一种空中目标短期冲突检测方法与流程

1.本发明属于空中交通管制技术领域，更具体地，涉及一种空中目标短期冲突检测方法。


背景技术：

2.空中交通管制技术主要包括雷达管制与程序管制两大类。管制员通过这两种管制方式来保障航空飞行器的安全飞行。为了保证空中目标的飞行安全、防止空中目标相撞，飞行管制部门设置了空中目标短期冲突告警机制。
3.现有的空中交通管制系统，针对空中目标短期冲突的判别和告警方法主要围绕判断空中目标的空间间距为出发点，主要处理的方法是判断空中目标的任意航迹对是否符合最小水平间隔标准和最小垂直间隔标准，依此标准进行预/告警处理。
4.然后，现有技术中的短期冲突告警方法中需要对管制系统探测到的所有空中目标进行两两组合配对，对每个配对的航迹对都进行航迹对的短期冲突判断，运算效率低，从而降低了冲突告警判断的效率。
5.因此，需要开发一种新型的高效率空中目标短期冲突检测方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种空中目标短期冲突检测的方法，根据不同运行空域类型，设置不同运行空域的防相撞间隔，以垂直间隔划分高度层，每一个高度层中，再以水平间隔栅格化空域，再根据航空器实时位置、飞行方向等状态信息，进行航空器短期冲突的决策判断，确保航空器能够在不同空域实现防相撞。本发明优化冲突检测航迹对的选取，能提高冲突检测效率，能解决航空器相撞虚警问题，能提升航空器安全运行水平，还能加大空域容量。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种空中目标短期冲突检测方法，将整个飞行过程的空域按照水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数进行栅格化，获得多个空域栅格，在全飞行空域内建立空间三维坐标，根据空间三维坐标标记每个空域栅格，
8.若计算出两个空中目标处于同一个空域栅格中，则直接进行冲突预警，
9.若计算出两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中，则有可能发生冲突，进一步计算两个空中目标的水平距离和垂直距离，结合水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数最终判断两个空中目标是否存在冲突。
10.进一步的，其包括如下步骤：
11.s1：将整个飞行过程空域划分为由若干个航迹运行终端空域、雷达管制运行空域以及程序管制运行空域组成的全飞行空域，
12.s2：在全飞行空域内，根据雷达管制运行空域的属性和程序管制运行空域的属性，设置相应的水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数，
13.s3：根据垂直安全间隔，将任务区域分为若干个高度层，在每一个高度层，根据水
平安全间隔，将运行空域栅格化处理，在全飞行空域内建立空间三维坐标，对每个空域栅格的空间位置进行编号，
14.s4：根据目标的飞行位置信息，计算出目标所处的空域栅格的编号，
15.s5：若计算出两个空中目标处于同一个空域栅格中，则由于不符合垂直安全间隔，进行冲突预警或告警，
16.若是两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中，则有可能发生冲突，进一步计算两个空中目标的水平距离和垂直距离，结合水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数最终判断两个空中目标是否存在冲突。
17.进一步的，步骤s1具体为，依据空中管制规则，将飞行过程全区域分为运行终端空域、雷达管制区域和程序管制区域，利用空域边界线将全飞行空域a进行划分如下：
18.a＝{a1,a2,
…
,ai}
19.其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数。
20.进一步的，步骤s2具体为，根据划分好的全飞行空域a，设置相应的水平安全间隔参数hi和垂直安全间隔参数ki，获得具有水平安全间隔和垂直安全间隔的全飞行空域r：
21.r＝{(a1,h1,k1),(a2,h2,k2),
…
,(ai,hi,ki)}
22.其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数，hi代表ai空域的水平安全间隔，ki代表ai空域的垂直安全间隔。
23.进一步的，步骤s3获得多个空域栅格具体为：
24.根据ai区域的垂直安全间隔，将ai空域划分为不同的高度层：
25.ai＝{a
i1
,a
i2
,,
…
,a
ij
,}
26.其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数，j表示ai空域划分的高度层数量。
27.在每一个高度层内，根据ai空域的水平安全间隔，将a
ij
区域栅格化为：
[0028][0029]
其中，参数m表示将ai空域沿着正北方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数；参数n表示将ai空域沿着正东方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数。
[0030]
至此，空域栅格的划分完成，获得多个空域栅格。
[0031]
进一步的，步骤s3中，在全飞行空域内建立空间三维坐标，对每个空域栅格的空间位置进行编号具体过程为：
[0032]
