CN114333433B

CN114333433B - 一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法

Info

Publication number: CN114333433B
Application number: CN202210249899.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋淑园; 罗喜伶; 马佳曼
Original assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Current assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: CN114333433A

Abstract

本发明公开了一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法。判断某一空间位置点在任意简单多边形内的问题是计算几何、计算机图形学的基本问题。本发明针对空地一体化协同运行管理中的飞行器所属管制扇区计算问题，提出一种基于大地坐标系的飞行器所在扇区确定方法，通过对判断点在多边形内的射线法进行改进,对所有可能出现的特殊情况都进行了分类处理，有效地减少计算量，同时能够准确地判断出飞行器在任意管制扇区的位置。本发明在空中交通流量评估、飞行器精细化管控以及空域路径动态规划等方面均具有广阔的应用前景。

Description

一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法

技术领域

本发明属于空地一体化协同运行管理领域，具体涉及一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，更具体的是，本发明是一种利用飞行器所在位置的大地坐标判断所属的管制区域。

背景技术

管制扇区是飞行管制的基本单位。一般情况下航空管制把区域管制区或者终端（进近）管制区划分为两个或者两个以上的部分，每个部分称为一个管制扇区。其目的是为了将管制区的工作量分配至两个或者两个以上的管制席位，减轻单一管制席位的工作负担或者减少陆空通信频率拥挤。随着民航运输、通用航空以及无人机等航空产业的高速持续发展，空中飞行器数量的快速增长与空中运行保障能力相对不足的矛盾较为突出。准确把握空中流量水平，推动管制扇区合理划分以及飞行器运行动态调整，实现空中飞行精细化管控的需求也日益迫切。

对空中流量水平最为准确的判断条件是扇区容量评估。扇区容量评估需要以有关数据信息作为前提条件。在进行评估之前，需要对扇区内的飞行器信息以及有关基础数据进行统计。因此，精确地确定飞行器当前所属的管制扇区是有效评估扇区容量进一步推进空域合理规划的基础。

传统的有关点在区域内的确定方法中，大多以笛卡尔直角坐标为基础进行计算，对于飞行器所属管制扇区的确定问题，一般先采用地图投影方法将表征管制扇区范围的所有特征点的大地坐标转化为笛卡尔直角坐标，在接收到飞行器所在位置的经纬度信息之后，也将表征飞行器位置的大地坐标使用同一地图投影方法转化为笛卡尔直角坐标，之后在笛卡尔直角坐标系中计算飞行器是否在对应的管制扇区内。而实际上当飞行器与管制扇区各边界点之间的距离较远时，两个大地坐标点连接组成的扇区边界与经投影运算后的笛卡尔直角坐标点连接组成的扇区边界有较大的区别，因此传统的有关点在区域内的计算方法在用于确定飞行器所属扇区时存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于解决空地一体化协同运行管理中的飞行器位置精准掌握和有效控制问题，提供了一种基于飞行器所在位置大地坐标的飞行器所属扇区确定方法。这个方法可以方便快速地获取当前飞行器所属的管制扇区。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其包括如下步骤：

1）接收飞行器监视信息，获取飞行器所在位置大地坐标；依次读取管制扇区范围；其中，所述管制扇区划分为圆柱形扇区和类多边棱柱形扇区两种；

2）根据飞行器所在位置的高度数据初筛是否在当前读取的管制扇区内；若不在当前管制扇区，则执行步骤6），否则执行步骤3）；

3）根据扇区标志符判断扇区形状属性；若扇区为圆柱形扇区，执行圆柱形扇区判别方法判断是否在扇区内；若扇区为类多边棱柱形扇区，则执行步骤4）；

4）对类多边棱柱形扇区构造外包类矩形边框，以扇区经纬度最大、最小值为基础判断飞行器是否在当前管制扇区内；若飞行器不可能在当前管制扇区，则执行步骤6），否则执行步骤5）；

