CN116665490B

CN116665490B - 一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统

Info

Publication number: CN116665490B
Application number: CN202310937270.4A
Authority: CN
Inventors: 武梅丽文; 吕人力
Original assignee: Civil Aviation Management Institute Of China
Current assignee: Civil Aviation Management Institute Of China
Priority date: 2023-07-28
Filing date: 2023-07-28
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2043-07-28
Also published as: CN116665490A; CN117409617A

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，包括数字化核心模块、数字化控制模块和无人机孪生飞行模块，其特征在于：数字化核心模块用于构建真实场景部件的数字化虚拟实体；数字化控制模块用于支撑整个系统；无人机孪生飞行模块用于构建数字孪生系统中的实物映射；数字化核心模块包括多运营人管理模块、数字化空间信息模块和数字化态势信息模块；数字化控制模块包括数据融合模块、空间管理模块、孪生引擎模块。

Description

一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统

技术领域

本发明涉及智慧空中交通管理领域，更具体的，尤其涉及一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统。

背景技术

随着无人机系统的兴起，城市空中交通管理面临着前所未有的挑战。城市空中交通管理存在许多难点：一、高维度空域复杂性。空中交通管理不像路面交通一样基于二维道路规则设定，空域是由三维空间构筑的，不仅要考虑空中飞行，还需考虑地面起降的要求。空域内航道设计除导航平面维度外，还需考虑高度层，且航路、航迹本身是虚拟的，没有实物条件的限制，更容易出现应急问题。空域内干扰因素较多，气象、通信、外来物等都会影响空域规则的有效执行。二、多类型无人系统并存。无人机设计厂商百花齐放，各式各样的多旋翼、固定翼、倾转旋翼系统涌入市场。监管部门对已有产品的售出进行记录，在法规要求下对其飞行进行限制，但是对各种无人机系统的性能参数等难以考虑的面面俱到，无法根据性能实现统一管理。三、多运行服务提供商并存。相比于有人机客运系统有国际化的监管体系进行约束、公共的机场服务做接洽，通航无人机领域由多种运行服务提供商根据自家产品提供服务，提供不同的监管系统。多运营系统的功能、作用效果各不相同，实现的飞行控制和业务流程也完全不同。这些为城市空中交通的综合管理带来了问题。

在城市空中交通领域内，数据占据最重要的地位，空中交通的数字化空域管理是一大难题。城市场景具有空地结合的高复杂性、高动态性、高密度性，容易出现飞行器同障碍物或飞行器间的碰撞，甚至影响人身安全。对于处理复杂空间信息来说，最好的分析方法是构建高精度的数字孪生空间，在虚拟世界中将三维实景要素具象化，形成标签，进行分类管理，与态势数据建立索引，将复杂场景及业务流程可视化，通过数据我们可以对整套复杂系统的能力水平、运营特点、安全风险、经济要素等进行统计与分析，给出合理的管理建议，实现一定意义上的智慧交通管理。而现有体系没有提供一个便捷实用的公共数据处理平台，以实现数据共享和监管指标的下达。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，以应对城市中多运营人无人机运行场景的信息共享及管理需求。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，包括数字化核心模块、数字化控制模块和无人机孪生飞行模块，其中：数字化核心模块用于构建真实场景部件的数字化虚拟实体；数字化控制模块用于支撑整个系统；无人机孪生飞行模块用于构建数字孪生系统中的实物映射；数字化核心模块包括多运营人管理模块、数字化空间信息模块和数字化态势信息模块；数字化控制模块包括数据融合模块、空间管理模块和孪生引擎模块。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：多运营人管理模块为无人机运营商的综合管控平台的搭载在数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统上的系统集成版。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：多运营人管理模块用于接收无人机运营商的综合管控平台的飞行审批申请，给出批准与否的反馈，下达飞行控制指令、发送飞行告警；接收来自无人机运营商的综合管控平台的动态飞行信息。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：数字化空间信息模块存储有三维模型信息和地理信息，用于通过空间管理模块算法叠加融合显示构建城市的精细化模型，并显示无人机飞行相关的起降场附近的空间环境。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：数字化态势信息模块用于存储以下信息：飞行计划、飞行航迹和限制空域信息。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：数据融合模块用于整合来自多源平台的数据信息，进行统一的发布与调用，形成综合告警；数据融合模块的输入包括：数字化态势信息模块获得的飞行计划、飞行航迹和限制空域信息，数字化空间信息模块获得的空间及有人、无人飞行器具象化要素模型信息，数字化多运营人管理模块获得的注册信息、审批信息、运营决策信息；输出包括：自定义域态势数据信息、自定义域空间信息、综合告警信息。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中飞行计划信息的适用场景包括：航点飞行场景、航线飞行场景、任务飞行场景。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：在航点飞行场景下，飞行计划信息包括航点序列；在航线飞行场景下生成飞行计划信息包括：描述航线；航线离散化，生成航点序列；在任务飞行场景下生成飞行计划信息包括：描述任务元素；形成任务序列。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中：自定义域空间信息的输出用于运营人进行航线规划，避开特殊区域和有人机作业区，其中特殊区域包括禁飞区；有人机作业区包括楼房、机场建筑物的三维模型信息。

