CN116805205A - 一种无人机四维航迹运行和监测的方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种无人机四维航迹运行和监测的方法、系统及设备，本申请通过根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；基于航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，更新运行的无人机的状态。从而可以避免发生冲突以及进行一致性监测。
Description
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机四维航迹运行和监测的方法、系统及设备。
背景技术
随着科技的发展和互联网时代的来临，无人机技术在我们生活中的应用越来越广泛；目前无人机的应用邻域包括了地质勘测、物流运输、农业应用、影视拍摄、消防抗灾及救援巡查等领域，越来越多的领域开始使用无人机代替人工作业。然而，随着无人机的应用越来越广泛，需求越来越丰富，多运营人、多种类的无人机的运行对于低空空域空中交通管理提出越来越高的要求。在这种背景下。现阶段，全球针对无人机运行的管理和监测都处在探索的阶段，并未真正实施具有整体规划的管理方案，无人机的管理更多局限在企业内部，因而不同企业无人机无法真正意义上在统一空域内融合运行。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种无人机四维航迹运行和监测的方法、系统及设备，解决现有技术中多运营人、多种类无人机运行难以在同一低空空域高效融合运行及态势感知的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种无人机四维航迹运行和监测的方法，该方法包括：
根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；
获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；
基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整待运行无人机的四维航迹计划；
将待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；
基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据。
可选地，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据，包括：
若监测结果为运行的无人机出现异常状态，则删除数据库中该运行的无人机对应的四维航迹计划及保护空间的信息，并将所述运行的无人机标记为异常状态；
若监测结果为运行的无人机的地理位置与保护空间不符合，则停止所述运行的无人机的激活状态，并删除数据库中所述运行的无人机对应的四维航迹计划及保护空间的信息。
可选地，若监测结果为运行的无人机的地理位置与保护空间不符合之后，包括：
判断冲出保护空间的运行的无人机的健康状态和空域条件，若均正常，判断是否存在激活状态的无人机运行在同一航路上或具有交叉的航路；
基于判断结果将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态。
可选地，基于判断结果将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态，包括：
若判断结果为无，则将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态，以悬停状态的地理位置为起点重新计算冲出保护空间的运行的无人机的四维航迹计划，将冲出保护空间的运行的无人机按照重新计算的四维航迹计划重新执行飞行任务；
若判断结果为有，则将冲出保护空间的运行的无人机以冲出保护空间的地理位置为基准点，沿着垂直于运行方向的角度飞行至应急航道进行悬停等待，基于该无人机的电量判断是否存在可用的四维航迹资源，若存在，则按照可用的四维航迹资源重新回到原运行航线，若不存在，则判断备降场的空域是否可用，以对该无人机执行备降。
可选地，确定每一待运行无人机的保护空间，包括：
分别确定每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布；
基于每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布确定每一待运行无人机的保护空间。
可选地，所述时空资源占用信息包括时间戳信息和保护空间的信息，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划，包括：
比较指定时间戳对应的所有激活状态下的航空器的保护空间与每一待运行无人机的四维航迹计划及保护空间是否存在重叠，若存在，则调整相关待运行无人机的起飞时间，基于调整后的起飞时间更新该相关待运行无人机的四维航迹计划。
可选地，将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，包括：
