一种浮空器航道识别方法及装置

本技术涉及数据处理，尤其涉及一种浮空器航道识别方法及装置。

背景技术：

1、零推力浮空器在平流层等高空环境中完全依赖大气风场进行被动输运，其航路规划的本质是寻找符合拉格朗日粒子轨迹的输运通道。在长航时任务中，准确识别出能够保障浮空器安全、稳定航行的航道，以及规避可能导致任务失败的隐蔽滞留区或危险区，是实现浮空器高效飞行与任务成功的关键前提。因此，浮空器航道识别技术的可靠性与精准度，直接决定了浮空器长航时任务规划的成败与飞行安全。

2、现有的浮空器航道识别方法主要基于欧拉瞬时或平均风场数据，并通常采用风速阈值法来识别适合浮空器停留或航行的区域，例如以风速低于5m/s作为判定标准。然而，一方面，基于欧拉风场的方法无法真实反映拉格朗日粒子的输运规律，导致规划的航线易断裂，长航时规划的可靠性低；另一方面，单纯依靠风速阈值无法识别风速不低但被涡旋束缚的拉格朗日相干结构（lagrangian coherent structure，lcs）型隐蔽滞留区，在平流层环流中，许多涡旋结构边缘风速可达15m/s以上，内部风速也常在5-10m/s，传统风速阈值法会将其误判为可安全航行的区域，但实际上，根据拉格朗日输运理论，粒子一旦进入此类涡旋便难以逃逸，浮空器误入后将长时间滞留甚至导致任务失败，现有技术对此类隐蔽滞留区的漏检率极高。

3、因此，如何基于拉格朗日输运理论精准识别真实航道并有效规避隐蔽滞留区成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种浮空器航道识别方法及装置，用以解决现有技术中航道规划可靠性低的缺陷。

2、本技术提供一种浮空器航道识别方法，包括如下步骤：

3、按小时对多年同期风场数据进行聚合平均，得到全年逐小时的气候态风场序列；

4、基于所述气候态风场序列，计算每日各离散空间网格的有限时间李雅普诺夫指数ftle，所述ftle包括前向ftle和后向ftle；

5、对于任一日的任一所述离散空间网格，若前向ftle低且后向ftle低，则确定所述离散空间网格在当日为航道候选区；后向ftle高值区包围的封闭区域内，若前向ftle低，则确定所述封闭区域在当日为滞留候选区；若前向ftle高且后向ftle低，则确定所述离散空间网格在当日为危险区；若前向ftle高且后向ftle高，则确定所述离散空间网格在当日为禁区；

6、基于所述航道候选区，识别得到航道；

7、其中，所述ftle低是指ftle低于第一阈值，所述ftle高是指ftle高于第二阈值。

8、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，对每一天，基于如下条件对所述航道候选区进行筛选：

9、第一条件：所述航道候选区的前向ftle低于当日全球ftle的第一预设分位数；

10、第二条件：当日平均风速达到风速阈值；

11、第三条件：对满足所述第一条件和所述第二条件的连通域，计算最小面积外接矩形的长宽比，所述长宽比大于长宽比阈值；

12、第四条件：对于所述后向ftle高于当日全球ftle的第二预设分位数的航道候选区组成的连通域，若所述连通域的几何闭合度大于闭合度阈值，则剔除所述连通域。

13、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，在所述对所述航道候选区进行筛选之后，还包括：

14、对满足条件的航道候选区进行8-连通域标记，保留面积大于面积阈值的连通域，得到全年的气候态逐日连通域集合。

15、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，所述基于所述航道候选区，识别得到航道，包括：

16、对第d天的第i个连通域与第d+1天的第j个连通域，计算两个连通域的面积交并比和质心漂移距离；

17、若所述面积交并比大于空间重叠度阈值且所述质心漂移距离小于漂移距离阈值，则确定所述第d天的第i个连通域与所述第d+1天的第j个连通域是同一气候态通道的相邻两日，建立跨天对应关系；

18、在获取到全年的跨天对应关系后，基于每条气候态通道的生命周期确定一条具有时限的航道。

19、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，所述浮空器航道识别方法还包括：

20、对各所述气候态通道提取如下属性：起始日、连续维持天数、气候态平均风速、气候态面积、气候态质心位置、气候态几何轮廓、拉格朗日相干结构强度。

21、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，所述浮空器航道识别方法还包括：

22、基于各所述气候态通道的连续维持天数，对各所述气候态通道进行持续性分级；

23、基于各所述气候态通道的气候态平均风速，对各所述气候态通道进行航道速度分级；

24、基于各所述气候态通道的持续性分级结果与航道速度分级结果，为各所述航道生成航道标签。

25、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，基于如下步骤对所述滞留候选区进行提取，得到滞留区：