所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其中综合告警信息主要包括：航迹偏出告警；容流量超限告警；航迹冲突告警。

附图说明

图1为基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统结构示意图；

图2为数字化核心模块结构示意图；

图3为城市物流场景空域处理示意图；

图4为起降场空域俯视进近点示意图；

图5为航路空域、飞行器包裹空域和应急航路空域示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式进行详细说明。所述实施方式是示例性地，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。显然，本发明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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

在本说明书中描述的 “一种实施方式”或“一些实施方式”等意味着在本发明的一个或多个实施方式中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

如图1-5所示，基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统包括：数字化核心模块、数字化控制模块和无人机孪生飞行模块。其中：

一、数字化核心模块

数字化核心模块用于构建真实场景部件的数字化虚拟实体（数字孪生场景），如图2所示，该模块包括多运营人管理模块、（数字化）空间信息模块和（数字化）态势信息模块，是构建数字孪生场景的核心。数字孪生场景是指现实空中交通运营场景的数字化场景，是能够精准反映现实场景的虚拟模型。构建数字孪生场景可以汇聚多源运行数据，规范低空空间模型，并且高精度的将场景呈现出来，方便进行运行决策与告警策略的计算与执行。其中：

多运营人管理模块，为无人机运营商真实运行的综合管控平台(简称A系统)的搭载在数字孪生系统上的系统集成版，又称无人机多运营人运行系统（简称S系统）。S系统接收A系统的飞行审批申请，给出批准与否的反馈，给A系统下达飞行控制指令、发送飞行告警，接收来自A系统的动态飞行信息。数字化多运营人管理模块中搭载有多套S系统，以适应不同的A系统。通过S系统记录A系统中运营的航空器的所有注册信息，将厂家、运营人、操纵员、监管方等人员或单位的名称及联系方式记录入库，以备其他模块完成数据关联。本发明中S系统指的是无人机的运行系统。对于有人机方面来说，本发明在数字化态势信息模块接收有人机运行系统（F系统）的数据，可以在无人机运行管理过程中，进一步考虑有人机的飞机位置、速度等信息，产生综合告警数据服务，如在有人和无人冲突场景时，实现无人机避障，绕开有人机飞行区域。

数字化空间信息模块，存储有三维模型信息（如BIM）和地理信息（GIS），通过空间算法叠加融合显示，可以构建任意城市的精细化模型，并重点显示无人机飞行相关的起降场附近的空间环境。这里三维模型信息除了环境模型，如小型起降场、机场、跑道、低空障碍物等，还包括基础设施（如通讯基站等通信、导航和监视（CNS）设施）、多种有人机和无人机航空器的三维模型、及航线、航路、空域、限飞区、禁飞区等具象化要素的三维模型，用于渲染展示。上述空间数据的格式可由如下形式表示：空间类：SHP、DWG、MTX、KML、OSGB、3Dtiles等，及文件类：CSV、TXT、JSON、Excel、XML等。

数字化态势信息模块，主要存储有以下三方面的关键信息：1.飞行计划、2.飞行航迹、3.限制空域。其中飞行计划包括：1、来自A系统的飞行计划；2、来自F系统的飞行计划。飞行计划的内容根据应用场景不同而不同，最丰富的是考虑时间维度四维航迹的飞行计划。

