CN111028548A - 一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用，涉及空域划设技术领域，能够对低空空域进行有效划分，实时调整适飞空域和限制空域的属性，最大程度增加适飞空域；该方法对限制空域进行操作：S1、根据网格区域重要程度进行重要程度等级的评估；S2、根据规定时间段飞行轨迹数据的热力图，对该区域进行热力等级评估；S3、根据重要程度等级和热力等级生成开放值；S4、判断开放值是否达到预设开放值，若是，该空域为适飞空域；若否，则该空域为限制空域；S5、对S4中得到的限制空域进行进一步划分，并针对新划分的区域执行S1～S4，直至满足划分终止条件。本发明提供的技术方案适用于低空空域划分的过程中。

Description

一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用

【技术领域】

本发明涉及空域划设技术领域，尤其涉及一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用。

【背景技术】

飞行的热点地区会随着环境以及天气等因素随时发生变化。因此需要在不同的情况下对适飞空域进行及时的调整。以最大限度实现在保护限制空域的前提下满足飞行需求。

我国空域分为5类：飞行情报、管制区、限制区、危险区和禁区。为了有效的实施空中管制，我国在飞行情报区和管制区内划设了航路、航线、空中走廊和机场区域，供民航运输使用。目前该划分方式仅用于中、高空。

低空空域的运用还属于空白阶段。但是随着无人机等微型、轻型飞行器的迅猛发展，低空空域的应用已迫在眉睫。

因此，有必要研究一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法及应用，能够对低空空域进行有效划分，实时调整适飞空域和限制空域的属性，适合微型、轻型无人机的低空飞行。

一方面，本发明提供一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，空域管制系统将整片空域划分为若干个网格区域，并按空域开放标准将所有网格区域划分为适飞空域或限制空域；其特征在于，所述方法针对所述限制空域进行操作，步骤包括：

S1、根据网格区域的重要程度进行数字化的重要程度等级的评估；

S2、根据网格区域内规定时间段无人机的飞行轨迹数据，生成飞行热力图，根据热力图对该网格区域进行数字化的热力等级评估；

S3、根据网格区域的热力等级和重要程度等级的信息判断该网格区域是否满足开放条件；

S4、若满足开放条件则开放该网格区域，划分完成；否则，该空域为限制空域，进入下一步；

S5、对S4中得到的限制空域进行进一步划分，并针对新划分的区域执行S1～S4，直至满足划分终止条件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S3中判断网格区域是否满足开放条件的具体过程为：

S31、判断网格区域热力等级是否达到开放标准；

S32、若未达到开放标准，则不满足开放条件；若达到开放标准，则进入下一步；

S33、计算该网格区域的开放值，判断开放值是否达到开放阈值，若达到则开放该网格区域为适飞区域；否则，不满足开放条件；

所述开放值的计算方式为：指定时期段内点平均密度*权重；所述权重为对应网格区域的重要程度等级。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述飞行轨迹数据包括无人机注册信息和无人机监视信息；

所述无人机注册信息通过用户对无人机进行实名注册获取；

所述无人机监视信息通过主动反馈系统和被动反馈系统获取。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述无人机注册信息包括无人机SN码、UAS码、无人机所有人姓名、证件号码、联系方式和通信地址。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述无人机监视信息包括无人机飞行高度、经度和纬度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述网格区域的重要程度根据该区域产生安全隐患的程度以及涉密程度而定，所述重要程度在不同时间段内可以是不同的。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当某一网格区域的重要程度等级或热力等级发生变化时，针对该网格区域执行S2-S6的操作。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当网格区域判定为限制空域后，对该网格区域进行关闭操作。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主动反馈系统为运营人主动提供航空器的运行信息的系统；所述被动反馈系统为从地面或空中对航空器进行监视的系统；所述被动反馈系统包括雷达系统、ADS-B系统和/或北斗系统。

另一方面，本发明提供一种如上任一所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法的应用，其特征在于，所述方法应用在低空空域管理中；将每个网格的经纬度信息以及飞行器实时的经纬度信息转换成能够进行排序和比较的字符串编码，判断飞行器的字符串编码是否在限制空域内，若在限制空域内则对该飞行器进行相关警告和处理。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，将经纬度转换成字符串编码的具体步骤包括：