在整个三维坐标中，依据从左至右，从上至下的编号规则将am×n区域编号，给出am×n区域的编号坐标p(x,y,z)，
[0033]
其中，x表示正东方向栅格序号，y表示正北方向栅格序号，z表示沿着海拔高度从下至上的序号，所述三维坐标是以空域图形左下角为原点、在全飞行区域内建立的空间三维坐标系。
[0034]
进一步的，步骤s4具体为：
[0035]
飞行过程中，根据目标经纬度、高度信息，计算出每一个目标航迹的栅格编号坐标，从而得出p(x,y,z)空域栅格中的目标为：
[0036]
p(x,y,z)＝{t1,t2,
…
,ts}
[0037]
其中，t1,t2,
…
,ts表示目标信息，s表示栅格目标总数。
[0038]
其中，空中目标t的参数信息包括经度lon、维度lat、高度height、飞行方向direction、速度speed，其为：
[0039]
t＝f(lon,lat,height,direction,speed)
[0040]
进一步的，步骤s5中，若是两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中时，具体的冲突检测过程为：
[0041]
对于两个垂直相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x,y,z
±
1)，若其中的目标之间不满足水平安全间隔hi，直接给出预告警，进一步计算空域栅格中目标的垂直距离lk，若小于垂直安全间隔ki，直接给出告警提示。
[0042]
对于两个水平相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x
±
1,y
±
1,z)，若其中的目标之间不满足垂直安全间隔ki，给出预告警提示，进一步判断两个空中目标的水平飞行方向，判断过程如下：
[0043]
若目标间飞行方向相同，在后方目标的速度大于在前方目标的速度时，有碰撞风险，给出短期冲突告警判断，反之，保持预告警提示，
[0044]
若目标间飞向方向相反，结合位置信息进一步判断，若飞行方向相反，则不告警，取消预告警提示，若相向飞行，直接告警提示
[0045]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
[0046]
有益效果：
[0047]
本发明将全飞行空域区域栅格化，对需要进行冲突告警的航迹点对进行了合理化的筛选，即根据空中目标的当前航迹点所在高度层以及水平坐标位置筛选出有可能发生冲突的航迹点对，再针对选出的航迹点对进行冲突告警判断，避免将所有空中目标的当前航迹点两两配对后，毫无区分的全都进行冲突告警判断，避免了大量重复的计算和判断过程，能大大节约告警判断过程中的运算量，提高了运算效率，从而提高了短期冲突判断的效率，同时对航迹对的飞行方向关系进行判断，更加准确的判断了冲突发生可能性。
附图说明
[0048]
图1是本发明实施例中目标短期冲突检测流程图；
[0049]
图2是本发明实施例中的一种空域栅格化流程框图；
[0050]
图3是本发明实施例中的空域高度层划分示意图；
[0051]
图4是本发明实施例中空域的水平栅格化图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
为了进一步优化现有技术的短期冲突告警方法，本技术优化了航迹对筛选的方法。也就是说，本发明实施的短期冲突告警方法并不是将所有的空中目标进行两两配对，若确定两个空中目标的当前位置不处于相邻的栅格中，则对这两个当前航迹点不进行下一步
的冲突告警判断，而直接得出不告警的认定。事实上，多数航迹对都不会相邻，而不必进行如现有技术的繁琐的冲突告警判断。过滤掉大多数航迹对，选择出小部分航迹对进行冲突告警检测，从而能提高运行效率。同时对航迹对的飞行方向关系进行判断，将告警类别分为预告警和告警，剔除虚警信息，减轻管制员的管制压力。预告警是指在未来的某一段时间有可能发生短期冲突，告警是指已经发生短期冲突。
[0054]
图1是本发明实施例中目标短期冲突检测流程图，由图可知，本发明提供了一种空中目标短期冲突检测方法，主要包括：
[0055]
(1)空域模型构建
[0056]
将整个飞行过程空域划分为由若干个航迹运行终端空域、雷达管制运行空域以及程序管制运行空域组成的全飞行空域。
[0057]
(2)告警参数设置
[0058]
在全飞行空域内，根据雷达管制运行空域的属性和程序管制运行空域的属性，设置相应的水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数。
[0059]
(3)告警区域栅格化
[0060]
根据垂直安全间隔，将任务区域分为若干个高度层。在每一个高度层，根据水平安全间隔，将运行空域栅格化处理。全飞行空域能根据三维坐标，对每个空域栅格的空间位置进行编号。
[0061]
(4)求取目标栅格编号
[0062]
飞行过程中，根据目标的飞行位置信息，计算出目标所处的栅格编号。
[0063]
(5)进行冲突检测
[0064]
若计算出两个空中目标处于同一个空间栅格中，则由于不符合垂直安全距离间隔，进行冲突预警、告警；
[0065]
若是两个空中目标位于相邻的两个空间栅格中，则有可能发生冲突，通过计算水平距离和垂直距离，来进一步确认是否存在冲突。
[0066]
图2是本发明实施例中的一种空域栅格化流程框图，图3是本发明实施例中的空域高度层划分示意图，图4是本发明实施例中空域的水平栅格化图，结合两图可知，本发明的空域栅格划分方法包括如下具体的过程：
[0067]
