一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法技术

本发明专利技术提供一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法，包括如下步骤：依据空中风险和地面风险建立无人机管控区模型，无人机管控区域为空中风险核心区、空中风险缓冲区、地面风险核心区、地面风险缓冲区的并集；划设机场周边无人机管控区垂直方向边界；划设空中风险核心区；划设地面风险核心区；基于已划设的地面风险核心区水平边界和已划设的空中风险核心区水平边界，计算缓冲区水平延伸距离，分别获得地面风险缓冲区水平边界和空中风险缓冲区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险缓冲区和空中风险缓冲区。本发明专利技术的划设方法综合考虑空中风险和地面风险，以无人机为对象建立无人机管控区划设模型，并结合每条跑道进离场程序特点建立两套航迹横向分布模型，实现了无人机管控区域的精准划设，对于机场平衡安全、高效、经济的各项原则具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法
本专利技术涉及空中交通管制
，尤其涉及无人机空中运行管理。
技术介绍
近年来，无人驾驶航空器(UA)在公共和商业领域的应用迅速发展，尤其是在500英尺以下的超低空(VLL)空域。一些典型的例子包括航空摄影、包裹递送、监视、农业、灾害管理等，为城市空中交通(UAM)带来了新的模式，拓宽了常规空域的利用范围。然而，随着无人机在机场附近活动的增加，机场的安全管理也将面临更严峻的挑战。为了防止无人机在机场周围运行带来的多重风险，特别是无人机与航班之间的碰撞，地理围栏开始被广泛用于定义无人驾驶航空器UA不应侵入的地理点周围的保护边界。虽然建立地理围栏是保障飞行安全的必要措施，但应尽量避免由于保护范围不必要而造成的无人机产业发展过度受限、物力财力浪费的局面。这一观点也得到了国际民航组织(ICAO)的支持，该组织建议在无人机交通管理(UTM)中应考虑到安全、效率和经济性。参照上述原则，在保证安全的前提下，如何优化划设格栅，充分实现效率和经济性将是关键问题。此外，还应进行必要的数据驱动和定量风险分析，以帮助找到平衡点。目前专门针对无人机的机场周边管控区域划设的法规还处于缺失状态，亟需一套聚焦更为精确的航空器飞行误差分布，基于风险评估的机场周边无人机管控区域划设方法，为相关法规的制定提供技术支持，在既保障民航航班安全起降的同时，尽可能缩小机场周边无人机管控区域范围，为机场周边运行的无人机提供更多可飞区域，从而进一步促进无人机产业的发展。如申请人前续研究提出专利申请号为201911306980.7，专利技术名称为《一种基于碰撞风险的机场无人机管控区域划设方法》，该专利管控区的划设以空中风险为主，缺少对地面风险的考虑，针对不同机场管控区划设体系复杂，对进离场航迹划设精度不够，不满足现有机场更准确更简化的管理要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了克服限于技术中的问题，提供一种基于风险评估的机场周边飞行区域划设无人机管控区域的方法，该方法综合考虑空中风险和地面风险，以无人机为对象的，以每条跑道进离场程序特点为出发点，基于风险评估在机场周边飞行区域分类划设的方法，为无人机能够飞起来、实现无人机各项功能奠定基础，为实现对无人机的精细化运行管理提供技术支持。一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法，其特征在于，包括如下步骤：以无人机飞行性能、无人机探测和反制时间、机场周边的障碍物信息、航班尾流影响为依据，建立无人机管控区模型，无人机管控区域为空中风险核心区、空中风险缓冲区、地面风险模型核心区、地面风险模型缓冲区的并集；根据无人机的飞行性能、无人机探测和反制时间和机场周边的障碍物信息，划设机场周边无人机管控区垂直方向边界；根据空中风险划设空中风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得空中风险核心区；根据地面风险划设地面风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险核心区；基于已划设的地面风险核心区水平边界和已划设的空中风险核心区水平边界，计算缓冲区水平延伸距离，分别获得地面风险缓冲区水平边界和空中风险缓冲区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险缓冲区和空中风险缓冲区。进一步的，所述无人机管控区垂直方向边界包括上边界和下边界，所述下边界延伸至地面，所述上边界为高度为HO的平面，其中，vc表示无人机的最大爬升速度，TD表示从无人机超过管控区上边界到被反制成功的时间，g是重力加速度常数，HL为限制高度。进一步的，所述根据空中风险划设空中风险核心区水平边界包括如下步骤：利用航班实际运行数据，将航迹点进行分类，得到子类航迹点集；对每一子类航迹点集进行回归处理，建立直线或曲线模型，并依据每一子类的航迹点集获得相应的子类航迹；对每一子类航迹，建立侧向分布模型，计算飞行航迹的侧向分布；结合飞行航迹侧向分布，根据碰撞风险安全等级的限定条件要求，获得子类飞行航迹对应的子空中风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界得到子类飞行航迹对应的子空中风险核心区；将各子类飞行航迹对应的子空中风险核心区求并集，获得空中风险核心区。进一步的，所述将飞行航迹进行分类获得子类飞行航迹包括如下步骤：先将飞行航迹点划分为离场航迹点和进场航迹点；再将进场航迹点或离场航迹点按照所属的跑道进行分类，获得子类飞行航迹点集。进一步的，所述飞行航迹分布模型包括离场航迹分布模型和进场航迹分布模型；所述进场航迹分布模型为直线模型；所述离场航迹分布模型为曲线模型。进一步的，所述进场航迹的分布模型为：进场航迹曲线L(s)＝(x(s)，y(s))，包括斜率k＝tanθ的直线轨迹点pi相对应的弧长参数s(pi)的数学表达式为：s(pi)＝x(pi)cosθ+sinθ(y(pi)-y0)轨迹点pi相对应的横向偏差ε(pi)数学表达式为：ε(pi)＝sinθx(pi)-cosθ(y(pi)-y0)进一步的，离场航迹的分布模型为：离场航迹曲线L(s)＝(x(s)，y(s))，包括长度为l0的直线C1、以O1为圆心半径为r1圆心角为α1的圆弧C2、以O2为圆心半径位r2圆心角位α2的圆弧C3、斜率k＝tan(α1-α2)的直线C4；L(s)＝(x(s)，y(s))的数学表达式为：其中：l0＝x0，l1＝x0+r1α1，l2＝x0+r1α1+r2α2x2＝x0+r1sinα1+r2(sinα1-sin(α1-α2))y2＝y0+r1(1-cosα1)-r2(cosα1-cos(α1-α2))根据获得的离场航迹曲线L(s)，轨迹点pi相对应的弧长参数s(pi)与航迹侧向分布ε(pi)表示为：离场航迹分布的离散概率密度函数fε(z)表示为：函数erfc(x)称为x的误差函数，定义为：用极大似然估计法在概率密度函数中估计参数σ和λ的值，获得离场航迹曲线侧向分布。进一步的，所述划设空中风险模型缓冲区水平边界距离Da不应小于尾流的横向位移Dw和无人机最大水平飞行距离Dm，即：进一步的，所述尾流的横向位移Dw可计算为：其中，B0是初始涡流，B0＝πB/4，wv是侧风速度，Tw是尾流的维持时间，以及δ是不受侧风影响的尾流横向速度。进一步的，无人机最大水平飞行距离Dm可计算为：其中，vh表示入侵无人机的最大水平速度，TD表示从无人机超过最大飞行高度MOH到被反制成功的时间，g是重力加速度常数，HL为限制高度。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术在划设由核心区和缓冲区组成的管控区域时，综合考虑了无人机造成的空中风险和地面风险，建立了空中风险模型和地面风险模型，根据空中风险模型划设核心区和缓冲区，根据地面风险模型划设核心区和缓冲区，率先设计出一套更加精细的无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法，其特征在于，包括如下步骤：/n依据空中风险和地面风险建立机场周边无人机管控区模型，无人机管控区域为空中风险核心区、空中风险缓冲区、地面风险核心区、地面风险缓冲区的并集；/n根据无人机的运行性能、无人机探测和反制时间和机场周边的障碍物信息，划设机场周边无人机管控区垂直方向边界；/n根据空中风险划设空中风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得空中风险核心区；根据地面风险划设地面风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险核心区；/n基于已划设的地面风险核心区水平边界和已划设的空中风险核心区水平边界，计算缓冲区水平延伸距离，分别获得地面风险缓冲区水平边界和空中风险缓冲区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险缓冲区和空中风险缓冲区。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于风险评估的机场无人机管控区域划设方法，其特征在于，包括如下步骤：
依据空中风险和地面风险建立机场周边无人机管控区模型，无人机管控区域为空中风险核心区、空中风险缓冲区、地面风险核心区、地面风险缓冲区的并集；
根据无人机的运行性能、无人机探测和反制时间和机场周边的障碍物信息，划设机场周边无人机管控区垂直方向边界；
根据空中风险划设空中风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得空中风险核心区；根据地面风险划设地面风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险核心区；
基于已划设的地面风险核心区水平边界和已划设的空中风险核心区水平边界，计算缓冲区水平延伸距离，分别获得地面风险缓冲区水平边界和空中风险缓冲区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界获得地面风险缓冲区和空中风险缓冲区。