26、对于所述后向ftle高于当日全球ftle的第三预设分位数的滞留候选区组成的连通域，筛选出几何闭合度大于闭合度阈值的连通域；

27、对各所述连通域的闭合脊线轮廓，采用多边形填充算法生成其内部区域；

28、取所述前向ftle低于当日全球ftle的第四预设分位数的滞留候选区，以及所述内部区域的交集，作为候选连通域；

29、若所述候选连通域的面积大于面积阈值，且所述候选连通域的几何闭合度大于所述闭合度阈值，则确定所述候选连通域为滞留区。

30、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，基于如下步骤对所述滞留区进行验证：

31、使用蒙特卡洛方法均匀释放n个测试粒子，对所述测试粒子进行d天的前向拉格朗日轨迹积分，统计d天后成功跨越滞留区边界的逃离粒子数量；

32、基于所述逃离粒子数量与所述测试粒子数量的比值，确定逃逸率；

33、基于所述逃逸率，确定所述滞留区的风险等级。

34、根据本技术提供的一种浮空器航道识别方法，所述浮空器航道识别方法还包括：

35、基于各所述候选连通域的连续维持天数，对各所述候选连通域进行持续性分级；

36、基于各所述候选连通域的气候态平均风速，对各所述候选连通域进行航道速度分级；

37、基于各所述候选连通域的持续性分级结果与航道速度分级结果，为各所述滞留区生成滞留区标签。

38、本技术还提供一种浮空器航道识别装置，包括如下模块：

39、数据预处理模块，用于：按小时对多年同期风场数据进行聚合平均，得到全年逐小时的气候态风场序列；

40、ftle场构建模块，用于：基于所述气候态风场序列，计算每日各离散空间网格的有限时间李雅普诺夫指数ftle，所述ftle包括前向ftle和后向ftle；

41、区域划分模块，用于：对于任一日的任一所述离散空间网格，若前向ftle低且后向ftle低，则确定所述离散空间网格在当日为航道候选区；后向ftle高值区包围的封闭区域内，若前向ftle低，则确定所述封闭区域在当日为滞留候选区；若前向ftle高且后向ftle低，则确定所述离散空间网格在当日为危险区；若前向ftle高且后向ftle高，则确定所述离散空间网格在当日为禁区；

42、航道确定模块，用于：基于所述航道候选区，识别得到航道；

43、其中，所述ftle低是指ftle低于第一阈值，所述ftle高是指ftle高于第二阈值。

44、本技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述浮空器航道识别方法。

45、本技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述浮空器航道识别方法。

46、本技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述浮空器航道识别方法。

47、本技术提供的浮空器航道识别方法及装置，通过按小时对多年同期风场数据进行聚合平均，构建了全年逐小时的气候态风场序列，克服了现有技术依赖欧拉瞬时或平均风场无法反映粒子真实输运规律的缺陷，为长航时任务规划提供了高可靠性的底层数据支撑；进一步地，将有限时间李雅普诺夫指数（finite-time lyapunov exponent，ftle）作为核心识别指标，通过计算前向ftle与后向ftle的组合状态来精确界定空间网格的属性，当某一网格呈现前向ftle低且后向ftle低时，表明该区域粒子既不会在时间演化中快速发散，也不存在来自外部的强吸引脊线，符合真实航道的拉格朗日输运特征，从而被准确识别为航道候选区；当呈现前向ftle低且位于后向ftle高值脊线所包围的闭合区域时，说明该区域虽然自身粒子不易发散，但存在强烈的后向吸引脊线，即涡旋闭合边界，这正是平流层中风速不低但被涡旋束缚的lcs型隐蔽滞留区的典型动力学特征，通过这种基于拉格朗日相干结构的动力学边界识别机制，能够精准剥离出那些被高风速掩盖的隐蔽滞留区，大幅降低了浮空器误入涡旋导致长时间滞留或任务失败的风险，提升了浮空器航道识别的科学性与安全性。综上所述，本技术通过构建气候态风场序列并结合有限时间李雅普诺夫指数的前后向特征组合，实现了对真实航道的精准规划及隐蔽涡旋滞留区的有效规避，显著提升了浮空器长航时任务的可靠性与安全性。