1、飞行计划信息根据不同场景设计有以下分类：

S a1航点飞行场景

适用于小型多旋翼无人机，其按航点执行飞行任务。飞行计划由航点序列组成，本发明中为构建高精度数字孪生场景，需增加时间维。

航点序列：，其中/>代表一个航点信息，/>为初始航点，/>为降落航点。

航点信息：为一维向量，包括4个元素，分别是预计到达时间值、航点纬度、航点经度、海拔高度。

低速小型多旋翼飞行速度控制的比较好，用单一时间值可以描述一个飞行计划里面的航点时间信息。但是如倾转旋翼类型等起飞后飞行速度较快的无人机，对于时间的控制能力不是很好。那么为了适用于多种无人机类型，飞行计划考虑时间范围将是一个区间（t1,t2）。这种情况下航点信息按如下方式进行表示：

t1与t2根据飞机过该航点的平均巡航速度确定：

L是机身长度，是期望到达的时间点，t1与t2相当于是以/>为中心前后划出的时间区间，t是t2和t1的中点。

S a2航线飞行场景

应用于巡线飞行等作业内容，该飞行属于对沿线把控能力有较大需求的飞行。

航线飞行场景构建包括两个步骤，Sa2-1是描述航线，Sa2-2是进行航线离散化，生成航点序列。

S a2-1按如下格式对航线进行描述：

航线序列，其中/>代表一个航线信息，/>为初始航线，/>为结束航线。

航线信息：, 为一维向量，包括5个元素，分别是航线初始点预计到达时间值、航线初始点纬度、航线初始点经度、航线初始点海拔高度和航线方向角。设单个航线信息中的海拔高度不变，航线信息之间的海拔高度可以不同。

S a2-2将航线信息离散化，得到航点信息

获得航点信息的具体方法如下：将离散化，取线段M等分，M的取值方法是：

其中，DIST表示距离函数，l_d是该段航线的飞行距离,t_d是控制指令传输周期，例如这里取0.5s。

由此将平均分成了M个点，得到航点序列信息：/>

其中每一个航点的信息为；,此处t表示到达该点的期望时间，方便之后计算航线追踪控制能力。

有了这样的定义，通过对比实际航迹和飞行计划的差别，我们可以得到控制效果参数

其中，是每一个离散点实际位置与计划位置之间的距离，/>代表第i段航线上面第j个离散航点的飞行计划的位置信息，/>代表第i段航线上面第j个离散航点对应的,实际飞行过后飞行航迹的位置信息。这两个点取距离值，乘以第i段航线的平均速度，再乘上控制指令传输周期，这里取0.5s，做积分。对航段做积分，然后再对整条带多个航线段的飞行计划做积分，得到的是偏差面积。/>是第i个航段的长度。

此处相当于在求平均偏离距离，可以描述实际航迹的控制效果，/>越小则航迹控制效果越好。

S a3任务飞行场景

S a3-1描述任务元素

针对任务型飞行，定义飞行计划可以包含如下任务项，如：悬停侦查、盘旋、投放物品、配送货物、搜索人员等等。这里所说的任务项是指航点范围程序内的任务，如悬停点侦查，是指悬停在一个点附近的任务；投放物品是在一个定点进行投放，搜索人员是在一个范围之内搜索。那么根据这种性质，定义飞行计划，就不像S a2中的航线的定义，而是以坐标点为中心的一个事件和空间的范围。接下来进行解释：

首先描述任务类型集z,例如，可以定义/>为悬停侦查、/>为盘旋、/>为定点投放、/>为定点配送货物、/>为定点监视等等。

S a3-2形成任务序列

定义一个任务项为

匹配S a1航点运行，例如：含任务的航点序列描述为：,其中/>代表/>类别任务在第2航点序列位出现，/>代表/>类别任务在第4航点序列位出现。那么这组含任务的飞行计划，执行程序是，飞机从/>点出发，先飞过/>，然后在/>描述的位置执行z1类别任务，再飞达/>点，再在/>描述的位置执行z3类别任务。那么/>描述的信息有如下定义：

对于一个任务z定义任务信息：

是期望执行任务时间范围的中间点，/>，而/>长度的划设跟期望执行任务的长度有关，需要根据任务自定义，如悬停任务，那么悬停初始时间是/>，结束时间是。任务执行的空间范围用矩形表示，同经纬度是顺向的，即左上角坐标为[/>],右下角坐标为[/>],以此划出一片方形区域，任务在此区域内执行。任务执行的高度统一设为一个，alt。

