CN117198095A - 一种智慧空中出行分布式交通管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智慧空中出行分布式交通管理系统，包括公共智慧空中交通服务提供方模块P‑SSP、企业智慧空中交通服务提供方模块S‑SSP、无人机运营人运行控制模块，其中：公共智慧空中交通服务提供方模块P‑SSP用于在无人机飞行的战略阶段、预战术阶段、战术阶段、应急阶段提供管理；企业智慧空中交通服务提供方模块S‑SSP用于为申请服务的无人机运营人提供城市空中交通管理服务，建立与P‑SSP的信息共享；无人机运营人运行控制模块用于定制S‑SSP的服务内容。

Description

一种智慧空中出行分布式交通管理系统

技术领域

本发明涉及智慧空中交通管理领域，更具体的，尤其涉及一种智慧空中出行分布式交通管理系统。

背景技术

当前，无人驾驶航空正不断快速发展、迭代演进，已成为新的社会生活与经济生产方式，代表着全球航空业发展的趋势。无人机具有高度数字化、网络化、智能化等特点，未来将不断融入空域系统。国内多家无人机物流商已经有了较大的发展。然而无人机类型多样、场景复杂，对传统航空监管体系及技术手段提出了巨大挑战，如何保证所有无人机运营方高效和公平进入空域，实现空域不同类型用户安全、高效、融合运行，成为全球民航共同面对的时代挑战。

近年我国大力推动无人机制造研发运营以及低空数字经济，由于相关服务保障、技术规范标准等尚不成熟，城市空中交通监管主要以政策为主，缺乏有效和完备的服务保障和技术手段。传统空中交通管理主要采用基于扇区管制员提供管制服务的方式实现高密度航空器运行安全间隔和效率，通用航空主要通过飞行服务机构提供气象情报监视信息，飞行员自主目视飞行保障安全间隔。然而，相比于运输航空与通用航空，智慧城市空中交通在运营环境、无人机、运行管理、服务保障等方面具备较强的数字化、智能化属性。因此，当前基于人决策的空中交通管理和通用航空的基础设施、信息化系统、服务保障模式都无法适应智慧城市空中交通发展要求，因此在空中交通规模化、数字化、精细化管理等方面需要提出新思路和方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种智慧空中出行分布式交通管理系统，可实现城市无人机物流运输、即时配送等运营场景下的安全、高效、公平的交通管理。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种智慧空中出行分布式交通管理系统，包括公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP、企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP、无人机运营人运行控制模块，其中：公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP用于在无人机飞行的战略阶段、预战术阶段、战术阶段、应急阶段提供管理；企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP用于为申请服务的无人机运营人提供城市空中交通管理服务，建立与P-SSP的信息共享；无人机运营人运行控制模块用于定制S-SSP的服务内容。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP包括用于战略阶段的信息存储与共享模块、战略飞行冲突管理模块、容流平衡管理模块；用于预战术阶段的无人机四维航迹校验与发布模块；用于战术阶段的动态跟踪模块、航迹预测模块、冲突告警模块，以及用于应急阶段的应急信息发布告警模块。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：信息存储与共享模块，用于无人机运营人经营类信息、运行空域及航路信息、无人机和人员信息、无人机起降点信息、无人机飞行计划等信息的存储与共享；还用于将空域管理部门提供的空域限制信息，有人机飞行计划和动态信息的存储和共享；以及用于将地理信息、气象信息、人口密度信息的存储和共享。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：战略飞行冲突管理模块用于根据信息存储与共享模块的共享信息，评估不同运营人空域、航路是否存在交叉重叠，并进行分类标记。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：容流平衡管理模块采用多区域聚合流量模型，根据无人机起降点、航路流量阈值，基于无人机飞行计划统计预测 时间段内无人机起降点、航路的流量现状。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：容流平衡管理模块通过空域网格化建模，对空域进行多区域划分。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：无人机四维航迹校验与发布模块，用于针对无人机运营人提交的四维航迹信息进行冲突评估，若无冲突则存储发布无人机四维航迹，供其他运营人检索并避免与之产生飞行冲突。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：动态跟踪模块采用WGS-84坐标系，通过设置的地理参考点校正，与已知地理参考点的比对，对WGS84坐标进行微调和校正。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：航迹预测模块，用于基于无人机动态信息不断预测更新无人机四维航迹，即无人机飞行未来时间段的时间和空间占用情况，为冲突告警模块的冲突告警提供依据。