(1)依据管制规则不同，将飞行过程全区域主要分为运行终端空域、雷达管制区域、程序管制区域。利用空域边界线将全飞行空域a进行划分，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数。
[0068]
a＝{a1,a2,
…
,ai}
[0069]
(2)根据划分好的管制区域，设置管制间隔模型：
[0070]
r＝{(a1,h1,k1),(a2,h2,k2),
…
,(ai,hi,ki)}，i表示
·····
，
[0071]
其中hi代表ai区域的水平安全间隔，ki代表ai区域的垂直安全间隔。
[0072]
(3)根据ai区域的垂直安全间隔，将ai区域划分为不同的高度层：
[0073]ai
＝{a
i1
,a
i2
,,
…
,a
ij
,}
[0074]
其中，j表示ai空域划分的高度层数量。
[0075]
在每一个高度层内，根据ai区域的水平安全间隔，将a
ij
区域栅格化为：
[0076][0077]
其中，参数m表示将ai空域沿着正北方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数；参数n表示将ai空域沿着正东方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数。
[0078]
至此，空域栅格的划分完成。
[0079]
(4)在整个三维坐标中，依据从左至右，从上至下的编号规则将am×n区域编号，给出am×n区域的编号坐标p(x,y,z)，其中，x表示正东方向栅格序号，y表示正北方向栅格序号，z表示沿着海拔高度从下至上的序号，所述三维坐标是以空域图形左下角为原点，在全飞行区域内建立的空间三维坐标系。
[0080]
(5)飞行过程中，根据目标经纬度、高度信息，可计算出每一个目标航迹的栅格编号坐标，从而得出p(x,y,z)栅格中的目标为：
[0081]
p(x,y,z)＝{t1,t2,
…
,ts}
[0082]
其中，t1,t2,
…
,ts表示目标信息，s表示栅格目标总数。
[0083]
其中，空中目标的参数信息包括经度、维度、高度、飞行方向、速度，其为：
[0084]
t＝f(lon,lat,height,direction,speed)
[0085]
当两个空中目标位于同一栅格p(x,y,z)，则很显然同时不满足水平安全间隔hi和垂直安全间隔ki，可直接给出告警提示。
[0086]
对于两个垂直相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x,y,z
±
1)，若其中的目标之间不满足水平安全间隔hi，直接给出预告警，进一步计算空域栅格中目标的垂直距离lk，若小于垂直安全间隔ki，直接给出告警提示。
[0087]
对于两个水平相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x
±
1,y
±
1,z)，若其中的目标之间不满足垂直安全间隔ki，给出预告警提示，进一步判断两个空中目标的水平飞行方向，判断过程如下：
[0088]
以w(ti)和以w(tj)分别表示目标ti和tj之间飞行方向，当向东飞行，则方向为正，向西飞行，方向为负。
[0089]
若w(ti)和w(tj)数值符号相同，则表示飞行方向相同，在后方目标的速度大于在前方目标的速度，则有碰撞风险，给出短期冲突告警判断，反之，保持预告警提示，提示管制员需关注两架飞行器的速度变化。
[0090]
若w(ti)和w(tj)数值符号相反，则有可能相向飞行，或者飞行方向相反。需结合位置信息进一步判断，若飞行方向相反，则航空器间水平距离lh会不断增加，不存在碰撞风险，则直接得出不告警的判断，取消预告警提示。若相向飞行，则航空器间水平距离lh会不断减少，存在较大碰撞风险，给出告警提示。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，将整个飞行过程的空域按照水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数进行栅格化，获得多个空域栅格，在全飞行空域内建立空间三维坐标，根据空间三维坐标标记每个空域栅格，若计算出两个空中目标处于同一个空域栅格中，则直接进行冲突预警，若计算出两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中，则有可能发生冲突，进一步计算两个空中目标的水平距离和垂直距离，结合水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数最终判断两个空中目标是否存在冲突。2.如权利要求1所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，其包括如下步骤：s1：将整个飞行过程空域划分为由若干个航迹运行终端空域、雷达管制运行空域以及程序管制运行空域组成的全飞行空域，s2：在全飞行空域内，根据雷达管制运行空域的属性和程序管制运行空域的属性，设置相应的水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数，s3：根据垂直安全间隔，将任务区域分为若干个高度层，在每一个高度层，根据水平安全间隔，将运行空域栅格化处理，在全飞行空域内建立空间三维坐标，对每个空域栅格的空间位置进行编号，s4：根据目标的飞行位置信息，计算出目标所处的空域栅格的编号，s5：若计算出两个空中目标处于同一个空域栅格中，则由于不符合垂直安全间隔，进行冲突预警或告警，若是两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中，则有可能发生冲突，进一步计算两个空中目标的水平距离和垂直距离，结合水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数最终判断两个空中目标是否存在冲突。3.如权利要求2所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s1具体为，依据空中管制规则，将飞行过程全区域分为运行终端空域、雷达管制区域和程序管制区域，利用空域边界线将全飞行空域a进行划分如下：a＝{a1,a2,
