廊可视化流程为：
（1）、首先对低空空域进行分层规划；
（2）、结合空中走廊动态更新机制，对空中限制区进行设置；
（3）、选择低空飞行区域类别，并提取高程数据；
（4）、采用投影变换技术，实现空中飞行区域与地面坐标匹配；
（5）、获取空中及地面映射障碍物数据集；
（6）、绘制空间立体图像；
（7）、生成低空数字飞行通道；
（8）、对空域的水平及垂直精度进行校验；
（9）、最后生成三维空中飞行走廊。
5.根据权利要求2所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述技术系统目标区域三维可视化模型构建方式为：
（1）、设计图纸结合纹理数据进行枢纽建筑物三维建模和道路桥梁等建模；
（2）、采用倾斜摄影技术，获取建筑物的影响及纹理数据，生产正射影像图，进行建筑物快速三维建模；
（3）、激光扫描技术与遥感影像纹理贴图结合的三维图像生成技术：首先激光点云数据进行预处理、栅格化、生成数字地势模型，采用遥感图像进行地理坐标配准；在特征提取阶段采用对高程模型的目标分割及遥感图像地物掩模提取，实现空间分割；在对象分割阶段，采用图像纹理、色彩特征提取和三维基元表示相结合，获取地面特征；在三维重建过程中，采用三维图像绘制和空间分层构建三维数字空域模型。
6.根据权利要求2所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述技术系统空中走廊动态更新机制步骤为：首先对获取的媒体数据（包括业务部门接口数据）进行文本分析，提取拟定活动区域的人文及社会活动信息；然后，对语义信息的真实性进行判别，对相关活动的持续时间、位置等信息进行提取，同时对业务部门传输的气象数据进行安全风险等级判别，对气象风险区域进行区域位置信息提取；同时，根据防灾减灾业务部门通信接口、人防实施数据库通信接口及人防模拟数据库通信接口数据，对空中走廊进行动态切换，结合主动、被动式探测网进行地理信息系统空间分析，设置临时飞行限制区，实现三维数字化空中走廊的动态更新。
7.根据权利要求2所述的一种基于三维数字化空中走廊的城市低空空域交通管理平台，其特征在于，所述技术系统基于噪声水平估计和经验模型分解的数字地势模型构建方法：数字地势模型（Digital Terrain Model,DTM）是三维数字化空中走廊设计中的地物目标识别、空域分层关键技术，如何提高DTM的精确度是科研工作者长期探索的难题，LiDAR激光点云数据是快速构建DTM的重要数据源，然而，LiDAR激光点云数据集通常包含大量噪声，直接影响DTM的精确度，本项目研究中，首先对基于LiDAR点云数据集的数字地表模型（Digital Surface Model, DSM）进行噪声水平估计，采用基于噪声水平估计的高斯滤波器对DSM纹理区域进行滤波，然后，对滤波后的DSM进行经验模型分解，接着，利用形态学的开操作对分解后的固有模式函数（intrinsic mode functions ,IMF)进行滤波处理，取得残差信号，计算代价函数，若代价函数值小于等于1，将该点云数据标记为地面，为了识别非地表的目标物，根据初始高度阈值、地表坡度值、栅格大小计算地表上的目标高度阈值，然后，利用DSM与DTM的差值与目标高度阈值比较，若大于目标高度阈值，判定该点云数据为非地表的目标对象，最终，根据经验分解模型和形态学开操作，完成了对数字地势模型的精确构建及对非地表目标的精准识别。
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