所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其中：冲突告警模块，用于评估无人机四维航迹预测是否违反安全间隔，如果违反间隔，则无人机四维航迹之间产生飞行冲突，为S-SSP提供告警提示，并提供无人机冲突解脱的飞行策略建议。

附图说明

图1为智慧空中出行分布式交通管理系统结构示意图；

图2为智慧空中出行分布式交通管理系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-2，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所示，智慧空中出行分布式交通管理系统包括公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP、企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP、无人机运营人运行控制模块。

公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP是交通管理系统的核心模块，作为智慧空中交通管理的公共服务提供方，在无人机飞行的战略阶段、预战术阶段、战术阶段、应急阶段提供管理。

空中交通服务提供方模块P-SSP包括用于战略阶段的信息存储与共享模块、战略飞行冲突管理模块、容流平衡管理模块；用于预战术阶段的无人机四维航迹校验与发布模块；用于战术阶段的动态跟踪模块、航迹预测模块、冲突告警模块，以及用于应急阶段的应急信息发布告警模块。具体来说：

信息存储与共享模块，用于无人机运营人经营类信息、运行空域及航路信息、无人机和人员信息、无人机起降点信息、无人机飞行计划等信息的存储与共享；还用于将空域管理部门提供的空域限制信息，有人机飞行计划和动态信息的存储和共享；以及用于将地理信息、气象信息、人口密度信息的存储和共享。上述信息中：

无人机运营人经营类信息包括无人机运营人的身份、授权证书、运营许可等信息；运行空域及航路信息包括空域限制、航路规划、飞行禁区等空域管理部门提供的信息；无人机和人员信息包括无人机的注册信息、所有者信息、操作人员信息等；无人机起降点信息包括无人机起飞点和降落点的地理位置信息；无人机飞行计划包括无人机的飞行路径、起降时间、飞行任务等详细信息；动态信息包括实时的无人机位置、速度、高度等动态数据。

信息存储与共享模块采用分布式数据库系统，包括多个相互协作的计算节点。节点分布在不同的物理位置或网络中，将数据存储和处理的负载分布到多个节点上，以提高数据库系统的性能、可扩展性和容错性。数据被分割成多个部分，并分布存储在不同的节点上。同时，每个节点可以独立地处理自己存储的数据，同时通过网络连接与其他节点进行通信和协作。节点之间共享数据和处理任务，以实现数据的一致性、可用性和并发性。

战略飞行冲突管理模块用于根据信息存储与共享模块的共享信息，评估不同运营人空域、航路是否存在交叉重叠，并进行分类标记。评估无人机飞行计划是否交叉重叠，即无人机违反安全间隔，并进行分类标记。例如Y表示无潜在飞行冲突，N为有潜在飞行冲突。便于无人机运营人根据标记进行评估并实施预战术和战术运行。

战略飞行冲突管理模块设计主要从冲突的等级进行冲突划分，将飞行冲突分为四个级别。/>级别代表无人机飞行不发生冲突，按照计划可以正常运行。/>级别代表无人机接近相互的飞行安全保持距离，可能导致一定程度的操作干扰或飞行安全问题，但风险和危险程度相对较低。/>级别代表无人机飞行时会进入相互的飞行安全保持距离，具有较高的风险和危险程度，可能导致严重的操作干扰或飞行安全问题，但尚未达到立即的威胁水平。/>级别代表已经进入飞行安全保持距离，为最高级别的冲突，存在立即威胁到飞行安全的情况。这种级别的冲突可能导致严重的事故或碰撞。

冲突等级计算方法如下：设为无人机在WGS-84坐标系下变换的三维坐标。/>为定义在/>方向上的安全冗余量。则机体的安全空间可由的坐标区域描述。

若空域 R 中任意的无人机飞行计划，随着时间推移，它的机体安全空间，两两之间没有冲突，那么如果满足两者交集时间大于在最大安全间隔下的相隔时间，则此时无人机冲突级别标记为/>或者/>,在飞行安全距离标记为/>的情况下，设定了飞行安全距离阈值/>。当/>无人机飞行距离/>时，标记为/>安全级别。当/>无人机飞行距离/>时，标记为/>安全级别。