5）采用基于大地坐标的射线法对步骤4）得到的飞行器可能在扇区内的情况做筛查；

6）当飞行器不在当前读取的管制扇区内，则依次读取下一管制扇区数据并返回步骤2）进行判断；直至最终判断出飞行器所属管制扇区。

作为本发明的优选方案，所述圆柱形扇区判别方法为：计算飞行器所在位置点的大地坐标与扇区投影区域中心点大地坐标之间的距离d，将其与扇区上表面半径r进行比较，如果d≤r,则认为飞行器在可能在该圆柱形扇区内并执行步骤4），否则认为不在该圆柱形扇区内并执行步骤6）。

作为本发明的优选方案，所述的步骤5）为：以飞行器所在位置点为起点，指向经度增加方向的纬线设置为大圆射线，设飞行器经纬坐标为P:（lon，lat），扇区某条边的两个端点经纬度坐标为A:（lon1，lat1），B:（lon2，lat2），依次判断该射线是否与当前管制扇区各边有交点；统计射线与扇区各条边的交点总数；当交点总数为奇数时，则认为飞行器在管制扇区内，否则当交点总数为偶数时，飞行器不在管制扇区内。

本发明通过对判断点在多边形内的射线法进行改进, 对所有可能出现的特殊情况都进行了分类处理,尽可能的减少计算量，同时能够准确地判断出飞行器在任意管制扇区的位置。本发明在飞行器扇区预测和空中交通流量评估等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为大圆射线和扇区边重合时，点P和扇区边的相对位置的两种情况示意图。

图2为判断经度在右侧的流程示意图。

图3为扇区边一个端点在大圆射线上时，点P和扇区边的相对位置示意图。

图4为计算结果存在的三种情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法的流程示意图，本发明方法包括如下步骤：

以下结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

在本发明一个具体实施例中，步骤1）为：接收飞行器监视信息，获取飞行器所在位置大地坐标（lat，lon，height），其中lat为纬度，lon为经度，height为高度。从配置文件中依次读取管制扇区范围。管制扇区从空间上一般划分为圆柱体和类多边棱柱体两种（由于地球上两点的连线不是直线，因此地球表面几点组成的形状称之为类多边形，区域称之为类多边棱柱体），用扇区标志符进行表示。圆柱形扇区范围由高度层上界、高度下界、扇区上/下表面圆心点经纬度坐标和扇区上/下表面半径组成的数据组合进行表示。类多边棱柱形扇区则由高度上界、高度下界以及棱柱上/下表面各个顶点的经纬度坐标组成的数据组合进行表示。

在本发明一个具体实施例中，步骤2）根据飞行器所在位置的高度数据初筛是否在扇区内，具体为：通过比较飞行器所在高度是否在管制扇区高度上界和下界之间，对不在扇区内的情况直接给出判断结果。

在本发明一个具体实施例中，步骤3）为：在步骤2）的基础上，若仍有可能在当前读取的管制扇区内，进一步根据扇区标志符判断扇区形状属性。若为圆柱形扇区，则根据飞行器所在位置点的大地坐标（lon，lat）与扇区投影区域中心点大地坐标之间的距离d，扇区投影区域中心点大地坐标即扇区上/下表面坐标，假设表示为（lon0，lat0），通过比较d与扇区上表面半径r的大小，判断是否在扇区内；如果不是圆柱形扇区，为类多边棱柱形扇区，则进入步骤4）。

其中，当前读取的管制扇区为圆柱形扇区时，把飞行器所在位置点和扇区投影区域中心放于同一大圆上，按照大圆航线进行计算，两大地坐标点之间的距离d为：

其中

；

；规定北纬取正，南纬取负，东经取正，西经取负。

如果d≤r,则认为飞行器在该圆柱形扇区内，否则不在该圆柱形扇区内。

在本发明一个具体实施例中，步骤4）为：经过步骤3）判断，当前扇区不是圆柱形扇区，因此可知扇区为类多边棱柱形扇区时，需作进一步判别。为了提升点与扇区隶属关系判别效率，进一步对类多边棱柱形扇区构造外包类矩形边框，以扇区经纬度最大最小值为基础，快速对不在扇区内的情况进行剔除。扇区外包类矩形边框可以看做是由扇区经度的最大值、最小值所在的两条经线与纬度的最大值、最小值所在的两条纬线交织成的类矩形框。将飞行器位置的经度坐标与扇区经度的最大值、最小值进行比较，飞行器位置的纬度坐标与扇区纬度的最大值、最小值进行比较，若同时满足：

