一种低空融合空域飞行流量监测方法及系统与流程

1.本发明属于航空技术领域，具体涉及一种低空融合空域飞行流量监测方法及系统。


背景技术：

2.低空空域原则上是指真高(离地高度)1000m(含)以下空域。低空空域是一种重要的自然资源，其中蕴含着巨大的经济价值，对低空空域进行合理地开发、利用和管理是世界各国进入航空强国的重要途径。伴随着民用无人机日益广泛的应用，飞行活动日益频繁，融合空域的概念应运而生，即无人机与其它有人驾驶航空器同时运行的空域。低空融合飞行具有混合性、随机性、自主性的特点。
3.当前针对低空融合空域内无人机及其他航空器的运行规范和管理方式还不够成熟，缺乏有效的手段对低空融合空域飞行流量进行监测，不利于飞行流量管理控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种低空融合空域飞行流量监测方法及系统，能够准确获取融合空域内各类航空器的精准定位，有助于低空融合空域飞行流量精准监测。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供一种低空融合空域飞行流量监测方法，所述方法包括：
7.获取各航空器的5g实时定位信号及gps实时定位信号；
8.采用联邦卡尔曼算法通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理、通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并对同一航空器的5g实时定位信号及gps实时定位信号进行权重分配，获取融合后的航空器定位信号；
9.根据各航空器定位信号统计监测时间段内指定监测空域的飞行流量。
10.结合第一方面，进一步的，所述方法还包括：将监测空域按照高度划分为多个细分空域，通过统计各细分空域的飞行流量获取监测空域的飞行流量。
11.结合第一方面，进一步的，所述监测空域为从所述低空融合空域预划设的圆柱体空域，所述圆柱体空域的高度为1000m。
12.结合第一方面，进一步的，统计监测空域的飞行流量的方法包括：
13.根据航空器定位信号计算航空器距离同高度圆柱体空域切面圆圆心的距离d，若d大于圆柱体空域切面圆的半径r，则表明该航空器不在监测空域内，不计入飞行流量；否则，表明航空器位于监测空域内，计入飞行流量。
14.结合第一方面，进一步的，所述细分空域的飞行流量采用下述公式计算获取：
15.16.式中：qj表示第j个细分空域的飞行流量，qj表示第j个细分空域初始时刻的航空器数量；xi表示ti时刻飞入第j个细分空域的航空器数量；yi表示ti时刻飞出第j个细分空域内的航空器数量；ti表示监测周期t中第i个时间段；n表示监测周期t被划分的时间段总数量。
17.结合第一方面，进一步的，所述权重分配的方法包括：
18.若航空器所处环境空旷且没有障碍物遮挡(可利用卫星数》＝6)，则5g实时定位信号、gps实时定位信号权重均分配为0.5；
19.若航空器所处环境有部分障碍物遮挡(3《＝可利用卫星数《6)，则使5g实时定位信号权重α1∈(0.5,0.9)，gps实时定位信号权重α2∈(0.1,0.5)；
20.若航空器所处环境完全被障碍物遮挡(可利用卫星数《3)，则使5g实时定位信号权重α1＝1，gps实时定位信号权重α2＝0。
21.结合第一方面，进一步的，通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理之前、以及通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理之前，采用残差校验的方式分别对5g局部滤波器、gps局部滤波器进行故障检测。
22.结合第一方面，进一步的，所述航空器定位信号通过下述算法融合获取：
[0023][0024]
最优解再次反馈至局部滤波器为：
[0025][0026]
式中：αi表示5g和gps实时定位信号权重，mi为第i个局部滤波器所获取的协方差矩阵，mg表示协方差矩阵最优值，ni为第i个局部滤波器所获取的噪声协方差矩阵，ng表示噪声协方差矩阵最优值，为第i个局部滤波器所获取的状态向量，为滤波器经计算所获得的状态向量最优值。
[0027]
第二方面，本发明提供了一种低空融合空域飞行流量监测系统，包括：
[0028]
5g模块：用于获取航空器的5g实时定位信号；
[0029]
gps模块：用于获取航空器的gps实时定位信号
[0030]
监测分析模块：用于采用联邦卡尔曼算法通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理，通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并对两实时定位信号进行权重分配，获取融合后的航空器定位信号；
[0031]
控制中心：用于根据航空器定位信号统计监测空域的飞行流量。
[0032]
结合第二方面，进一步的，所述监测分析模块包括：
[0033]
第一故障自检模块：用于在通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理之前采用残差校验的方式分别对5g局部滤波器进行故障检测；
[0034]
第二故障自检模块：用于在通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理之前对gps局部滤波器进行故障检测；