S01、将经度区间[a，b]二分为左区间和右区间，判断待转换经度值属于左区间还是右区间；若属于左区间该次划分标记为0，若属于右区间该次划分标记为1；

递归上述二分方法和标记方法，直至达到预设的递归次数，从而获得经度二进制字符串编码；

S02、将纬度区间[c，d]二分为左区间和右区间，判断待转换纬度值属于左区间还是右区间；若属于左区间该次划分标记为0，若属于右区间该次划分标记为1；

递归上述二分方法和标记方法，直至达到预设的递归次数，从而获得纬度二进制字符串编码；

S03、将经度二进制字符串编码和纬度二进制字符串编码进行穿插式合并，得到经纬度二进制编码；

S04、将得到的经纬度二进制编码分段，并将每一段都转换成十进制，再将十进制转换成base32编码；

根据得到的base32编码判断飞行器是否处于限制空域。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够对低空空域进行有效划分，实时调整适飞空域和限制空域的属性，适合微型、轻型无人机的低空飞行。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法示意图；

图2是本发明一个实施例提供的采用Geohash方法对空域进行划分示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明将低空空域划设为适飞空域及限制空域。适飞空域是指相对安全的威胁程度比较低，适合公众使用微型、轻型无人机进行自由飞行的区域。限制空域指会产生安全隐患的区域，如核电站、机场以及军事区域等需要受到保护的区域。限制区域因为保密等原因，常常会在边界上做一些模糊处理。如：刻意的扩大保护范围等。为了模糊敏感区域，本发明采用网格划设的方式，将空域划分为若干个网格，将每个网格划分为适飞网格与限制网格，并将网格的经纬度信息转换成一个可以排序、可以比较的字符串编码预先储存在系统中。判断飞行器处于哪个空域时，将飞行器的实时经纬度转换成字符串编码，与预存的网格经纬度信息进行对比，用于判断该飞行器是否在限制空域内。

按照网格所对应的地点的重要程度可将网格分为5个级别。比如：涉及机密级别以上的场所或者是严重危及公众安全的定为1级；一般危及公众安全的定为2级…用于模糊保护敏感区域的定为5级。重要程度等级的划分标准根据政策法规可进行调整。

通过对实时飞行的航迹数据进行采集，将获取的无人机监视信息记录下来，根据规定时间区间内无人机飞行轨迹中位置点的分布，采用优化的KMeans算法进行聚类，生成热力图，并对热力等级进行数字化评估。随着热力图的更新，通过指定时期内的热力等级以及敏感区域的重要等级，生成开放值，当达到预设的开放阈值时，可自动对空域进行进一步切分，将已有网格平均分为四份，再进行重新编码，如图1所示。开放值是指在该区域平均规定时间段内点的数量*权重，此处权重可以是该区域的重要等级。开放出更多不危及安全的适飞区域。当敏感区域重要等级变化时，自动重新计算其开放值并判断是否达到了开放阈值，若没有达到阈值则对相关区域进行关闭调整，若达到阈值则开放该网格区域。网格的重要程度级别可以由国家安全部门、公安、军队、政府、民航等权力机关共同协商制定。

1、对实时飞行的航迹数据进行采集的具体内容为：

1)获取实时飞行航迹数据具体是通过主动反馈系统和被动反馈系统获取的。

主动反馈系统，是指运营人主动将航空器的运行信息发送给监视系统。被动反馈系统，是指航空器被雷达、ADS-B系统、北斗等手段从地面进行监视的系统，该反馈信息不经过运营人。

2)采集信息的内容包括：无人机注册信息和无人机监视信息。

A)无人机注册信息包括无人机SN码、UAS码、无人机所有人姓名、证件号码、联系方式、通信地址等。无人机注册信息可通过用户对无人机进行实名注册时获取。

无人机SN码为制造部门认证的设备唯一标识码，类似车架号；UAS码为运行管理部门认证的无人机唯一标识码，类似驾照。

B)无人机监视信息包括无人机高度、经度、纬度等信息。无人机监视信息可以通过主动反馈系统和被动反馈系统进行获取。

2、对热力等级进行数字化评估的具体内容包括：

根据热力图的数据分布进行数字化评估，如：在08:00至12:00位于wx4g0e号网格(纬度值：116.389550，39.928167)平均点密度如果在50点/min以上，那么该网格定义为5级，在20点/min到50点/min区间，定义为4级，以此类推，将每个网格的热力级别进行数字化界定。平均点密度＝区域内点数/时长，平均点密度用来反映该区域内飞行量的大小。