若否，即随着时间推移，它的机体安全空间有冲突，发生了航迹交叠。那么当无人机飞行距离/>时，标记为/>安全级别。当/>无人机飞行距离/>时，标记为/>安全级别。对进入本机安全距离内的无人机进行标记，其中/>安全级别标记航迹为/>，/>安全级别标记航迹为/>。

容流平衡管理模块，用于根据无人机起降点、航路流量阈值，基于无人机飞行计划统计预测无人机起降点、航路流量是否超过容量限制，如果超过则限制无人机新的飞行计划执行。

容流平衡管理模块采用多区域聚合流量模型，根据无人机起降点、航路流量阈值，基于无人机飞行计划统计预测时间段内无人机起降点、航路的流量现状。当判断流量在突破容量最大限制C _max之后飞行计划被重新规划安排。此外假若根据战略飞行冲突管理模块计算的无人机之间发生/>级别冲突的数量占到无人机总数量20%，飞行计划也被重新规划安排。

容流平衡管理模块通过空域网格化建模，对空域进行多区域划分。对于区域内，设/>时刻的交通流量有/>。/>表示区域/>在/>时刻的交通流量。/>表示区域/>在/>下一时刻的交通流量。/>表示与区域/>相邻的区域/>在/>时刻的交通流量。通过航迹预测与飞行计划，能够有/>，/>即/>时刻从/>空域飞出与飞入空域/>的流量预测统计。

上式表示区域从/>时刻到/>时刻的流量变化，/>为相邻区域流量统计分析后得到的比例系数。随着一天中时间的不同，系数是一个变化的值，经过统计分析有变化系数/>。例如，在航行忙碌的10时-14时，对于各个区域来说，空域容量相对饱和不会有较大的波动，变化系数/>趋于平稳，/>在1左右。当航路相对不饱和的18时-20时，无人机在空域中数量的增减会带来相邻空域系数较大的改变，/>，并随着时间/>改变。在时间t/>区域相邻区域的状态转移矩阵有

通过根据现有信息判断下一时刻区域的空域流量状态，如果超过则限制无人机新的飞行计划执行，无人机执行指令（禁止进入空域指令）禁止进入该空域。如果没有超过限制无人机执行/>指令（继续执行指令）的原定飞行计划。

无人机四维航迹校验与发布模块，用于针对无人机运营人提交的四维航迹信息进行冲突评估，若无冲突则存贮发布无人机四维航迹，供其他运营人检索并避免与之产生飞行冲突。

无人机四维航迹校验与发布模块设计采用GJK（Gilbert–Johnson–Keerthi 凸多边形碰撞算法）算法，该方法通过向量映射构成闵可夫斯基差集(Minkowski Difference)。定义每架无人机为一个体积物体。通过判别一段时间内配置空间障碍CSO（ConfigurationSpace Obstacle）距离原点的最小距离来实现基于四维航迹信息的无人机冲突评估。选取两架无人机和/>，设定时间区间为/>，其速度分别为/>和/>。无人机/>和/>的立方体表示为/>和/>,/>表示考虑无人机三维形状的各个顶点。在/>时刻，对两架无人机有，/>。其中/>表示无人机/>的三维坐标，/>表示无人机/>的速度。/>为常数，/>为引入的距离冗余量。

计算原点与CSO的距离可转化为原点与CSO边界轨迹的距离：

若两架无人机未发生冲突，则原点在CSO外部，且与CSO最小距离为边界轨迹到原点的距离，无人机四维航迹校验与发布模块储存无人机飞行轨迹；若发生冲突，则原点在CSO内部，且在某两个顶点的运动轨迹之间，不储存无人机飞行轨迹。其中为经验系数。