[0035]
主滤波器：用于在5g局部滤波器和/或gps局部滤波器发生故障时，采用联邦卡尔曼算法对5g实时定位信号及gps实时定位信号进行权重分配，并融合获取航空器定位信号的最优解。
[0036]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0037]
采用联邦卡尔曼算法通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理、通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并对同一航空器的5g实时定位信号及gps实时定位信号进行权重分配，获取融合后的航空器定位信号，能够获取高精度的航空器定位信息，确保飞行流量监测的准确度；
[0038]
根据低空融合空域非结构化的空域特点和无固定航路、航线的特点，将低空融合空域飞行流量的监测转化为某一时刻预设监测空域内的航空器数量，通过判断连续时刻航空器进出空域的情况，统计一个时间周期内监测空域里的航空器数量作为低空融合空域的飞行流量，计算简便、实用性好，能够满足低空融合空域实时飞行流量监测的需求和要求，为空中交通流量管理决策制定提供依据，缓解空中交通拥堵，降低航空器碰撞风险，保障飞行安全。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测方法的原理图；
[0041]
图2是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测方法的流程图；
[0042]
图3是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测系统的5g与gps融合定位流程图；
[0043]
图4是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测系统的结构图；
[0044]
图5是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测系统的5g与gps融合定位算法的原理框图。
具体实施方式
[0045]
本发明的目的是提供一种低空融合空域飞行流量监测方法及系统，充分考虑了低空融合空域的空域结构特点，通过监测系统获取航空器精准定位，实现了实时飞行流量数据的统计，实用性好，能够满足低空融合空域飞行流量监测的需求和要求，精准统计监测空域的实时飞行流量，从而达到监测空域内的飞行情况，掌握空域态势的目的。
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
[0047]
实施例一：
[0048]
本发明实施例提供一种低空融合空域飞行流量监测方法，在执行本方法前，首先对低空融合空域进行监测空域划设，定义监测空域为0-1000m高度范围内的圆柱体空域，按照高度对圆柱体空域进行划分，获取多个细分空域；如图1所示，以圆柱体空域底面圆圆心为坐标原点，水平方向为x轴，圆柱体中心线为y轴建立坐标系，假设航空器距离同高度圆柱体空域切面圆圆心的距离为d，若d大于圆柱体空域切面圆的半径r，则表明该航空器不在监测空域内；否则，表明航空器位于监测空域内。即，本发明实施例提供的监测方法将低空融合空域飞行流量的监测转化为某一时刻预设监测空域内的航空器数量，通过判断连续时刻航空器进出空域的情况，统计一个时间周期内监测空域里的航空器数量作为低空融合空域的飞行流量，计算简便、实用性好，能够满足低空融合空域实时飞行流量监测的需求和要求。
[0049]
如图2所示，是本发明实施例提供的低空融合空域飞行流量监测方法的流程图，包括如下步骤：
[0050]
步骤一：通过5g模块获取各航空器的5g实时定位信号，通过gps模块获取各航空器的gps实时定位信号；
[0051]
所述5g模块其定位原理是利用高频率、毫米级的波通信，多带宽收发以及直线传播，实现高精度测角与测距。5g定位主要包括基于到达角度、到达时间、到达时差、信号接收强度等定位方法，为了获得更高的定位精度，可以采用基于到达时差与基于到达角度相结合的融合流量定位方法。所述gps模块其定位原理是利用gps接收器，对人造卫星所发射的伪信号进行相应的解码，并计算出航空器所在相对位置，获取定点定位信息需要4颗卫星进行共同定位。gps模块定位主要分为差分定位和单点定位。
[0052]
步骤二：使用联邦卡尔曼算法，对5g实时定位信号和gps实时定位信号进行融合，具体包括以下几个步骤：
[0053]
s201：对5g模块与gps模块进行故障检测，确保精准定位及非设备原因导致的数据融合错误，在此步骤中可以采用残差校验的方式来进行故障检测，公式为∈＝r-r(m-1)，其中∈表示为残差，r表示为实际测量值，r(m-1)表示为实际观测值；当∈高于设定值，系统则认为滤波器将发生故障，会停止将数据发送至主滤波器；
[0054]
s202：采用5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理，采用gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并根据相关信息对5g实时定位信号、gps实时定位信号进行权重分配；5g局部滤波器、gps局部滤波器对信号进行处理的目的是获取准确定位坐标；
[0055]
对于信号权重分配，假设5g实时定位信号权重为α1，gps实时定位信号权重为α2，满足α1 α2＝1；如图3所示，权重分配可使用如下方式：