对每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间进行数据校验；
当校验通过时，判断所述四维航迹计划以及保护空间是否与数据库中已有的处于激活状态的航空器的四维航迹以及保护空间存在时空冲突，若无，则将所述四维航迹计划以及保护空间存储在数据库中。
可选地，所述方法包括：
将所述运行的无人机的四维航迹计划以及保护空间进行页面展示，并对所述运行的无人机匹配当前时间戳下保护空间；
当所述运行的无人机进入应急状态时对所述运行的无人机进行闪烁以及变色展示。
根据本申请另一个方面，还提供了一种无人机四维航迹运行和监测的系统，该系统包括：运营端管理模块、全流程信息管理模块以及运行监视模块，其中，
所述运营端管理模块用于根据所在的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；
所述全流程信息管理模块用于获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；
所述全流程信息管理模块用于将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；
所述运营端管理模块用于对标记为激活状态的待运行无人机发送运行指令；
所述运行监视模块用于监测运行的无人机的执行作业过程，并将监测结果传输至所述全流程信息管理模块，所述全流程信息管理模块基于监测结果更新运行的无人机的状态及更新无人机数据库中飞行动态数据。
根据本申请又一个方面，还提供了一种无人机四维航迹运行和监测的设备，该设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如前述所述方法的操作。
根据本申请再一个方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如前述所述的方法。
与现有技术相比，本申请通过根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，基于监测结果更新运行的无人机的状态及更新数据库中飞行动态数据。从而可以为多运营人多种类无人机在同一空域的运行提供安全有效的整体管理方案。基于即将运行前的无人机四维航迹计划及保护空间的信息共享，可以在获取空域态势信息，避免了运行过程中的不确定性和大量计算。允许运行人根据无人及性能自主确定保护空域的大小，更具有灵活性，提高了空域利用率，同时增加了空域运行的包容性，在空域资源深情优先级条件下，提高运行的公平性，避免空中交通拥堵或发生冲突。系统可以进行一致性监测，根据监测信息，提出了无人机运行的应急情况及应对策略，为保证多运营人多种类无人机全流程运行提供了具体方案。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本申请的一个方面提供的一种无人机四维航迹运行和监测的方法流程示意图；
图2示出本申请一实施例中无人机的保护空间的示意图；
图3示出根据本申请另一个方面还提供的一种无人机四维航迹运行和监测的系统的结构示意图；
图4示出本申请一具体实施例中一种应用于多运营端多种类无人机基于四维航迹运行与监测的系统框架示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
在本申请一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器 (例如中央处理器（Central Processing Unit，CPU）)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (RandomAccess Memory，RAM) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器 (Read Only Memory，ROM) 或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (Phase-Change RAM，PRAM)、静态随机存取存储器 (Static Random Access Memory，SRAM)、动态随机存取存储器 (DynamicRandom Access Memory，DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 (Compact Disc Read-OnlyMemory，CD-ROM)、数字多功能光盘 (Digital Versatile Disk，DVD) 或其他光学存储、 磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
本申请提出一种适用于多场景、多种类无人机的运行技术可以从底层解决多运营人、多种类无人机在低空空域大规模运行的安全、效率等问题。通过实施无人机基于四维航迹飞行计划的运行，可以根据无人机自身特点设置动态间隔，保证空域资源的有效利用、可以保证无人机全流程态势共享，使得多种类无人机在统一空域内安全有效的运行，增加了包容性，对于低空空域资源的充分利用，低空空域安全的保证具有重要的意义。