a)飞行器位置位于扇区经度最小值和最大值之间，

b)飞行器位置纬度位于扇区纬度最小值和最大值之间，

则认为飞行器存在在该扇区的可能性，进入下一步骤，否则认为飞行器不在该扇区内，即可结束判别。

在本发明一个具体实施例中，步骤5）为：采用基于大地坐标的射线法对步骤4）得到的飞行器可能在扇区内的情况做进一步筛查。射线法是对于点在多边形内这种几何问题的经典判断方法。它的原理是，以点为端点做一射线，计算射线与多边形各边的交点，如果交点总数为奇数，则点在多边形内，否则点在多边形外。类多边棱柱形扇区在地球表面的投影位置为类多边形，因此本发明利用射线法原理，并考虑大地坐标的特殊性，设计采用基于大地坐标的射线法来计算飞行器在地球表面的投影是否处于类多边形的扇区投影区域内，即可以确定飞行器是否隶属于管制扇区范围内。

具体方法如下：以飞行器所属位置处在地球表面的对应位置为起点，作沿着地球大圆的射线（称之为大圆射线），依次判断扇区投影的各大圆边与该大圆射线是否存在交点，当交点总数为奇数时，则认为飞行器在管制扇区内，否则飞行器在管制区域外。

考虑到航空管制区数量众多，飞行器位置点实时更新，计算数据量大等因素，为了简化计算，本发明中将射线设置为以飞行器所在位置点为起点，指向经度增加方向的纬线设置为大圆射线。假设飞行器经纬坐标为P:（lon，lat），扇区某条边的两个端点经纬度坐标为A:（lon1，lat1），B:（lon2，lat2），分为以下几种情况依次判断该射线是否与扇区边有交点：

a)大圆射线和扇区边重合，即扇区边的两个端点A、B都在射线上，此时当端点A和B经度同在射线端点的左侧或者右侧，则不算有交点，即：当lat=lat1=lat2时,若(lon-lon1)(lon-lon2)>0，则认为射线与扇区该条边不存在交点。图1示意了此种情形下，点P和扇区边的相对位置的两种情况。图2示意了判断经度在右侧的流程示意图，本发明方法结构清晰,易于编程实现。

b）射线和扇区边不重合，但扇区边的一个端点在大圆射线上。由于同一个端点可在两条扇区边上，为了防止所在的两条扇区边与大圆射线进行相交计算时存在重复计算的情况，本发明对该种情况下的大圆射线与扇区边相交的判断准则规定为:当扇区边的一个端点在大圆射线上，仅当另外一个端点的纬度比当前大圆射线所在的纬度小时，则认为大圆射线与该条扇区边有交点。也可规定为当扇区边的一个端点在大圆射线上，仅当另外一个端点的纬度比当前大圆射线所在的纬度大时，则认为大圆射线与该条扇区边有交点。采用统一规则可以有效的避免重复计算，在所有扇区边的判断过程中应遵循唯一的判断准则。图3示意了扇区边一个端点在大圆射线上时，点P和扇区边的相对位置示意图。

c）大圆射线和扇区边不重合，若扇区边两个端点在大圆射线的同一侧。即(lat1-lat)*(lat2-lat)>0，则认为不存在交点。

d）大圆射线和扇区边不重合，扇区边两个端点的纬度不在飞行器所在位置的同一侧时。首先先做简单的排除，首先判断两端点经度的右侧值lon_right和左侧值lon_left，考虑射线是以飞行器所在位置点为起点，指向经度增加方向的纬线，若飞行器所在位置点的经度lon在lon_right的右侧，则不存在交点。若lon_left在飞行器所在位置点的经度lon的右侧，则必然存在交点。