若粗略估算一个任务的飞行计划，可以将定义转化为纯点模式，即：

，其中/>，/>，/>，这样就可与其他步骤统一化了。

2、飞行航迹，其本质与飞行计划相同，描述的都是航迹线，但飞行计划指的是飞行前的一个粗略的航迹设置，其飞行时间范围可以放宽（如前述S a1所提到的 t1与t2的设置），而飞行航迹是飞行过程中动态传输的实时的航迹信息，主要包括航空器的空间位置、速度和方向等信息，其精确度要高于飞行计划。同时前边也描述了如何判断航迹控制的好坏，即用比较。飞行航迹同样要考虑来自来自F系统的信息（例如飞行航迹和飞行计划等）。

3、限制空域信息包括禁飞区、限制区、危险区等类型的信息，根据国际航图标准，可由空域投影的多边形地理位置加上下高度限制来数字化描述。

二、数字化控制模块

数字化控制模块支撑了整个系统的框架，包括数据融合模块、空间管理模块、孪生引擎模块。

数据融合模块，用于整合来自多源平台的数据信息，进行统一的发布与调用，形成综合告警。具体来说，数据融合模块的输入包括：1、数字化态势信息模块获得的飞行计划、飞行航迹、限制空域等信息；2、数字化空间信息模块获得的空间及有人、无人飞行器具象化要素模型信息；3、数字化多运营人管理模块获得的注册信息、审批信息、运营决策信息（包括何时段飞哪些飞机、运营哪些物流配送航线等）等。输出包括：1、自定义域态势数据信息；2、自定义域空间信息；3、综合告警信息。

其中自定义域态势数据信息是数据融合模块将态势信息模块的数据进行整合，根据运营人的需要对区域进行筛选、发布和输出，得到用户自定义域的信息，包括轨迹、动态位置等数据。自定义域空间信息的输出主要是方便运营人进行航线规划，避开特殊区域、如禁飞区、有人机作业区等，包括楼房、机场等建筑物的三维模型信息。综合告警信息主要包括几方面：1、航迹偏出告警。2、容流量超限告警。3、航迹冲突告警。综合告警信息由数据融合模块通过S系统发送给A系统。本城市空中交通管理数据处理系统不影响F系统的决策，即数据融合模块不输出告警给F系统。

根据自定义域态势数据信息确定综合告警信息的方法步骤如下：

S b1评判过去已经发生的航迹

将每一时刻，从起飞开始已经产生的无人机的飞行航迹同对应阶段飞行计划相对比，进行计算，参见S a2-2步骤，计算。若/>大于1倍机体最大宽度的数值时，则发出航迹异常告警；若发出航迹异常告警，且判断航向偏离超过90度、航迹偏离指标/>超过5倍机体最大宽度时，则发出航迹偏出告警。

S b2评判未来距离尚远的计划航迹

由于飞行计划，也就是计划航迹，在本系统中采用的是四维的数据，即包含时间维和空间三维的信息。那么判断未来计划是否会冲突，则需要先固定时间维，再评判航路的空间轨迹是否发生干涉。若任意两条航迹干涉，则发出潜在航迹冲突告警。若已发出潜在航迹冲突告警，则增加时间维进行详细判断。将航线切分为单位元素块（全部标识为立方体，且是经纬度顺向的），长度以为基准，/>是控制指令传输周期，/>是平均速度，如0.5s*5m/s=2.5m的长度单元。则同一飞行计划时间，单元块的空间位置是确定的，其中心点以标识，它占据的空间中，长度占据范围由/>确定，宽度占据范围由确定,高度占据范围由/>，其中h是10倍机体最大高度，xlat、ylat、zlat分别为单元块中心点三维坐标。

若

即某空域R（例如深圳市）中任意i、j的飞行计划，它的单位元素块从时间t从0开始到N结束，两两空间的交集之和都等于零，则说明未来航迹没有冲突。若否，即则第i条航迹和第j条航迹在t时刻存在冲突，发出航迹冲突告警，给出预警,指示运营商需要重排未来计划。

S b3评判未来距离障碍物较近的计划航迹

若根据S b2得到的冲突中心位置（其他飞机的中心位置）与当前中心位置（本飞机中心位置）距离m小于5倍机体最大长度，或者飞行器当前位置在时间t_d之后预计航迹位置所处的单位元素块与其他航迹的单元元素块相冲突，则触发紧急航迹冲突告警

S b4 评判起降场计划航迹

参考后面的S c起降场的处理方式，对于某一起降场某一方位进近的航迹，若识别到单位时间（例如1h）内，起降架次超过预定架次，如60架次（大型枢纽站）或30架次（中型枢纽站）或10架次（普通起降站）则发出容流量超限告警。