图1示出根据本申请的一个方面提供的一种无人机四维航迹运行和监测的方法流程示意图，该方法包括：步骤S11~步骤S15，其中，
步骤S11，根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；在此，指定空域为指定的无人机可进行飞行的空域，如某一具体城市的空域，某一地理范围内的区域的空域；先确定出每一待运行无人机的四维航迹计划后，再确定每一待运行无人机的四维航迹计划对应的保护空间；多运营人多种类无人机同一空域运行需要进行运行意图的信息共享，从而实现时空资源的灵活分配；在实际运行过程中，在同一城市上方，各运营端的运营人根据自己的运营场景确定需要无人机进行的作业需求，在指定空域中划设无人机运行航线；其中，无人机运行的固定航线参数内容包括：航线编号ID、航线轨迹点、航线宽度、航线状态，航线轨迹点包括轨迹点编号、轨迹点地理信息、运行特征（是否为终端区，是否为上升下降点，是否为转弯点）；在航线确定可用后，为准备要运行的无人机制定四维航迹飞行计划，无人机四维航迹飞行计划包含无人机身份识别信息及无人机运行过程的具有时间和空间属性的标称航迹，具体包括无人机相关身份信息及作业任务信息、航线相关信息（航线ID、起降场ID），四维航迹信息由多组表征无人机运行由起飞到降落的由时间空间对应信息、运行特征等信息组成的数据组，其中每一组参数包含信息数组编号、时间戳、物理位置信息、航段类型、航向、保护空间编号。针对不同的无人机，进行无人机航迹保护区算法，航迹保护区算法的输入数据包含无人机的性能指标、飞行模式、预测的作业当天气象状态、电磁环境影响与通信导航监视情况，以及影响无人机按照预设标称航迹运行的其他因素，基于多源输入数据的无人机保护区算法，得到对应于无人机不同航迹阶段的保护空间。
步骤S12，获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；在此，在具体作业需求确定、货物装载、无人机状态校验等内容都准备完成后，运营端进行基于给定航线的时空资源检索，获取已经在空中运行的航空器的四维航迹及保护空间的时空资源占用，以已经运行的航空器的四维航迹及保护空间作为时间和空间两个维度的约束信息，以进行后续调整待运行无人机的四维航迹。
步骤S13，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；在此，根据获取到的已在运行的航空器的时空资源占用信息，与待运行无人机的保护空间进行比较，确定拟申请的四维航迹计划是否与已经在空中运行的航空器具有运行意图上的时空重叠，若重叠则进行调整直至没有时空重叠。
步骤S14，将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；在此，将每一待运行无人机的四维航迹计划以及保护空间存入数据库，供下一个拟申请的四维航迹计划及保护空间作为判断依据。
步骤S15，基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据。在此，运营端收到无人机的四维航迹的飞行批准后向无人机发送运行指令，执行无人机的作业，在运行过程中，无人机向运营端不断传输动态飞行数据，同时对无人机进行可视化的监测，并基于监测结果更新数据库中被监测的无人机的数据以及被监测的无人机的状态。从而可以实现基于四维航迹及保护空间信息的一致性监测。当无人机四维航迹计划已激活，运营人发布起飞指令后，无人机严格按照四维航迹在保护空间内进行空中作业。无人机通过4G/5G通信方式向地面站进行实时动态数据传输，具体数据参数包括：无人机ID，时间戳（世界协调时），实时位置，包括经度、纬度、高度 （WGS-84坐标系），速度信息，向东、向北、向天方向的速度以及加速度速度和加速度信息（NED坐标系），运行特征，上升、下降、平飞、悬停、任务细节等，无人机性能，电池容量，通信、导航质量等地面站将相关数据字段解析后，以JSON格式传输到全流程信息管理模块中的对应无人机的动态数据库中。
在本申请一些实施例中，在步骤S11中，分别确定每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布；基于每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布确定每一待运行无人机的保护空间。在此，保护空间以四维航迹中时空点为相应的基准点。保护空间取决于无人机执行四维航迹的能力、C2链路质量、定位精度、导航精度、飞行速度、应急处置性能等多种因素。根据无人机飞行控制能力、定位精度、导航精度及运行空域的电磁环境、气象情况，及其他影响运行精度的因素确定保护空间。
时间信息用世界协调时，经纬度高度信息使用WGS-84坐标系，四维航迹信息中保护空间编号被用作数据索引以确定对应于制定时间和空间的具体的保护空间信息。无人机保护空间支持多种形态，根据设备生厂商提供的具体控制和性能参数以及保护空间的意向形态进行设置，以圆柱形、立方体等凸多面体等可以表达保护空间特征的形状表示。其中，如图2所示，保护空间的相关参数包括运行方向的前向保护距离,后向保护距离/>,与运行方向垂直并与运行方向平行角度的多面体（如立方体）的平面形状的宽或者半径r。