…
,a
i
}其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数。4.如权利要求2所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s2具体为，根据划分好的全飞行空域a，设置相应的水平安全间隔参数h
i
和垂直安全间隔参数k
i
，获得具有水平安全间隔和垂直安全间隔的全飞行空域r：r＝{(a1,h1,k1),(a2,h2,k2),
…
,(a
i
,h
i
,k
i
)}其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数，h
i
代表a
i
空域的水平安全间隔，k
i
代表a
i
空域的垂直安全间隔。5.如权利要求2所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s3获得多个空域栅格具体为：根据a
i
区域的垂直安全间隔，将a
i
空域划分为不同的高度层：a
i
＝{a
i1
,a
i2
,,
…
,a
ij,
}其中，i表示全飞行空域a划分的管制区域总数，j表示a
i
空域划分的高度层数量。在每一个高度层内，根据a
i
空域的水平安全间隔，将a
ij
区域栅格化为：
其中，参数m表示将a
i
空域沿着正北方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数；参数n表示将a
i
空域沿着正东方向，以水平安全间隔为步长，栅格化的总数，至此，空域栅格的划分完成，获得多个空域栅格，类似于一个魔方。6.如权利要求2所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s3中，在全飞行空域内建立空间三维坐标，对每个空域栅格的空间位置进行编号具体过程为：在整个三维坐标中，依据从左至右，从上至下的编号规则将a
m
×
n
区域编号，给出a
m
×
n
区域的编号坐标p(x,y,z)，其中，x表示正东方向栅格序号，y表示正北方向栅格序号，z表示沿着海拔高度从下至上的序号，所述三维坐标是以空域图形左下角为原点、在全飞行区域内建立的空间三维坐标系。7.如权利要求2所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s4具体为：飞行过程中，根据目标经纬度、高度信息，计算出每一个目标航迹的栅格编号坐标，从而得出p(x,y,z)空域栅格中的目标为：p(x,y,z)＝{t1,t2,
…
,t
s
}其中，t1,t2,
…
,t
s
表示目标信息，s表示栅格目标总数，其中，空中目标t的参数信息包括经度lon、维度lat、高度height、飞行方向direction、速度speed，其为：t＝f(lon,lat,height,direction,speed)。8.如权利要求2-7任一所述的一种空中目标短期冲突检测方法，其特征在于，步骤s5中，若是两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中时，具体的冲突检测过程为：对于两个垂直相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x,y,z
±
1)，若其中的目标之间不满足水平安全间隔h
i
，直接给出预告警，进一步计算空域栅格中目标的垂直距离l
k
，若小于垂直安全间隔k
i
，直接给出告警提示，对于两个水平相邻的空域栅格p(x,y,z)和p(x
±
1,y
±
1,z)，若其中的目标之间不满足垂直安全间隔k
i
，给出预告警提示，进一步判断两个空中目标的水平飞行方向，判断过程如下：若目标间飞行方向相同，在后方目标的速度大于在前方目标的速度时，有碰撞风险，给出短期冲突告警判断，反之，保持预告警提示，若目标间飞向方向相反，结合位置信息进一步判断，若飞行方向相反，则不告警，取消预告警提示，若相向飞行，直接告警提示。

技术总结
本发明提供了一种空中目标短期冲突检测方法，属于空中交通管制技术领域，将整个飞行过程的空域按照水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数进行栅格化，获得多个空域栅格，在全飞行空域内建立空间三维坐标，根据空间三维坐标标记每个空域栅格，若计算出两个空中目标处于同一个空域栅格中，则直接进行冲突预警，若计算出两个空中目标位于相邻的两个空域栅格中，则有可能发生冲突，进一步计算两个空中目标的水平距离和垂直距离，结合水平安全间隔参数和垂直安全间隔参数最终判断两个空中目标是否存在冲突。本发明方法能大大节约告警判断过程中的运算量，提高了检测效率。提高了检测效率。提高了检测效率。


技术研发人员：刘丹 陈晓禾
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇九研究所
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/7/7