动态跟踪模块，用于根据整个空域无人机的位置信息( 位置、高度、速度等)，为空域管理部门、通用航空、S-SSP、无人机运营人、地方政府提供运行态势共享。

动态跟踪模块设计采用WGS-84坐标系，通过设置的地理参考点校正，与已知地理参考点的比对，对WGS84坐标进行微调和校正，以提高精度。空域无人机的位置信息表示为，包含无人机的信息、经纬高、时间信息。同时，还应包含无人机的速度、飞行计划等信息。通过飞行冲突管理模块与航迹预测模块，进行动态目标跟踪，服务于各级管理、运营部门。

航迹预测模块，用于基于无人机动态信息不断预测更新无人机四维航迹，即无人机飞行未来时间段的时间和空间占用情况，为冲突告警模块的冲突告警提供依据。

航迹预测模块设计采用GRU神经网络思想，进行航迹预测模型训练。将无人机飞行数据定义为，其中/>为无人机/>的所有航迹。同时定义无人机/>的第/>个航迹特征为/>，/>分别表示航迹点的经度、纬度、高度和时间。通过基于密度的带噪声空间聚类算法DBSCAN对上述数据进行聚类，得到聚类簇/>，其中/>，/>为无人机/>的第一个航迹点 。对该簇航迹数据集进行数据分割,即利用前/>个航迹点预测后/>个航迹点，设置一个长度为L的窗,利用滑动窗对该簇航迹数据进行截取得到输入航迹预测模型的数据形式为:

该输入数据能够通过神经网络得到理论输出值：

即完成四维航迹预测。

冲突告警模块，用于评估无人机四维航迹预测是否违反安全间隔，如果违反安全间隔，则无人机四维航迹之间产生飞行冲突，为S-SSP提供告警提示，并提供无人机冲突解脱的飞行策略建议。

冲突告警模块用于结合飞行冲突管理模块，进行冲突标记与告警。若标记冲突为则无需进行冲突解脱，若标记为/>级别，则需要进行冲突解脱，S-SSP向无人机提供飞行策略建议。

冲突计算公式如下：

为航向/>的函数，即需要判断是否冲突的两架无人机航向的函数。其中，θ ₁和θ ₂是无人机1、2的航向。/>，/>表示无人机1、2的速度，β表示无人机相对地面的俯仰角。为机动（为避开危险所执行的爬升、加速、减速等动作）后，整个策略产生的代价，冲突解脱要求在策略进行时，对于冲突双方产生的代价有最小值。其中/>为飞机间代价系数，/>为常量系数，当冲突处于T ₄阶段， P的值比T ₃阶段更小，从而使得冲突解脱策略更为敏感灵活。对于双方来说,冲突解脱过程中所需支付的威胁代价主要由时间延迟、航向改变量、高度变化等决定。随着每一步的机动策略，飞行冲突管理模块同时进行冲突级别评估。当冲突级别由/>转变为/>时，完成冲突解脱。

应急信息发布告警模块，用于对空域管理部门发布的临时空域信息，通用航空临时飞行任务，以及无人机故障失去控制等信息进行及时发布和告警，保证智慧城市空中交通利益各方建立统一的情景意识。

应急信息发布告警模块设计需要有能力从多个不同的源接收信息，例如从空域管理部门获取临时空域更改信息，从运营方上报的飞行任务计划获取通用航空临时飞行任务，从无人机自身的控制系统获取无人机状态信息。在接收并解析了信息后，通过决策引擎来确定何时以及如何发布告警，所有信息包括飞行器位置，速度/>，能量/>，间距/>，航向/>，按当前速度飞行过间距/>的时间/>等。告警信息计算方法如下：

例如，接收到的信息是无人机失控，那么系统需要立即发布告警。如果信息是临时空域更改，系统需要考虑更改的时间和影响范围，然后决定告警的紧急程度/>。/>表示一些对无人机无重大影响的告警，如不会影响飞行的天气变化、风速变化等。

企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP，用于为申请服务的无人机运营人提供城市空中交通管理服务，建立与P-SSP的信息共享，包括战略阶段的信息交互模块，预战术阶段四维航迹共享模块；战术阶段的动态跟踪模块、航迹一致性监测模块、冲突告警模块；以及应急阶段的偏离及故障信息发布告警模块。