空间管理模块用于空间数据上传管理、空间数据格式转换、空间数据编辑、空间数据导出等，即根据数字化空间信息模块中的要素，形成统一的空间数据处理流程，从而生成目标城市的精细化孪生空间，如生成目标城市包括物流基站及起降场数字化模型、常见物流航线的空域模型及航线下方精细化城市房屋街道三维模型等；又如生成跨城市无人物流航线模型，包括多个城市物流起降场模型、跨域地理信息模型和航路要素模型等。空间管理模块处理数字孪生空间有以下几个步骤：

以城市无人物流场景举例，首先将空间分为三个部分：起降场空域、航路空域和飞行器包裹空域。

S c1 确定起降场空域

在城市小空间范围内会密集的设置多个起降基站。起降基站的规模与当地物流派单量相关，根据业务量可以分为大型枢纽站（承载超过1/2的业务量），中型枢纽站（承载1/4～1/2的业务量）和普通起降站（承载小于1/4的业务量），且可以根据不同业务种类，对枢纽站的定义进行适应性调整。在同一城市内所展示的起降场空域的尺寸也有大、中、小的区别。

如图3所示，编号A、B、C、D、E、F都代表起降场空域，均由四方体展示，其中A的显示空间较大，且由分层四方体表示，代表枢纽站。具体的讲，起降场空域的尺寸，应代表实地起降基站精细化空间的最外围尺寸，若实地尺寸确定，则空域显示尺寸确定；若实地尺寸不确定，不方便测量或者应用的是仿真场景，则使用虚拟尺寸根据展示效果或仿真需求设定。

S c2 确定起降场空域要素

根据S c1得到的起降场空域，代表的是城市中无人物流配送的起降基站。进一步的方法步骤则是要确定起降场空域的三要素：高度层要素、进近点要素、降落平面要素。

如图3所示，一般枢纽站起降场（如A）包括多个高度层的设置，用于表示进近的无人机从多个高度位置进入起降空间。如A、E、F所示，起降空域由两个四方体块垒成，下层四方体块代表进近高度0m～50m，上层四方体块代表进近高度50 m～100m（根据进近点编号可知）。

每一个高度层根据实际需要，设置多个进近点，代表无人机从这个点的范围进入到起降场空间，如图3所示 a0_100、a180_100、a315_50、f180_50等都代表进近点。进近点第一个字母代表起降场编号，例如a180_100中的a代表这个进近点是属于起降场空域A的；第二个数字180代表无人机相对起降场从方向角180度进入起降场空间，即这个进近点在起降场的180度方位，具体进近点的方位分布如图4所示，方向角从0°~360°变化，北向为0度；第三个数字代表高度100m，即无人机从100m的高度层进入到起降场空间。这里每一个高度层的进近点都设置在同一高度。

此外一个起降场空间只含有一个降落平面，但可以支持多个降落点或降落路线，如图3所示，弧形起降路线降落在A底层平面可以有多条。起降场空域内的无人机运营模式根据不同的起降程序设置，考虑不同场景会有差别，这里起降场空域是一个整体，不再在起降场空域内划分次级空域。

S c3 确定航路空域

根据监管条例，城市内空中飞行的航路或者航线是需要审批的，审批的路径由航点序列及相关时间信息描述。为将批准的航线进行梳理、展示与空间分析，将航线进行四方体外扩，形成航路空域，如图3所示，ad.001、ac.001、ab.001、af.001、af.002、af.003、af.004、ef.001都表示的是航路空域。航路空域的尺寸，应代表某一高度上实际可以飞行的航线宽度，或批准得到的匹配航线的空域范围，若这个宽度或范围已经确定，则航路空域截面显示为该尺寸的最外围的矩形尺寸，比如若真实航路已经确定是个圆柱体，则本方法所述的航路空域表示的是这个圆柱体的外切四方体；若尺寸不确定，上报不包含航路尺寸或者应用的是仿真场景，则使用虚拟尺寸，根据展示效果或仿真需求设定。本方法给出了一套航路编号规则，包括如下信息，如ad.001,ad代表的是起降场A和起降场D之间的航路空域，方向是从A到D，001代表的是从A到D的第一段航路空域；af.004，是从起降场A到F的第4节航路空域；af.002，即是从起降场A到F的第2节航路空域，也是从起降场A到E的第2节航路空域，可根据需要设为af.002或者ae.002。由此可得，航路空域构成的是一个以航线为基准的空域网。

