一种低空无人机飞行动态监视与空域精细化管理方法与流程

本发明属于低空交通管理，尤其涉及一种低空无人机飞行动态监视与空域精细化管理方法。

背景技术：

1、近年来，随着低空经济的爆发式增长，物流配送、城市巡检等低空无人机应用日益普及，低空空域逐渐成为高密度的交通运行空间。所谓低空空域，通常是指根据不同区域特点、地形条件及实际需要进行划设的、垂直高度在1000米至3000米以下、可供各类航空器尤其是无人驾驶航空器进行常态化飞行的有限三维空间范围。

2、然而，低空空域不仅是无人机的活动范围，也是鸟类集群飞行、候鸟季节性迁徙以及部分高空迁飞性昆虫活动的重要自然空间层。当无人机在低空密集飞行时，极易与处于该高度层的鸟群或昆虫发生交汇，从而引发“鸟击”等飞行安全事故。

3、目前的空域管理与监视系统在应对动态环境风险时存在以下技术局限：首先，现有的空域容量评估多采用静态划分与固定安全间隔，未将环境中的生物活动强度作为动态变量纳入考量，在面对突发惊鸟或候鸟迁徙时，容易导致低空空域的安全冗余度严重不足；其次，现有的防碰撞策略大多依赖单机感知进行临时规避，缺乏在宏观网格层面基于生物密度的容量预警与流量调度机制，极易引发局部空域拥挤甚至连锁碰撞；最后，部分考虑了环境风险的管理模型，主要基于预设的经验阈值进行粗放分级，难以实现环境风险与低空空域三维物理属性的精确量化映射，难以根据实际碰撞风险动态调整可用容量，从而在安全保障与空域利用率的精细化平衡上存在明显不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种低空无人机飞行动态监视与空域精细化管理方法，解决了上述问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种低空无人机飞行动态监视与空域精细化管理方法，包括：

3、实时获取目标空域网格内的无人机状态数据与非合作低空生物的运动特征数据，计算表征生物穿越威胁强度的生物活动动力学通量，以及网格的生物空间密度；

4、基于无人机的物理几何属性及系统控制响应延迟，利用生物活动动力学通量动态膨胀无人机的安全隔离距离，并利用生物空间密度及膨胀后的安全隔离距离，计算目标空域网格的有效可用体积；

5、结合有效可用体积与膨胀后的安全隔离距离，进行三维空间几何解算，获取目标空域网格的动态飞行容量；

6、以动态飞行容量为约束条件，结合当前时刻目标空域网格内的无人机实际存量与流出速率，计算网格许可汇入速率，基于网格许可汇入速率对外部无人机触发精细化干预指令，实现飞行调度的闭环管控。

7、在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

8、进一步的技术方案：无人机状态数据具体包括目标空域网格内无人机群的平均绝对速度向量；非合作低空生物的运动特征数据具体包括目标空域网格内被探测到的各生物目标的绝对速度向量，以及生物目标探测总数；目标空域网格具有固定划分的三维几何总体积。

9、进一步的技术方案：计算表征生物穿越威胁强度的生物活动动力学通量，以及网格的生物空间密度，具体包括：

10、计算各生物目标的绝对速度向量与无人机群的平均绝对速度向量之间的向量差值，获取相对运动速率分布特征；

11、基于相对运动速率分布特征及生物目标探测总数进行聚合计算，并按照三维几何总体积进行空间维度归一化，输出生物活动动力学通量；

12、计算生物目标探测总数与三维几何总体积的比值，得到生物空间密度。

13、进一步的技术方案：无人机的物理几何属性具体包括无人机沿飞行方向的迎风横截面积，以及在无生物干扰环境下的无人机基础物理制动安全距离；系统控制响应延迟具体为从监视系统发现生物目标到无人机执行避让动作的总物理响应延迟时间。

14、进一步的技术方案：动态膨胀无人机的安全隔离距离，并计算目标空域网格的有效可用体积，具体包括：

15、构建包含生物活动动力学通量、迎风横截面积以及总物理响应延迟时间的多维碰撞预期特征量；

16、建立与多维碰撞预期特征量呈正相关的放大映射规则，将放大映射规则作用于无人机基础物理制动安全距离，获取膨胀后的安全隔离距离；

17、根据生物空间密度与膨胀后的安全隔离距离的三次方包络特征，测算生物活动对空域的排斥体积占比；

18、将三维几何总体积扣除排斥体积占比对应的折损空间，并在施加非负边界约束后，输出有效可用体积。

19、进一步的技术方案：进行三维空间几何解算，获取目标空域网格的动态飞行容量，具体包括：

20、计算有效可用体积与单个无人机基于膨胀后的安全隔离距离所构建的安全隔离包络体积的倍数关系；

21、对倍数关系执行向下取整或截断操作，将获取的离散整数值作为动态飞行容量。

22、进一步的技术方案：计算网格许可汇入速率的过程中，采用空域管理系统设定的精细化调度时间步长作为指令更新周期参数。

23、进一步的技术方案：计算网格许可汇入速率，具体包括：

24、评估动态飞行容量与无人机实际存量之间的空域容量余量：

25、将空域容量余量分摊至精细化调度时间步长内，获取基础许可注入率；

26、将基础许可注入率与当前时刻目标空域网格内的流出速率进行线性叠加，输出网格许可汇入速率。

27、进一步的技术方案：基于网格许可汇入速率对外部无人机触发精细化干预指令的具体控制方式包括：

28、判断网格许可汇入速率的数值边界；

29、若网格许可汇入速率小于或等于零，判定目标空域网格处于容量饱和或高生物碰撞风险状态，向意图飞入目标空域网格的外部无人机下发拒绝进入指令；

30、若网格许可汇入速率大于零，判定目标空域网格具备接纳能力，向意图飞入目标空域网格的外部无人机下发准入指令。

31、本发明提供了一种低空无人机飞行动态监视与空域精细化管理方法，与现有技术相比具备以下有益效果：

32、1、针对现有技术采用固定安全间隔导致突发状况下安全冗余度不足的问题，本发明通过提取生物穿越威胁强度与空间密度，动态膨胀无人机的安全隔离距离并折算有效可用体积。该技术效果打破了静态划设的僵化限制，使得无人机在遭遇突发惊鸟或高密度生物群时，系统能够自适应地为其赋予更大的物理安全缓冲空间，从而降低非合作目标碰撞事故的发生概率；

33、2、针对现有技术过度依赖单机临时规避而缺乏宏观预警管控的问题，本发明在三维空间几何解算动态飞行容量的基础上，进一步推导出网格许可汇入速率。该技术效果实现了从“事后被动躲避”向“事前主动限流”的转变，系统能够提前感知网格的容量饱和趋势，并主动对外部无人机触发排队降速或绕飞分流指令，有效避免多架无人机同时涌入生物密集区引发的局部交通瘫痪；

34、3、针对现有技术依赖经验阈值粗放分级、难以兼顾安全与效率的问题，本发明将生物活动特征精确量化为三维空间的几何体积折损，并直接转化为准入或拒绝的具体控制指令。该技术效果使得空域管理不再依赖“一刀切”式的禁飞封锁，而是根据实际生物风险弹性释放或收缩空域容量，在严守安全底线的前提下，最大化地释放了低空空域的运行潜能与精细化调度能力。