信息交互模块，用于汇总无人机运营人运行控制模块提交的无人机运营人经营类信息、无人机运行空域及航路信息、无人机和人员信息、无人机起降点信息、地理信息、气象信息、人口密度信息并共享至P-SSP；发布共享来自于P-SSP的空域限制、战略飞行冲突管理、容流平衡等信息，作为无人机运营人运行控制模块进行运行控制的依据。

信息交互模块的功能主要包括：

信息收集：信息交互模块从无人机运营人运行控制模块收集各类

信息。包括无人机运营人的经营类信息（如公司资质、资产、运营记录等）、无人机的运行空域及航路信息（如预定的飞行航线、实时的飞行状态等）、无人机和人员的相关信息（如无人机的规格、性能、人员的资质、工作记录等）、无人机的起降点信息（如位置、条件、周围环境等）、地理信息（如地形、地貌、建筑物分布等）、气象信息（如风速/>、气压/>、温度/>等）和人口密度信息（如人口分布、活动情况等）。所有这些信息都需要在实时、准确地收集并整理。

信息共享：收集到的信息需要共享至P-SSP，以供其他方使用。

共享过程需要有严格的数据安全保障，确保信息的安全、隐私和完整性。同时，信息共享的方式需要满足实时性和连续性的要求，确保其他方可以及时获得最新的信息。

信息接收：信息交互模块同时需要接收来自P-SSP的信息。这包括空域限制信息（如空域的实时状态、变化情况等）、战略飞行冲突管理信息（如飞行冲突、冲突解决方案等）和容流平衡信息（如空域的容流情况、调整措施等）。这些信息需要在收到后立即处理，并传递给无人机运营人运行控制模块。

信息处理：对于接收到的信息，信息交互模块需要进行相应的处

理。包括信息的解析、验证、存储、转发等。处理的结果可能影响到无人机的飞行计划、操作决策等，因此需要保证处理的准确性和及时性。

四维航迹共享模块，用于在预战术阶段，将无人机运营人运行控制模块的无人机四维航迹信息，提交至P-SSP校验，并将校验无冲突四维航迹信息共享发布，将冲突的四维航迹反馈给无人机运营人提示修改完善。

四维航迹共享模块设计涉及到的关键元素包括时间和三维空间位置。其基本思想是比较两架（或更多）无人机在预计飞行航迹中的位置和时间，以判断是否存在潜在的冲突或接近情况。假设有两架无人机和/>，它们的预计航迹可以分别表示为：

检测这两架无人机是否可能发生冲突，我们可以考虑以下条件：

当三个条件同时满足时，则航迹发生冲突。如果发现提交的航迹会产生冲突，系统会将冲突的航迹信息反馈给无人机运营人员，提示他们修改或完善航迹信息。如果没有冲突，系统会将无冲突的四维航迹信息发布出去，供其他系统或模块使用。

动态跟踪模块，用于在战术阶段，实时跟踪共享服务范围内的无人机的位置信息( 位置、高度、速度等)，以及共享由P-SSP提供的存在潜在飞行冲突的其他无人机动态信息。

动态跟踪模块的功能主要包括：

实时位置跟踪：此功能主要负责跟踪和更新无人机在空中的实

时位置信息。这包括无人机的经度、纬度、高度以及其他相关信息。这些数据会通过无人机上的传感器（如GPS）进行收集，然后传输到此模块。

速度和方向跟踪： 除了位置信息，此模块还需要跟踪无人机的速度和飞行方向。这对于无人机的导航和避免冲突十分重要。

潜在飞行冲突信息跟踪：此功能从P-SSP获取存在潜在飞行冲突的其他无人机的动态信息，并对这些信息进行跟踪和更新。这样可以及时警告无人机运营人员进行避难操作，从而避免可能的冲突。

信息整合和分析： 此功能会将收集到的各种信息进行整合和分析，以提供全面和准确的无人机运行状态。这对于无人机运营人员制定飞行策略和避难策略十分重要。

航迹一致性监测模块，用于监测无人机实时航迹与提交的四维航迹是否一致，若不一致将提示告警信息并发布至P-SSP，保证整体运行安全。

航迹一致性监测模块设计需要包括实时收集和处理无人机的位置、速度、航向和时间等数据，以及预设的四维航迹信息。进行无人机实时航迹与预设航迹进行比较，评估其一致性。涉及到计算无人机的实际位置和速度与预设航迹的偏差，以及对该偏差随时间的变化进行分析。如果发现无人机的实际航迹与预设航迹/>存在显著差异，模块需要生成并记录告警信息，航迹一致性监测按下式进行告警计算，式中/>为经验系数，为距离冗余量。