如若该网格属于限制空域网格，尝试将该网格进行切分(一分四)，并用点的分布进行新一轮的聚类，对新切分出来的网格进行数字化评估，如果切分后的新的网格的热力评估的定义仍然保持非常高的级别(比如5级)，则以提取出的网格的重要程度级别为权重，结合与飞行热力图的点密度进行计算得出开放值，当这个开放值符合预定开放空域的阈值时，将该合适开放的限制空域重新编码并转为适飞空域。开放值的具体计算为：指定时间段内的点平均密度与对应的重要程度等级相乘。开放值达到对应的开放阈值时，进一步细化开放空域。

将飞行器经纬度信息转换成字符串的实例(如表1所示)：

以经纬度值(116.389550，39.928167)进行举例说明，对纬度39.928167进行逼近编码(地球纬度区间是[-90,90])。

步骤1、对区间[-90,90]进行二分，分为[-90,0)和[0,90]，称为左右区间，可以确定39.928167属于右区间[0,90]，标记为1。

步骤2、再将区间[0,90]进行二分，分为[0,45)和[45,90]，可以确定39.928167属于左区间[0，45)，标记为0。

步骤3、递归上述过程，39.928167总是属于某个区间[a，b]。随着每次迭代区间[a，b]总在缩小，并越来越逼近39.928167，直至等于39.928167或者达到预设的划分次数。

凡是给定的纬度x(39.928167)属于右区间均标记为1，凡是给定的纬度x(39.928167)属于左区间均标记为0。序列的长度跟给定的区间划分次数有关。

表1

	纬度范围	划分区间0	划分区间1	39.9232
					1	(-90，90)	(-90，0.0)	(0.0，90)	1
2	(0.0，90)	(0.0，45.0)	(45.0，90)	0
					3	(0.0，45.0)	(0.0，22.5)	(22.5，45.0)	1
4	(22.5，45.0)	(22.5，33.75)	(33.75，45.0)	1
					5	(33.75，45.0)	(33.75，39.375)	(39.375，45.0)	1
6	(39.375，45.0)	(39.375，42.1875)	(42.1875，45.0)	0
					7	(39.375，42.1875)	(39.375，40.7812)	(40.7812，42.1875)	0
8	(39.375，40.7812)	(39.375，40.0781)	(40.0781，40.7812)	0
					9	(39.375，40.0781)	(39.375，39.7265)	(39.7265，40.0781)	1
10	(39.7265，40.0781)	(39.7265，39.9023)	(39.9023，40.0781)	1
					11	(39.9023，40.0781)	(39.9023，39.9902)	(39.9902，40.0781)	0
12	(39.9023，39.9902)	(39.9023，39.9462)	(39.9462，39.9902)	0
					13	(39.9023，39.9462)	(39.9023，39.9243)	(39.9243，39.9462)	0
14	(39.9023，39.9243)	(39.9023，39.9133)	(39.9133，39.9243)	1
					15	(39.9133，39.9243)	(39.9133，39.9188)	(39.9188，39.9243)	1

步骤4、同理，经度的逼近编码的方式与纬度是一样的。地球经度区间是[-180，180]，可以对经度116.389550按上述左右区间的划分方式进行编码。

通过上述计算，经纬度值(116.389550，39.928167)转换成字符串后，经度产生的编码为1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0，纬度产生的编码为1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 01 1。

步骤5、将划分出的经纬度编码进行合并，合并方式可以是偶数位放经度，奇数位放纬度，以此方式将两串较短编码合并成一串新的长编码，如表2所示。

表2

编码	1	1	1	0	0	1	1	1	0	1	0	0	1	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	1	1	0	1
																															序号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29

步骤6、再将新的长编码进行十进制转换，再将十进制进行base32转换；具体转换方式为将长编码每连续的5位作为一个划分单元，再将所有单元转换成十进制。

表2中的长编码对应的划分单元为11100、11101、00100、01111、00000、01101，对应的十进制依次为28、29、4、15、0、13，将十进制28、29、4、15、0、13转换为base32编码为wx4g0e，base32与十进制的转换关系如表3所示。

表3

同理，将编码转换成经纬度的解码算法与编码算法正好相反，可以获得一个无限缩小的经度范围和纬度范围或者达到划分次数后的经度和纬度范围。

将网格经纬度信息转换成字符串编码采用Geohash方法进行转换。Geohash基本原理是将地球理解为一个二维平面，将平面递归分解成更小的子块，每个子块在一定经纬度范围内拥有相同的编码。即将整个地图或者某个分割所得的区域进行一次划分，由于采用的是base32编码方式，即Geohash中的每一个字母或者数字(如wx4g0e中的w)都是由5bits组成(2^5＝32，base32)，这5bits可以有32中不同的组合(0～31)，这样可以将整个地图区域分为32个区域，通过00000～11111来标识这32个区域。第一次对地图划分后的情况如图2所示(每个区域中的编号对应于该区域所对应的编码)。Geohash由二进制序列是经度二进制序列和纬度二进制序列中的数字交替进行排列的，偶数位对应的序列为经度序列，奇数位对应的序列为纬度序列，在进行第一次划分时，Geohash二进制序列中的前5个bits(11100)中有3bits是表示经度，2bits表示纬度，所以第一次划分时，是将经度划分成8个区段(2^3＝8)，将纬度划分为4个区段(2^2＝4)，这样就形成了32个区域，如表4所示。