具体地，在运行方向上，无人机的定位误差、导航误差和指令反应时间分别用正态分布表示为：和/>，其中表示无人机运行/>时间后的定位误差的标准差，/>表示无人机运行/>时间段后的导航误差的标准差，/>表示指令反应时间的均值，而/>表示为无人机对于指令的反应时间的标准差。
在运行方向上无人机位置误差可以计算为：
其中，无人机在不同阶段的运行速度表示为，/>表示运行特征，包括上升、下降、平飞、悬停等。无人机的通信质量造成的误差表示为/>,其中/>表示为距离通信基站的最近距离，/>表示为通信基站强度类别，/>为计算通信质量造成的在无人机运行方向的位置误差的表达式,除此之外/>表示根据其他影响无人机运行方向位置的因素导致的误差所确定的冗余距离。
由于利用正态分布表示误差，所以取数值分布为平均值4标准差的范围内，即无人机有99.9937%概率无人机在这个空间内运行。所以在运行方向上，无人机保护空间的前向保护距离/>和后向保护距离/>符合以下条件：
，
；
对于与运行方向垂直的平面的宽度或半径的求解方式同理，可以表示为：
，
其中各个要素的下标表示在运行方向垂直的平面上的误差。
各运营人根据SAM运行性能和环境因素，应当实时确定并公布无人机的固定的或者实时调整的航迹保护区，用于确定两架无人机之间的最低间隔标准，不同的无人机由于其性能的不同会对应不同尺寸的保护空间。
在本申请一些实施例中，所述时空资源占用信息包括时间戳信息和保护空间的信息，在步骤S13中，比较指定时间戳对应的所有激活状态下的航空器的保护空间与每一待运行无人机的四维航迹计划及保护空间是否存在重叠，若存在，则调整相关待运行无人机的起飞时间，基于调整后的起飞时间更新该相关待运行无人机的四维航迹计划。在此，时空资源占用信息包括时间戳信息、标称位置信息和保护空间信息，将时间戳信息及保护空间作为时间和空间两个维度的约束信息，通过调整拟起飞无人机（即待运行的无人机）的起飞时间，判断意向四维航迹计划在空中实际运行时是否与已经激活的其他无人机的四维航迹信息存在冲突。冲突探测的方法为：在所有四维航迹在激活状态的无人机进行时间维度上的重叠比较。两两选取存在时间维度的重叠的无人机，遍历重叠时间段内的时间戳，比较指定时间戳对应的两无人机的四维航迹计划及空间保护区是否存在重叠。在本申请中采用典型的凸多边体碰撞检测算法分轴定理方法判定三维空间中，无人机的保护空间是否在指定的时间戳下具有重叠，若同时存在，时间、空间两个维度的重叠，则判定两架无人机的具有冲突。在此基础上重新调整起飞时间然后进行冲突校验，在优化算法指导下快速找到与其它已激活的四维航迹无冲突的起飞时刻，并根据这个起飞时刻进行四维航迹计划的调整。将调整好的拟起飞的无人机的四维航迹计划申请存入相关管理模块中，在本申请中采用全流程信息管理模块进行数据共享，无人机的四维航迹申请并对相关四维航迹数据以及保护空间进行存储和删除等，其中，当无人机将数据传输至全流程信息管理模块中时，无人机四维航迹数据传输接口数据格式采用json数据。
在本申请一些实施例中，无人机四维航迹及保护空间作为时空资源申请和授予的有效途径，根据无人机飞行任务进行优先权分类，进行社会紧急救援任务的无人机具有最高优先权，运营人根据作业需求提前申请的特定任务具有较高优先权。除此之外，系统对于商业性质的多运营人多类无人机在城市上方有限时空资源申请依据先申请先服务的主原则。时空资源申请过程由运营人负责，存在多运营人在相近时刻同时为无人机申请同一航线或具有交叉的航线的情况，在运行任务无优先级划分的情况下，以系统成功收到运营人提供的四维航迹申请并成功存入全流程信息管理系统的时刻作为基准进行优先权判定，一旦系统成功接收到运营人申请的相关无人机的四维航迹信息，系统启用数据校验功能。
在本申请一些实施例中，在步骤S14中，对每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间进行数据校验；当校验通过时，判断所述四维航迹计划以及保护空间是否与数据库中已有的处于激活状态的航空器的四维航迹以及保护空间存在时空冲突，若无，则将待运行无人机的四维航迹计划以及保护空间存储在数据库中。在此，根据传输信息中携带的航线信息、任务信息等校验数据的合规性，并通过对比标准四维航迹的数据结构确定四维航迹及保护空间信息的完整性和合规性，在通过数据格式的合规性验证后，调取全流程信息管理模块中内置的冲突探测算法检验运营人拟申请存入数据库的四维航迹计划及保护空间是否与现有数据库中处于激活状态的无人机四维航迹与保护空间是否有时空冲突，从管理的角度进行设置第二道保护防线。若系统判定无人机的四维航迹计划与其他有效的四维航迹及保护空间无时空冲突，那么指定无人机的四维航迹信息被允许存入全流程信息管理模块的四维航迹数据库后，证明此四维航迹处于激活状态，相应的时空占用已被批准，无人机只能按照由运营人为其申请的四维航迹运行。
全流程信息管理模块在行使任务审批功能时，会将批准结果返回给运营人，运营人得到激活指令即可启动无人机进行作业，若返回结果为否，四维航迹计划信息被驳回，系统会同时将冲突信息返回给运营人供其参考。运营人根据系统返回的信息重新调用时空资源检索及航迹优化算法，以调整无人机作业起飞时间进而确定新的四维航迹计划并将重新计算的四维航迹计划发送到全流程信息管理模块。