告警信息根据偏差量/>判断是否发布。当偏差量超过阈值，例如100米时，告警信息需要立即发布至P-SSP，以便进行必要的调整或应急响应。告警发布可能需要使用实时通信协议，以保证告警信息能够及时、准确地传达到相关人员。

冲突告警模块，用于为提供服务的无人机，判断无人机四维航迹之间是否违反安全间隔，产生飞行冲突，并进行告警提示。

冲突告警模块设计主要根据无人机四维航迹之间是否违反安全间隔，进行告警，其中根据安全间隔的不同，进行不同等级的告警。

设，/>为无人机/>在/>时刻的位置，距离判定为/>。设定安全间隔距离/>与距离系数/>。/>为最小安全间隔系数，/>为最大安全间隔系数。当时，不发生冲突告警。当/>时，发出冲突等级为/>的警告，需进行间隔保持，保证足够的安全距离。当/>，发出冲突等级为的警告，需要尽快进行机动，扩大无人机间的间隔。当/>，发出冲突等级为/>的警告，需立刻停止飞行或立即采取紧急机动，拉开飞行间隔。

偏离、故障信息发布告警模块，用于向无人机运营人运行控制模块、P-SSP发布无人机偏离和故障紧急信息。

偏离、故障信息发布告警模块的功能主要包括：

信息检测：告警模块需要实时监测无人机的运行状态和位置信息。包括定期接收无人机的状态信息，或者通过接收器直接从无人机获取信息。一旦检测到无人机发生偏离或故障，模块需要立即触发告警。

告警生成：模块需要生成包含所有相关信息的告警消息。这包括无人机的身份信息、偏离或故障的详细情况、时间和位置等。告警消息需要清晰、准确，能够快速被接收者理解。告警等级分为轻、中、紧急三种，用表示。

告警发布：告警模块需要立即将告警消息发布给无人机运营人运行控制模块和P-SSP。发布的方式可以是不同颜色、不同分贝声音以表示紧急程度等。发布的过程确保接收者能够立即得知情况并采取行动。

告警记录：模块需要记录所有的告警事件，包括告警的内容、时间、处理情况等。这些记录可以用于未来的分析和改进。

安全保障：在所有的过程中，模块需要保证信息的安全和隐私。告警信息包含敏感信息，如无人机的详细位置和状态，需要有严格的安全措施防止信息泄露。

无人机运营人运行控制模块，用于定制S-SSP的服务内容，基于共享信息，满足自身运行安全、效率需求。包括运营信息共享模块、运行风险评估模块、预战术冲突化解模块、飞行控制和监控模块、应急处置模块。