S c4 确定航路空域要素

根据S c3确定航路空域的位置，进一步的需要确定航路空域的要素：航路节点、平层航路空域、变高航路空域和应急航路空域。如图3所示，a_100、e_100.1、f_50.1代表的是航路节点。如e_100.1，第一个字母，代表这个航路节点所处的航路空域连接出发起降场E；第二个数字100，代表航路节点的高度为100m；第三个数字.1，代表该航路节点是连接出发起降场E之后的第一个航路节点；2，代表该航路节点是连接出发起降场E之后的第2个航路节点，如没有第三个数字，则表示只有一段航路。

平层航路空域和变高航路空域都属于常规航路空域。平层航路空域是指整条航路空域是设置在一个高度层的，而变高航路空域，代表在此航路空域内，进入航路节点和飞出的航路节点在不同的高度层上。变高航路空域的垂向尺寸覆盖变化高度的范围。

除常规航路空域以外，需设置应急航路空域，如图5中ab.001.n用虚线表示的四方体空域。首先应急航路空域是同常规航路空域沿审批航线方向相平行的，类似同一个马路的平行应急车道，但是不占用常规航路空域的空间。若常规航路空域内无人机出现紧急故障，如图5标红无人机，则该无人机选择进入应急航路空域（如图5中ab.001.n），决定驶向上一个或下一个航路节点，进而飞向A系统应急程序所指向的起降场空域。该应急程序可根据不同场景不同机型特殊化设定，本方法不做规范。应急航路空域的设定用于仿真场景及显示分析。

S c5 确定飞行器包裹空域

图5展示航路空域ab.001中飞行着三架飞行器，每一个飞行器都设有四方体包裹范围，即所述飞行器包裹空域。飞行器包裹空域表示不同飞行器在航路或起降场空域内行进时的安全保护范围，它的作用是：当使用的数字孪生系统检测到飞行器包裹空域相互重叠时，发出显示警示，告警数据发送给无人机飞行器的飞行执行系统，以影响后续决策。包裹空域的尺寸和形状根据业务需求、业务场景不同会有差异，但是本发明描述的飞行器包裹空域均显示为四方体，该四方体尺寸的确定，目的是使飞行器在该范围内飞行时，飞行安全是可以保证的。这里选取最大化原则进行四方体尺寸确定，即若安全范围已定，则四方体是飞行器安全范围的外切的最大范围；若未定，则参考飞机大小，考虑显示或仿真需求，设定为虚拟可修改尺寸，如图5所示，固定翼飞机飞行器包裹空域比多旋翼略大。在正常飞行情况下，飞行器在航道空域内飞行时，飞行器包裹空域是不会重叠碰撞的。如图5所示，给出一种飞行器包裹空域编号规则，如AIR_A.001，代表AIR厂商的A型号在场地内的第001号飞机，不同厂商的飞行器包裹空域通过颜色进行区分。

S6 形成整体无人机数字孪生空域处理结果

如图5所示，在城市物流场景下，构建由多起降场空域、航路空域网络构成的空域集合，并在其中嵌套运行飞行器包裹空域，形成整体的无人机数字孪生空域处理结果。

孪生引擎模块，主要用于数据驱动和场景渲染。将空间要素信息（来自数字化空间信息模块）、态势信息（来自数字化态势信息模块）及运营信息（来自多运营人管理模块）进行关联，根据动态数据（例如比如实时飞行轨迹、新增的飞行航迹等）驱动三维场景渲染。孪生引擎模块的渲染显示需满足数据不低于1HZ的更新率，并根据场景进行数据插值加密平滑显示。S d1若系统重点做目标城市全景全范围渲染，则孪生引擎采用高精度渲染模式，目的是沉浸式展示城市空中交通场景，让系统对整个城市的空中管控全局有整体的概念。Sd2若系统重点做多运行人航迹规避运算，发出实时告警,给出监管指令，强调数据及时传递，则孪生引擎采取中精度渲染模式。S d3，若系统重点针对已经发生的飞行数据做快速仿真，则孪生引擎采取低精度渲染模式，加速仿真速度，重点实现数据回放和算法推演。