2.如权利要求1所述的划设方法，其特征在于，所述无人机管控区垂直方向边界包括上边界和下边界，所述下边界延伸至地面，所述上边界为高度为HO的平面，



其中，vc表示无人机的最大爬升速度，TD表示从无人机超过管控区上边界到被反制成功的时间，g是重力加速度常数，HL为限制高度。


3.如权利要求1或2所述的划设方法，其特征在于，所述根据空中风险划设空中风险核心区水平边界包括如下步骤：
利用航班实际运行数据，将航迹点进行分类，得到子类航迹点集；
对每一子类航迹点集进行回归处理，建立直线或曲线模型，并依据每一子类的航迹点集获得相应的子类航迹；
对每一子类航迹，建立侧向分布模型，计算飞行航迹的侧向分布；
结合飞行航迹侧向分布，根据碰撞风险安全等级的限定条件要求，获得子类飞行航迹对应的子空中风险核心区水平边界，结合无人机管控区垂直方向边界得到子类飞行航迹对应的子空中风险核心区；
将各子类飞行航迹对应的子空中风险核心区求并集，获得空中风险核心区。


4.如权利要求3所述的划设方法，其特征在于，所述将飞行航迹进行分类获得子类飞行航迹包括如下步骤：
先将飞行航迹点划分为离场航迹点和进场航迹点；
再将进场航迹点或离场航迹点按照所属的跑道进行分类，获得子类飞行航迹点集。


5.如权利要求3或4所述的划设方法，其特征在于，所述飞行航迹侧向分布模型包括离场航迹侧向分布模型和进场航迹侧向分布模型；所述进场航迹侧向分布模型为高斯分布模型；所述离场航迹侧向分布模型为复合分布模型。

【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，邹翔，谢方泉，吴卿刚，
申请(专利权)人：中国民用航空总局第二研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51