表4

同理，对第一次划分所得的32个区域再次划分时，按照第一次划分所采用的方式进行即可。

以上对本申请实施例所提供的一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，空域管制系统将整片空域划分为若干个网格区域，并按空域开放标准将所有网格区域划分为适飞空域或限制空域；其特征在于，所述方法针对所述限制空域进行操作，步骤包括：

S1、根据网格区域的重要程度进行数字化的重要程度等级的评估；

S2、根据网格区域内规定时间段无人机的飞行轨迹数据，生成飞行热力图，根据热力图对该网格区域进行数字化的热力等级评估；

S3、根据网格区域的热力等级和重要程度等级的信息判断该网格区域是否满足开放条件；

S4、若满足开放条件则开放该网格区域，划分完成；否则，该空域为限制空域，进入下一步；

S5、对S4中得到的限制空域进行进一步划分，并针对新划分的区域执行S1～S4，直至满足划分终止条件。

2.根据权利要求1所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，S3中判断网格区域是否满足开放条件的具体过程为：

S31、判断网格区域热力等级是否达到开放标准；

S32、若未达到开放标准，则不满足开放条件；若达到开放标准，则进入下一步；

S33、计算该网格区域的开放值，判断开放值是否达到开放阈值，若达到则开放该网格区域为适飞区域；否则，不满足开放条件；

所述开放值的计算方式为：指定时期段内点平均密度*权重；所述权重为对应网格区域的重要程度等级。

3.根据权利要求1所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述飞行轨迹数据包括无人机注册信息和无人机监视信息；

所述无人机注册信息通过用户对无人机进行实名注册获取；

所述无人机监视信息通过主动反馈系统和被动反馈系统获取。

4.根据权利要求3所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述无人机注册信息包括无人机SN码、UAS码、无人机所有人姓名、证件号码、联系方式和通信地址。

5.根据权利要求3所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述无人机监视信息包括无人机飞行高度、经度和纬度。

6.根据权利要求1所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述网格区域的重要程度根据该区域产生安全隐患的程度以及涉密程度而定，所述重要程度在不同时间段内可以是不同的。

7.根据权利要求3所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述主动反馈系统为运营人主动提供航空器的运行信息的系统；所述被动反馈系统为从地面或空中对航空器进行监视的系统；所述被动反馈系统包括雷达系统、ADS-B系统和/或北斗系统。

8.根据权利要求1所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法，其特征在于，所述划分终止条件包括网格区域的大小达到设定条件和/或划分次数达到设定次数。

9.如权利要求1-8任一所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法的应用，其特征在于，所述方法应用在低空空域管理中；将每个网格的经纬度信息以及飞行器实时的经纬度信息转换成能够进行排序和比较的字符串编码，判断飞行器的字符串编码是否在限制空域内，若在限制空域内则对该飞行器进行相关警告和处理。

10.根据权利要求9所述的基于飞行热力图的无人机适飞空域划设方法的应用，其特征在于，将经纬度信息转换成字符串编码的具体步骤包括：

S01、将经度区间[a，b]二分为左区间和右区间，判断待转换经度值属于左区间还是右区间；若属于左区间该次划分标记为0，若属于右区间该次划分标记为1；

递归上述二分方法和标记方法，直至达到预设的递归次数，从而获得经度二进制字符串编码；

S02、将纬度区间[c，d]二分为左区间和右区间，判断待转换纬度值属于左区间还是右区间；若属于左区间该次划分标记为0，若属于右区间该次划分标记为1；

递归上述二分方法和标记方法，直至达到预设的递归次数，从而获得纬度二进制字符串编码；

S03、将经度二进制字符串编码和纬度二进制字符串编码进行穿插式合并，得到经纬度二进制编码；

S04、将得到的经纬度二进制编码分段，并将每一段都转换成十进制，再将十进制转换成base32编码；

根据得到的base32编码判断飞行器是否处于限制空域。

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