三、无人机孪生飞行模块

用于构建数字孪生系统中的实物映射，是数字化信息（虚）和真实场景状态信息（实）的虚实结合模拟链接。建立孪生飞行模块可以更好的实现仿真验证，最优化呈现效果，通过实景展示发现系统运行的问题。用于在验证环境下将运营逻辑输出至多运营人管理模块，更新态势信息（例如动态的飞行航迹等信息）和飞行器感知到的空间信息（例如路面信息、城市环境信息等）到数字化核心模块，并从数字化控制模块处获取数据，实现虚实对应的场地飞行。所述运营逻辑包括飞行计划审批流程、应急操纵程序、起降程序、业务执行程序等。从数字化控制模块处获得认可的飞行计划轨迹，并在实景场地中执行飞行。无人机孪生飞行模块的设置可方便整套系统进行虚实结合的规模仿真，可通过逐渐改进算法，提升系统数据处理和管控效果。

本发明的优点在于：

1 系统将多运营人管理模块包含在内，以更好的兼容市场上多种无人机管理系统，形成城市空中交通的统一管理。

2 综合多运营人管理特点，掌握更加完整的无人机运行数据，给出更为全面的城市空中交通管理数据分析。

3.良好呈现三维渲染孪生场景，配备实物无人机孪生飞行，可进行规模仿真，提高管控效果。

4 .将复杂空域精简化，聚焦无人机的三大飞行要素：点-航点、线-航路、面-起降面，构成统一飞行空间体。

5 .适应性强，用精简化立方体构型描述复杂空域，可应对未来精细化标准做空间减法，空间关系更为清晰。

Claims

1.一种基于数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，包括数字化核心模块、数字化控制模块和无人机孪生飞行模块，其特征在于：数字化核心模块用于构建真实场景部件的数字化虚拟实体；数字化控制模块用于支撑整个系统；无人机孪生飞行模块用于构建数字孪生系统中的实物映射；数字化核心模块包括多运营人管理模块、数字化空间信息模块和数字化态势信息模块；数字化控制模块包括数据融合模块、空间管理模块和孪生引擎模块；多运营人管理模块搭载有多套S系统，该S系统为无人机运营商真实运行的综合管控平台A系统的集成版，S系统用于接收A系统的飞行审批申请，给出批准与否的反馈，向A系统下达飞行控制指令、发送飞行告警，接收来自A系统的动态飞行信息；通过S系统记录A系统中运营的航空器的所有注册信息，以备其他模块完成数据关联；数字化态势信息模块用于接收有人机运行系统F系统的数据，以在有人机和无人机冲突的场景下，实现无人机避障，绕开有人机飞行区域；

数据融合模块用于整合来自多源平台的数据信息，进行统一的发布与调用，形成综合告警；数据融合模块的输入包括：数字化态势信息模块获得的飞行计划、飞行航迹和限制空域信息，数字化空间信息模块获得的空间及有人、无人飞行器具象化要素模型信息，数字化多运营人管理模块获得的注册信息、审批信息、运营决策信息；输出包括：自定义域态势数据信息、自定义域空间信息、综合告警信息；飞行计划信息的适用场景包括：航点飞行场景、航线飞行场景、任务飞行场景；

其中：

（1）航点飞行场景适用于小型多旋翼无人机，其按航点执行飞行任务，其飞行计划信息包括：

航点序列：，其中/>代表一个航点信息，/>为初始航点，/>为降落航点；

航点信息：为一维向量，包括4个元素，分别是预计到达时间值、航点纬度、航点经度、海拔高度；

为了适用于多种无人机类型，飞行计划考虑时间范围（t1,t2），这种情况下航点信息按如下方式进行表示：

t1与t2根据飞机过该航点的平均巡航速度确定：

L是机身长度，是期望到达的时间点，t1与t2相当于是以/>为中心前后划出的时间区间，t是t2和t1的中点；

（2）航线飞行场景应用于巡线飞行；

航线飞行场景构建包括两个步骤：（2.1）描述航线；（2.2）航线离散化，生成航点序列；

（2.1）按如下格式对航线进行描述：

航线序列，其中/>代表一个航线信息，/>为初始航线，/>为结束航线；

航线信息：, 为一维向量，包括5个元素，分别是航线初始点预计到达时间值、航线初始点纬度、航线初始点经度、航线初始点海拔高度和航线方向角；

（2.2）将航线信息离散化，得到航点信息

其中，DIST表示距离函数，是该段航线的飞行距离,/>是控制指令传输周期；

由此将平均分成了M个点，得到航点序列信息：/>

其中每一个航点的信息为；,此处t表示到达该点的期望时间；

通过对比实际航迹和飞行计划的差别，得到控制效果参数

其中，是每一个离散点实际位置与计划位置之间的距离，/>代表第i段航线上面第j个离散航点的飞行计划的位置信息，/>代表第i段航线上面第j个离散航点对应的,实际飞行过后飞行航迹的位置信息；/>用于描述实际航迹的控制效果，/>越小则航迹控制效果越好；/>是第i个航段的长度；