e）以上上述步骤利用经纬度的简单比较运算已经将大圆射线和扇区边的多种空间关系下是否有交点进行了排除。当以上情况皆未判断出结果时，说明飞行器所在位置的纬度lat在lat1~lat2之间，经度lon在lon1~lon2之间。为了进一步判断出P点与管制边AB的关系，这时考虑将P点和A、B点大地坐标采用高斯-克吕格投影方法转换为笛卡尔直角坐标系中进行空间关系计算。高斯-克吕格投影是一种等角横轴切椭圆柱投影。它是假设一个椭圆柱面与地球椭球体面横切于某一条经线上，按照等角条件将中央经线东、西各3°或1.5°经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上，然后将椭圆柱面展开成平面而成。高斯-克吕格投影方法的特征是离中央经线越远，投影误差越大。因此为保证精度，高斯-克吕格投影采用6°或 3°分带投影方法。而通过上述步骤，已经获知P点和A、B点的经度范围在lon1~lon2之间，而一般来说，单条管制扇区边的经纬度跨度小于3度。因此，此时，采用高斯-克吕格投影投影方法对P点和A、B点大地坐标进行投影计算，误差几乎可忽略不计。为了充分保证转换经度，设置以飞行器所在位置点（lon，lat）处为高斯投影中心点，转换后的直角坐标为（0，0），对扇区边界端点的大地坐标采用高斯投影方法，获取笛卡尔直角坐标系中的直角坐标。

高斯投影正算公式如下：

其中，

为纬度，

为某一中央子午线算起的经差，x、y为高斯投影坐标，

，

，

。

在转换后的笛卡尔直角坐标系中，判断P点和两端点连线AB的关系。此时可以通过计算P点和向两端点连线做垂线，通过计算垂足所在位置进行判断。假设P点转换后的笛卡尔直角坐标为（x，y），A、B点转换后的笛卡尔直角坐标为（x1，y1）和（x2，y2），P点到线段AB的垂足N的坐标计算公式为：

由于已判断出lat在lat1~lat2之间，经度lon在lon1~lon2之间，因此垂足N在线段AB上。

计算结果存在以下几种情况，如图4中情况（1）-（3）所示：

（1）当垂直距离等于0时，说明P点在两端点的连线AB上，即飞行器位于该扇区边上，说明飞行器在该扇区内。

（2）当垂直距离不为0时，若垂足在中心点的右侧，即垂足的x坐标大于0时，则说明射线与该扇区边存在交点。

（3）排除以上两种情况，说明射线与该扇区边不存在交点。

f）在经上述步骤尚未判断出飞行器所在位置是否在扇区内的情况下，依次对扇区的其余边重复上述步骤a）至步骤e），最后统计射线与扇区各条边的交点总数。当交点总数为奇数时，则认为飞行器在管制扇区内，否则当交点总数为偶数时，飞行器不在管制扇区内。

在本发明一个具体实施例中，步骤6）为：当飞行器不在当前扇区内，依次读取下一扇区数据进行判断。直至最终判断出飞行器所属扇区为止。

本发明设计了一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，有效解决了传统方法中直接将所有的扇区和飞行器位置点变换到笛卡尔直角坐标系中计算而产生的误差大和效率低的问题。实现了飞行器所属管制扇区的快速、准确检测，为空中交通有效管理和流量控制提供了一种新的技术手段。

以下为本发明的一组试验结果：

假设某扇区为类多边棱柱形扇区，高度上下界分别为8400米和6000米，投影面的各顶点大地坐标为A(0，0)；C(4，1)；D(3，1)；E（3，2)；F（3，1)；G（2，1)；H（1，1)；I（1，3)；J（4，3)；K（4，4)。飞行器所在高度为8000米。以下为飞行器在不同位置处是否在该管制扇区内的判断结果以及计算耗时情况。

表1计算示例

由以上结果可知，本发明方法可以准确地确定飞行器所属扇区，且具备判别精度高，计算耗时短等明显优势，在空地一体化协同运行管理领域中推广应用前景广阔。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述圆柱形扇区判别方法为：

计算飞行器所在位置点的大地坐标与扇区投影区域中心点大地坐标之间的距离d，将其与扇区上表面半径r进行比较，如果d≤r,则认为飞行器在可能在该圆柱形扇区内并执行步骤4），否则认为不在该圆柱形扇区内并执行步骤6）；