在本申请一些实施例中，在步骤S15中，若监测结果为运行的无人机出现异常状态，则删除数据库中该运行的无人机对应的四维航迹计划及保护空间的信息，并将所述运行的无人机标记为异常状态；若监测结果为运行的无人机的地理位置与保护空间不符合，则停止所述运行的无人机的激活状态，并删除数据库中所述运行的无人机对应的四维航迹计划及保护空间的信息。在此，针对无人机的监测包括两部分：一是对无人机飞行过程中的健康状态的监测，另一个是无人机真实地理位置与保护空间的符合性。无人机四维航迹计划符合性监视是通过对比每一时间戳下，无人机实时的地理位置信息与四维航迹中预先设定的对应时间戳下的保护空间信息实现的。无人机实时地理位置的获取，可以由第三方监视设备获取，例如雷达、无人机安装的相关监视设备，或利用地面架设摄像头等方式；还可以利用运营端的地面站获得的无人机自动下传的飞行动态数据中的地理位置信息与四维航迹对应的保护空间信息实现。若通过对比无人机的实时位置与指定时间戳下四维航迹及保护空间能够确定在每一时间戳下，无人机都在指定的四维航迹对应保护空间中稳定运行，则无人机运行状态正常，若无人机在某一瞬间脱离了保护空间，则根据数据源进行相关的告警，若系统接收第三方的数据源作为无人机动态数据，则由系统及时通知运营人无人机的异常状态。无人机在飞行过程中同时监测自身的性能状态，相关视觉数据与动态运行数据同时传输给地面站，通过不断评估运行环境和无人机运行性能限制条件提前对无人机不正常运行状态进行预警，其中，判断标准包括：气象条件限制如风、雨，临时障碍物如空中突然出现的气球、塑料袋等，无人机本身性能异常如电量过低、通信导航信号干扰过久等情况。预警过程为无人机系统向运营端提供相关信息，运营端根据无人机下传的信息分析是否存在异常状态，时刻关注相关无人机的运行，若存在无人机有可能在短时间内产生运行状态恶化的情况，则运营端提前终止无人机的任务，并发送异常信号情况，系统立即删除数据库中对应无人机的四维航迹计划及保护空间的信息，并将此无人机标记为异常状态，同时向所有参与运行的运营人推送该无人机的异常信息。运营人接管异常状态的无人机，通过实时控制系统向无人机发送指令，在无人机电池巡航能力足够的情况下，优先选取预定的备降机场备降。当探测出无人机偏离了保护空间，则系统立刻停止此无人机四维航迹及保护空间的激活状态并在告警信号发出后从数据库中删除此四维航迹及保护空间的信息，无人机自动进入应急状态。
接上述实施例，判断冲出保护空间的运行的无人机的健康状态和空域条件，若均正常，判断是否存在激活状态的无人机运行在同一航路上或具有交叉的航路；基于判断结果将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态。在此，应急状态预设多种不同应急程序，首先对冲出保护空间的无人机进行环境和无人机状态判断，若空域条件良好同时无人机的状态良好，此时没有激活状态的无人机运行在同一航道上或具有存储交叉的航道，则无人机进入悬停状态。
具体地，若判断结果为无，则将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态，以悬停状态的地理位置为起点重新计算冲出保护空间的无人机的四维航迹计划，将冲出保护空间的无人机按照重新计算的四维航迹计划重新执行飞行任务；若判断结果为有，则将冲出保护空间的运行的无人机以冲出保护空间的地理位置为基准点，沿着垂直于运行方向的角度飞行至应急航道进行悬停等待，基于该无人机的电量同时调用时空检索及航迹优化算法计算是否存在可用的四维航迹资源，若存在，则按照可用的四维航迹资源重新回到原航线运行，若不存在，则判断区备降场的空域是否可用，以对该无人机执行备降。
在此，对冲出保护区的无人机进行环境和无人机状态判断，如果空域条件良好同时无人机的状态良好，此时没有激活状态的无人机运行在同一航路上，则无人机进入悬停状态，以悬停的地理位置为起点，以计划重新执飞的时刻为起始时间，调整无人机的四维航迹计划，并存入数据库，将无人机设为激活状态，无人机可直接再次执行飞行任务。进行无人机状态判断时，判断无人机状态，例如电量，无人机物理特性、软件健康度等综合评估选择，若无人机运行情况良好，但存在其他无人机在此航路上运行或存在与此航路交叉的航路，而交叉航路上存在其他无人机运行，那么以冲出保护区的地理位置为基准点，沿着垂直于运行方向的角度飞行至应急航道悬停等待，运营人调用时空资源检索及航迹优化算法，计算在电量允许的情况下，是否存在可用四维航迹时空资源使得无人机可以重新回到原来航线，若计算可行，则运营人再次进行四维航迹时空资源申请，如果获得数据校验获得批准后，无人机可再次汇入航线中完成运行。若算法并未生成可去终点的四维航迹计划，则判断去到备降场的空域是否可用，利用航空器中的预设程序引导无人机进行备降，若无人机无法自行备降，那么由无人机地面站操作员直接接管无人机，引导无人机备降，或者停落在特定位置。