运营信息共享模块，用于将无人机运营企业信息、无人机信息、运行空域航路信息、人员信息提交给S-SSP，从而有利于S-SSP形成智慧空中交通的整体运行静态信息。

运营信息共享模块基于S-SSP理念，提供详细的有关无人机的各种信息，具体包括：

1.无人机运营企业信息：

注册信息：无人机运营企业的注册信息，包括企业名称、注册地址、联系方式等。

经营许可证：无人机运营企业的经营许可证信息，包括证书编号、有效期等。

资质认证：无人机运营企业的相关资质认证信息，如飞行员证书、无人机型号认证等。

2.无人机信息：

无人机注册信息：包括无人机的注册编号、所有者信息、型号、制造商等。

技术规格：无人机的技术规格信息，包括尺寸、重量、最大飞行高度、航时等。

航空器注册证书：无人机的航空器注册证书信息，包括证书编号、有效期等。

3.运行空域航路信息：

空域限制信息：提供空域管理部门提供的空域限制信息，包括禁飞区域、限制飞行区域、临时限制区域等。

航路规划信息：提供预设的航路规划信息，包括常用航路、飞行走廊等。

4.人员信息：

无人机操控员信息：包括无人机操控员的身份信息、证书信息、飞行经验等。

监管人员信息：包括监管人员的身份信息、证书信息、执法经验等。

5.无人机起降点信息：

起降点位置：提供无人机起降点的地理位置信息，包括经纬度、海拔高度等。

起降点设施：提供无人机起降点的设施信息，如跑道长度、着陆标识等。

6.无人机飞行计划信息：

飞行计划申请：无人机运营企业提交的飞行计划申请信息，包括飞行时间、起降点、飞行路径等。

动态信息更新：无人机飞行过程中的实时动态信息更新，包括当前位置、飞行高度、速度等。

7.地理信息：

地形地貌信息：提供飞行区域的地形地貌信息，如山脉、河流、建筑物等。

空域结构信息：提供空域结构信息，包括地理边界、分区划分等。

8.气象信息：

天气预报：提供飞行区域的天气预报信息，包括温度、风向、风速、能见度、降水等气象要素的预测数据。

9.人口密度信息：

人口普查数据：提供飞行区域内的人口普查数据，包括人口数量、人口密度等。

人口流动数据：提供人口流动情况的数据，如人口迁移、人口聚集等。

运行风险评估模块，用于基于从S-SSP获取的空域信息、地理信息、气象信息、人口密度、其他无人机飞行计划等进行风险评估，制定满足自身需要的飞行计划。

运行风险评估模块用于与运营信息共享模块、动态跟踪模块结合后进行运行风险评估。无人机运行风险评估主要考虑无人机伤亡区域覆盖，其主要因素包括无人机自身参数/>、无人机撞地角度/>、地面人群分布的平均属性/>、飞行速度/>、飞机动能/>等参数：

其中为经验系数，取值范围在0.2~1。

无人机运行风险评估还需考虑有地面致死概率，计算时涉及保护系数/>、致死撞击概率/>、致死最低能量值/>、撞击时的动能/>、飞行器质量/>、质量系数/>（取值在1~3）、无人机垂直地面目标高度/>等参数：

综合考虑目标安全风险水平，其中/>为环境因素带来的伤害能量，/>为相对地面位置高度，/>为地面目标存在的动能（固定目标为动能取1）：

预战术冲突化解模块，运营人起飞前提交包括时间和空间位置的四维航迹信息，并根据S-SSP获取的其他无人机四维航迹进行分布式预战术冲突化解，生成无冲突四维航迹，并最终提交确认。

预战术冲突化解模块的功能设计围绕分布式预战术冲突化解进行规划，主要包括：

冲突检测：飞行器需要能够检测到可能发生冲突的情况，使用预测算法和传感器数据完成。

冲突解决方案的生成：检测到可能的冲突，飞行器需要生成一种冲突解决方案。改变航向、速度、经纬度、高度与达到时间，即。

冲突解决方案的执行：飞行器执行决定的冲突解决方案。

信息分享：为了在分布式环境中确保冲突解决，飞行器需要与其他飞行器分享其位置、速度、方向和冲突解决方案。

对于分布式与战术冲突化解，每架飞行器都是决策的主体，要求在进行冲突化解与规划时，对于其中任意一个无人机来说，无法通过采取其他的策略来获得更高的累积回报，每架无人机需执行纳什均衡策略。最终在冲突化解后的每架无人机的四维航迹都将提交S-SSP确认。

飞行控制和监控模块，用于在战术阶段，起飞后运营人基于全局空域运行信息对无人机运行过程进行控制与监管，根据要求上传动态飞行信息。根据标记N有潜在冲突飞行计划的无人机，根据S-SSP的冲突告警信息进行规避，保障安全间隔。

模块的功能设计包括：

实时监控：实时监控无人机的位置、速度、高度、电池状态等关键信息，并对这些信息进行分析，判断无人机的当前状态和可能的风险。

动态飞行信息上报：模块需要能够根据要求上传动态飞行信息。其中包括无人机的当前位置、预计航线、当前任务状态等信息。

冲突检测与化解：对于被标记为有潜在冲突飞行计划的无人机，模块需要能够接收并处理S-SSP的冲突告警信息。生成和执行一个避免冲突的新航线，以保障安全间隔。

控制指令下发：操作员应能够根据监控信息和冲突告警信息，对无人机下发控制指令，如调整航线、改变飞行高度或速度、暂停或终止任务等。

对于无人机间隔保持，按如下方式进行：设为无人机实际位置，/>为无人机设定位置，考虑无人机速度/>、加速度/>、重量/>，周围风速/>等影响，无人机实际位置的计算有以下公式：