所述的步骤5）为：以飞行器所在位置点为起点，指向经度增加方向的纬线设置为大圆射线，设飞行器经纬坐标为P:（lon，lat），扇区某条边的两个端点经纬度坐标为A:（lon1，lat1），B:（lon2，lat2），依次判断该射线是否与当前管制扇区各边有交点；统计射线与扇区各条边的交点总数；当交点总数为奇数时，则认为飞行器在管制扇区内，否则当交点总数为偶数时，飞行器不在管制扇区内；

2.根据权利要求1所述的基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，所述的步骤1）中，管制扇区类型用扇区标志符进行表示；其中，圆柱形扇区范围由高度层上界、高度下界、扇区上/下表面圆心点经纬度坐标和扇区上/下表面半径组成的数据组合进行表示；类多边棱柱形扇区则由高度上界、高度下界以及棱柱上/下表面各个顶点的经纬度坐标组成的数据组合进行表示。

3.根据权利要求1所述的基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，步骤2）中，若飞行器所在高度不在当前读取的管制扇区高度上界和下界之间，则认为不在当前管制扇区。

4.根据权利要求1所述的基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，所述步骤4）具体为：扇区外包类矩形边框是由扇区经度的最大值、最小值所在的两条经线与纬度的最大值、最小值所在的两条纬线交织成的类矩形框；将飞行器位置的经度坐标与扇区经度的最大值、最小值进行比较，飞行器位置的纬度坐标与扇区纬度的最大值、最小值进行比较，若同时满足a)飞行器位置位于扇区经度最小值和最大值之间，b)飞行器位置纬度位于扇区纬度最小值和最大值之间，则认为飞行器存在在该扇区的可能性，进入步骤5），否则认为飞行器不在该扇区内，执行步骤6）。

5.根据权利要求1所述的基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，判断射线是否与扇区某边有交点的方法如下：

a）大圆射线和扇区边重合，即扇区边的两个端点A、B都在射线上，此时当端点A和B经度同在射线端点的左侧或者右侧，则认为射线与扇区该条边不存在交点；

b）当扇区边的一个端点在大圆射线上，仅当另外一个端点的纬度比当前大圆射线所在的纬度小时，认为大圆射线与该条扇区边有交点；

c）大圆射线和扇区边不重合，若扇区边两个端点在大圆射线的同一侧，即(lat1-lat)*(lat2-lat)>0，则认为不存在交点；

d）大圆射线和扇区边不重合，扇区边两个端点的纬度不在飞行器所在位置的同一侧时，首先判断两端点经度的右侧值lon_right和左侧值lon_left，考虑射线是以飞行器所在位置点为起点，指向经度增加方向的纬线，若飞行器所在位置点的经度lon在lon_right的右侧，则不存在交点；若lon_left在飞行器所在位置点的经度lon的右侧，则必然存在交点；

e）当a）-d）的情况皆未判断出结果时，说明飞行器所在位置的纬度lat在lat1~lat2之间，经度lon在lon1~lon2之间；此时将P点和A、B点大地坐标采用高斯-克吕格投影方法转换为笛卡尔直角坐标系中进行空间关系计算；设置以飞行器所在位置点（lon，lat）处为高斯投影中心点，转换后的直角坐标为（0,0），对扇区边界端点的大地坐标采用高斯投影方法，获取笛卡尔直角坐标系中的直角坐标；在转换后的笛卡尔直角坐标系中，判断P点和两端点连线AB的关系。

6.根据权利要求5所述的基于大地坐标系的飞行器所属扇区确定方法，其特征在于，步骤e）中，在转换后的笛卡尔直角坐标系中，判断P点和两端点连线AB的关系的方法为：

设P点转换后的笛卡尔直角坐标为（x，y），A、B点转换后的笛卡尔直角坐标为（x1，y1）和（x2，y2），P点到线段AB的垂足N的坐标为（N_x，N_y）；由于已判断出lat在lat1~lat2之间，经度lon在lon1~lon2之间，因此垂足N在线段AB上；

（1）当点p到线段的垂直距离等于0时，说明P点在两端点的连线AB上，即飞行器位于该扇区边上，说明飞行器在该扇区内；

（2）当点p到线段的垂直距离不为0时，若垂足在中心点的右侧，即垂足的x坐标大于0时，则说明射线与该扇区边存在交点；

（3）排除以上两种情况，说明射线与该扇区边不存在交点。