[0056]
若航空器所处环境空旷且没有障碍物遮挡(可利用卫星数》＝6)，则5g实时定位信号、gps实时定位信号权重均分配为0.5；
[0057]
若航空器所处环境有部分障碍物遮挡(3《＝可利用卫星数《6)，则使5g实时定位信号权重α1∈(0.5,0.9)，gps实时定位信号权重α2∈(0.1,0.5)；
[0058]
若航空器所处环境完全被障碍物遮挡(可利用卫星数《3)，则使5g实时定位信号权重α1＝1，gps实时定位信号权重α2＝0。
[0059]
s203：处理完成之后将5g实时定位信号、gps实时定位信号进行融合，并输出航空
器最优坐标解，具体融合算法如下：
[0060][0061]
最优解再次反馈至局部滤波器为：
[0062][0063]
式中：αi表示5g和gps实时定位信号权重，mi为第i个局部滤波器所获取的协方差矩阵，mg表示协方差矩阵最优值，ni为第i个局部滤波器所获取的噪声协方差矩阵，ng表示噪声协方差矩阵最优值，为第i个局部滤波器所获取的状态向量，为滤波器经计算所获得的状态向量最优值。
[0064]
步骤三：根据航空器定位信息，记航空器坐标fi＝{m,h}，航空器所在高度与圆柱体切面圆的圆心坐标为c＝{0,h}，根据航空器高度确定航空器属于空域高度层；
[0065]
连续计算t1,t2,...,tn时刻航空器与切面圆圆心c的距离d＝|m|，通过连续时刻d与r的大小关系变化，判断航空器与监测空域的位置关系。如：t1时刻，d＞r，航空器在监测空域外；t2时刻，d≤r，航空器飞入监测空域内。
[0066]
具体地，可以采用下述公式计算各细分空域飞行流量：
[0067][0068]
式中：qj表示第j个细分空域的飞行流量，qj表示第j个细分空域初始时刻的航空器数量；xi表示ti时刻飞入第j个细分空域的航空器数量；yi表示ti时刻飞出第j个细分空域内的航空器数量；ti表示监测周期t中第i个时间段；n表示监测周期t被划分的时间段总数量。通过比较连续时刻d与r的大小变化判定航空器是飞入监测空域、停留在监测空域或是飞出监测空域，从t1时刻连续计算至tn时刻，得出tn时刻每一细分空域内的航空器数量；
[0069]
假设细分空域为3个，则采用公式即可计算出t时间段内圆柱体低空融合空域的飞行流量q，即三个细分空域航空器数量之和。
[0070]
采用联邦卡尔曼算法通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理、通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并对同一航空器的5g实时定位信号及gps实时定位信号进行权重分配，获取融合后的航空器定位信号，能够获取高精度的航空器定位信息，确保飞行流量监测的准确度；
[0071]
根据低空融合空域非结构化的空域特点和无固定航路、航线的特点，将低空融合空域飞行流量的监测转化为某一时刻预设监测空域内的航空器数量，通过判断连续时刻航
空器进出空域的情况，统计一个时间周期内监测空域里的航空器数量作为低空融合空域的飞行流量，计算简便、实用性好，能够满足低空融合空域实时飞行流量监测的需求和要求，为空中交通流量管理决策制定提供依据，缓解空中交通拥堵，降低航空器碰撞风险，保障飞行安全。
[0072]
实施例二：
[0073]
如图4所示，是本发明实施例提供的一种低空融合空域飞行流量监测系统，可以用于实现实施例一所述的方法步骤，该监测系统包括：
[0074]
5g模块：用于获取航空器的5g实时定位信号；
[0075]
gps模块：用于获取航空器的gps实时定位信号
[0076]
监测分析模块：用于采用联邦卡尔曼算法通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理，通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理，并对两实时定位信号进行权重分配，获取融合后的航空器定位信号；
[0077]
控制中心：用于根据航空器定位信号统计监测空域的飞行流量。
[0078]
如图5所示，其中，所述监测分析模块包括：
[0079]
第一故障自检模块：用于在通过5g局部滤波器对5g实时定位信号进行处理之前采用残差校验的方式分别对5g局部滤波器进行故障检测；
[0080]
第二故障自检模块：用于在通过gps局部滤波器对gps实时定位信号进行处理之前对gps局部滤波器进行故障检测；
[0081]
主滤波器：用于在5g局部滤波器和/或gps局部滤波器发生故障时，采用联邦卡尔曼算法对5g实时定位信号及gps实时定位信号进行权重分配，并融合获取航空器定位信号的最优解。
[0082]
本领域内的技术人员应明白，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0083]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0084]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0085]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0086]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。