在本申请一实施例中，所述方法包括：将所述运行的无人机的四维航迹计划以及保护空间进行页面展示，并对所述运行的无人机匹配当前时间戳下保护空间；当所述运行的无人机进入应急状态时对所述运行的无人机进行闪烁以及变色展示。在此，可实时调取全流程信息管理模块中的无人机四维航迹信息，对于已激活的无人机四维航迹的整体地理航迹信息及相关的保护空间进行展示，同时在无人机运行时，实时调取无人机的动态数据，进行空域内所有无人机动态展示，对于动态运行的无人机可匹配当时时间戳下的保护空间以获得整个空域的态势感知。同时在无人机进入应急状态对无人机进行闪烁和变色展示，能够实时锁定处于异常状态的无人机。可以辅助监视和管理人员快速识别紧急情况，并作为一致性监测和应急管理的辅助手段。
本申请所述的方法包括了城市环境下可飞空域中多运营人多种类无人机的用于申请时空资源的四维航迹信息格式及保护空间定义方式，多运营人多种类无人机有限时空资源优先权分配机制，运行过程中基于四维航迹及保护空间信息的一致性监测机制。
图3示出根据本申请另一个方面还提供的一种无人机四维航迹运行和监测的系统的结构示意图，该系统包括：运营端管理模块100、全流程信息管理模块200以及运行监视模块300，其中，所述运营端管理模块100用于根据所在的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；所述全流程信息管理模块200用于获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；所述全流程信息管理模块200用于将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；所述运营端管理模块100用于对标记为激活状态的待运行无人机发送运行指令；所述运行监视模块300用于监测运行的无人机的执行作业过程，并将监测结果传输至所述全流程信息管理模块200，所述全流程信息管理模块200基于监测结果更新运行的无人机的状态及更新数据库中动态飞行数据。在此，如图4所示，运营端管理模块包括无人驾驶航空器系统，包含了无人机航迹保护区算法、无人机可用时空检索及航迹优化算法；全流程信息管理模块包括数据共享功能、任务优先权配置功能、数据校验功能、数据存储功能及任务审批规则，以当时时刻为基准，运营人可以申请预计T时间之内起飞的时空资源，当运营人计算得到无冲突的四维航迹计划，将此四维航迹计划及对应的保护空间信息以标准格式向全流程信息管理模块的数据库中传输；运行监视模块包含可视化系统、一致性监测方法以及应急管理服务。
具体地，运营端管理模块中的各个运营人根据自己的运营场景确定需要无人机进行的作业需求，在具体作业需求确定、货物装载、无人机状态检验等内容都已经准备完成后，运营人进行基于给定航线的时空资源检索，通过在全流程信息管理模块中获取已经在空中运行的航空器的四维航迹计划及保护空间的时空资源占用，确定拟申请的四维航迹计划是否与已经在空中运行的航空器具有运行意图上的时空重叠并进行调整直至没有时空重叠，运营人申请将四维航迹计划及保护空间存于全流程信息管理模块供下一个拟申请的四维航迹计划及保护空间作为判断依据，全流程信息管理模块进行四维航迹计划及保护空间的准入性校验，并存入数据库，同时向运营人发出指定无人机四维航迹计划的飞行批准。运营人收到信息后，执行无人机的作业，在运行过程中，无人机向运营人不断传输动态飞行数据，运营人向全流程信息管理模块同步无人机的实时飞行位置及状态，同时全流程信息管理模块向运行监视模块传输可视化所需的数据进行可视化展示，无人机运行过程中如遇到紧急情况，运行监视模块会在可视化阶段做出相应的展示。
此外，本申请实施例还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现前述一种无人机四维航迹运行和监测的方法。
在本申请一实施例中，还提供了一种无人机四维航迹运行和监测的设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如前述所述方法的操作。
例如，计算机可读指令在被执行时使所述一个或多个处理器：
根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；
获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；
基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；
将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；
基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路（ASIC）、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。
Claims (11)
1.一种无人机四维航迹运行和监测的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据每一运营端的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；
获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息；
基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；