对于间隔保持应遵循2架无人机满足：

应急处置模块，主要用于运营人针对无人机紧急情况进行应急处置。比如自身故障以及其他无人机偏离航迹、发生故障、空域临时限制、有人机应急穿过航路等。并及时将动态信息和意图共享至S-SSP。

模块的功能设计需要实时收集并分析无人机的运行状态信息，包括但不限于无人机的位置、速度、航向、电池状态和负载情况。如果检测到任何异常情况（例如无人机偏离预定航迹、电池电量过低或者传感器数据异常），就需要启动应急响应流程。

在检测到无人机异常状态后，首先要进行故障分类标记。对于不同类型的故障，可能需要采取不同的应急措施。例如：

无人机偏离了预定航迹，可能需要通过遥控器或者自动导航系统将其引导回到正确的航迹上，标记异常状态；

电池电量过低，可能需要寻找最近的充电点或者安全的降落点，标记异常状态；

检测到的是传感器数据异常，可能需要进行故障诊断，判断是否可以通过重启或者复位来解决问题，标记异常状态。

并及时将无人机的动态信息和应急措施的意图共享给S-SSP，所述应急措施包括包括停止动作就近降落，离开飞行区域，悬停等。

通过本发明，能够适应智慧城市空中交通发展要求，实现城市无人机物流运输、即时配送等运营场景下的安全、高效、公平的交通管理。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种智慧空中出行分布式交通管理系统，包括公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP、企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP、无人机运营人运行控制模块，其特征在于：公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP用于在无人机飞行的战略阶段、预战术阶段、战术阶段、应急阶段提供管理；企业智慧空中交通服务提供方模块S-SSP用于为申请服务的无人机运营人提供城市空中交通管理服务，建立与P-SSP的信息共享；无人机运营人运行控制模块用于定制S-SSP的服务内容。

2.根据权利要求1所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：公共智慧空中交通服务提供方模块P-SSP包括用于战略阶段的信息存储与共享模块、战略飞行冲突管理模块、容流平衡管理模块；用于预战术阶段的无人机四维航迹校验与发布模块；用于战术阶段的模块，以及用于应急阶段的应急信息发布告警模块。

3.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：信息存储与共享模块，用于地理信息、气象信息、人口密度信息的存储和共享。

4.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：战略飞行冲突管理模块用于根据信息存储与共享模块的共享信息，评估不同运营人空域、航路是否存在交叉重叠，并进行分类标记。

5.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：容流平衡管理模块采用多区域聚合流量模型，根据无人机起降点、航路流量阈值，基于无人机飞行计划统计预测时间段内无人机起降点、航路的流量现状。

6.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：容流平衡管理模块通过空域网格化建模，对空域进行多区域划分。

7.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：无人机四维航迹校验与发布模块，用于针对无人机运营人提交的四维航迹信息进行冲突评估，若无冲突则存储发布无人机四维航迹，供其他运营人检索并避免与之产生飞行冲突。

8.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：用于战术阶段的模块包括动态跟踪模块，动态跟踪模块采用WGS-84坐标系，通过设置的地理参考点校正，与已知地理参考点的比对，对WGS84坐标进行微调和校正。

9.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：航迹预测模块，用于基于无人机动态信息不断预测更新无人机四维航迹，即无人机飞行未来时间段的时间和空间占用情况，为冲突告警提供依据。

10.根据权利要求2所述的智慧空中出行分布式交通管理系统，其特征在于：用于战术阶段的模块包括冲突告警模块，冲突告警模块用于评估无人机四维航迹预测是否违反安全间隔，如果违反间隔，则无人机四维航迹之间产生飞行冲突，为S-SSP提供告警提示，并提供无人机冲突解脱的飞行策略建议。