（3）任务飞行场景下生成飞行计划信息包括：

（3.1）描述任务元素

针对任务型飞行，定义飞行计划包含如下任务项：悬停侦查、盘旋、投放物品、配送货物、搜索人员；

首先描述任务类型集z,，其中/>为悬停侦查、/>为盘旋、/>为定点投放、为定点配送货物、/>为定点监视；

（3.2）形成任务序列

定义一个任务项为

匹配航点运行，设含任务的航点序列描述为：,其中/>代表/>类别任务在第2航点序列位出现，/>代表/>类别任务在第4航点序列位出现，那么这组含任务的飞行计划的执行程序是，飞机从/>点出发，先飞过/>，然后在/>描述的位置执行z1类别任务，再飞达/>点，再在/>描述的位置执行/>类别任务，那么/>描述的信息有如下定义：

对于一个任务z定义任务信息：

是期望执行任务时间范围的中间点，/>，任务执行的空间范围用矩形表示，同经纬度是顺向的，即左上角坐标为[/>],右下角坐标为[/>],以此划出一片方形区域，任务在此区域内执行，任务执行的高度统一设为一个，alt；

若粗略估算一个任务的飞行计划，则将定义转化为纯点模式，即：

，其中/>，/>，/>；

飞行航迹是飞行过程中动态传输的实时的航迹信息，主要包括航空器的空间位置、速度和方向等信息，其精确度要高于飞行计划；

数据融合模块用于根据自定义域态势数据信息确定综合告警信息，包括：

S b1评判过去已经发生的航迹

将每一时刻，从起飞开始已经产生的无人机的飞行航迹同对应阶段飞行计划相对比，计算，若/>大于1倍机体最大宽度的数值时，则发出航迹异常告警；若发出航迹异常告警，且判断航向偏离超过90度、航迹偏离指标/>超过5倍机体最大宽度时，则发出航迹偏出告警；

S b2评判未来距离尚远的计划航迹

将航线切分为单位元素块，全部标识为立方体，且是经纬度顺向，长度以为基准，/>是控制指令传输周期，/>是平均速度，则同一飞行计划时间，单元块的空间位置是确定的，其中心点以/>标识，它占据的空间中，长度占据范围由/>确定，宽度占据范围由/>确定,高度占据范围由/>，其中h是10倍机体最大高度，x_lat、y_lon、z_alt分别为单元块中心点三维坐标；

若

即某空域R中任意i、j的飞行计划，它的单位元素块从时间t从0开始到N结束，两两空间的交集之和都等于零，则说明未来航迹没有冲突；

若否，即，则第i条航迹和第j条航迹在t时刻存在冲突，发出航迹冲突告警，给出预警,指示运营商需要重排未来计划；

Sb3评判未来距离障碍物较近的计划航迹

若根据S b2得到的冲突中心位置与当前中心位置距离m小于5倍机体最大长度，或者飞行器当前位置在时间t_d之后预计航迹位置所处的单位元素块与其他航迹的单元元素块相冲突，则触发紧急航迹冲突告警。

2.根据权利要求1所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其特征在于：多运营人管理模块为无人机运营商的综合管控平台的搭载在数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统上的系统集成版。

3.根据权利要求2所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其特征在于：多运营人管理模块用于接收无人机运营商的综合管控平台的飞行审批申请，给出批准与否的反馈，下达飞行控制指令、发送飞行告警；接收来自无人机运营商的综合管控平台的动态飞行信息。

4.根据权利要求1所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其特征在于：数字化空间信息模块存储有三维模型信息和地理信息，用于通过空间管理模块算法叠加融合显示构建城市的精细化模型，并显示无人机飞行相关的起降场附近的空间环境。

5.根据权利要求1所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其特征在于：数字化态势信息模块用于存储以下信息：飞行计划、飞行航迹和限制空域信息。

6.根据权利要求1所述的数字孪生的城市空中交通管理数据处理系统，其特征在于：自定义域空间信息的输出用于运营人进行航线规划，避开特殊区域和有人机作业区，其中特殊区域包括禁飞区；有人机作业区包括楼房、机场建筑物的三维模型信息。