将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；
基于各运营端对标记为激活状态的待运行无人机发送的运行指令执行作业，并监测执行作业过程，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于监测结果更新运行的无人机的状态和更新数据库中动态飞行数据，包括：
若监测结果为运行的无人机出现异常状态，则删除数据库中该运行的无人机对应的四维航迹及保护空间的信息，并将所述运行的无人机标记为异常状态；
若监测结果为运行的无人机的地理位置与保护空间不符合，则停止所述运行的无人机的激活状态，并删除数据库中所述运行的无人机对应的四维航迹及保护空间的信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若监测结果为运行的无人机的地理位置与保护空间不符合之后，包括：
判断冲出保护空间的运行的无人机的健康状态和空域条件，若均正常，判断是否存在激活状态的无人机运行在同一航路上或具有交叉的航路；
基于判断结果将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于判断结果将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态，包括：
若判断结果为无，则将冲出保护空间的运行的无人机进入悬停状态，以悬停状态的地理位置为起点重新计算冲出保护空间的运行的无人机的四维航迹计划，将冲出保护空间的运行的无人机按照重新计算的四维航迹计划重新执行飞行任务；
若判断结果为有，则将冲出保护空间的运行的无人机以冲出保护空间的地理位置为基准点，沿着垂直于运行方向的角度飞行至应急航道进行悬停等待，基于该无人机的电量判断是否存在可用的四维航迹资源，若存在，则按照可用的四维航迹资源重新回到原运行航线，若不存在，则判断备降场的空域是否可用，以对该无人机执行备降。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定每一待运行无人机的保护空间，包括：
分别确定每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布；
基于每一待运行无人机的定位误差的正态分布、导航误差的正态分布和指令反应时间的正态分布确定每一待运行无人机的保护空间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时空资源占用信息包括时间戳信息和保护空间的信息，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划，包括：
比较指定时间戳对应的所有激活状态下的航空器的保护空间与每一待运行无人机的四维航迹计划及保护空间是否存在重叠，若存在，则调整相关待运行无人机的起飞时间，基于调整后的起飞时间更新该相关待运行无人机的四维航迹计划。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，包括：
对每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间进行数据校验；
当校验通过时，判断所述四维航迹计划以及保护空间是否与数据库中已有的处于激活状态的航空器的四维航迹以及保护空间存在时空冲突，若无，则将所述四维航迹计划以及保护空间存储在数据库中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述运行的无人机的四维航迹计划以及保护空间进行页面展示，并对所述运行的无人机匹配当前时间戳下保护空间；
当所述运行的无人机进入应急状态时对所述运行的无人机进行闪烁以及变色展示。
9.一种无人机四维航迹运行和监测的系统，其特征在于，所述系统包括：运营端管理模块、全流程信息管理模块以及运行监视模块，其中，
所述运营端管理模块用于根据所在的场景在指定空域中划设每一待运行无人机的四维航迹计划，并确定每一待运行无人机的保护空间；
所述全流程信息管理模块用于获取已经在指定空域中运行的航空器的时空资源占用信息，基于所述航空器的时空资源占用信息及每一待运行无人机的保护空间调整每一待运行无人机的四维航迹计划；
所述全流程信息管理模块用于将每一待运行无人机的四维航迹计划以及对应的保护空间存储在数据库中，并将存储成功的待运行无人机标记为激活状态；
所述运营端管理模块用于对标记为激活状态的待运行无人机发送运行指令；
所述运行监视模块用于监测运行的无人机的执行作业过程，并将监测结果传输至所述全流程信息管理模块，所述全流程信息管理模块基于监测结果更新运行的无人机的状态及更新数据库中飞行动态数据。
10.一种无人机四维航迹运行和监测的设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述方法的操作。
11.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
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