基于位置时-距分层的通航飞行器越界高效监视方法

摘要

本发明公开了一种综合时间和位置分层的飞行器越界高效监视方法，特别适用于基于卫星导航定位监视的飞行器禁飞区越界自动监视。所述方法包括：依据设定距离尺度，将禁飞区边界的水平坐标进行格式化处理；飞行器通过卫星导航系统获取自身位置数据，通过数据通信链路发送给地面监视中心；监视中心将飞行器位置数据按照基于时间和距离分层的方法实施格式转换和计算，若时间大于设定值，则不进行越界判定处理；反之则根据距离分层的数据结构进行依次判定。在监视中心监视大量飞行器的情况下，避免了不必要的越界监视计算，提高了飞行器越界自动监视计算的执行效率。

权利要求

1.基于位置时-距分层的通航飞行器越界监视方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选择禁飞区外一点作为原点，建立将禁飞区边界容纳于第一象限的平面直角坐标系；

(2)将禁飞区边界点的经纬度数值转换为平面直角坐标系下的数值；

(3)以预设距离为间隔，从禁飞区横坐标最小值开始直至禁飞区横坐标最大值，计算出每个间隔点横坐标所对应的纵坐标的值或者范围，将每个横坐标值及其所对应的纵坐标的值或者范围形成禁飞区边界数据进行存储；

(4)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，并按照通航飞行器的最大速度进行横坐标和纵坐标方向上的时间估值，得到通航飞行器由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小时间；并计算最小时间与所设置警戒时间的时间差值；

(5)判断时间差值是否大于0，若是，则在时间差值时间内不再进行越界监视处理；否则进入步骤(6)；

(6)将通航飞行器的平面直角坐标系下的数值与禁飞区边界数据进行对比，若在禁飞区边界数据范围内，则越界，否则未越界。

2.根据权利要求1所述的基于位置时-距分层的通航飞行器越界监视方法，其特征在于：步骤(4)具体为：(401)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，得到新的坐标值(x0,y0)；按照通航飞行器的最大速度vmax进行横坐标x和纵坐标y方向上的时间估值，式中，x1为禁飞区横坐标最小值，x2为禁飞区横坐标最大值，y1为禁飞区纵坐标最小值，y2为禁飞区纵坐标最大值；

(402)取两个时间的最大值，t＝max(tx,ty)，得到飞机由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小的时间t；

(403)计算最小的时间t与所设警戒时间T_gate的时间差值：△t＝t-T_gate，以(x0,y0,△t)的格式存储该通航飞行器的监视数据。

3.根据权利要求1所述的基于位置时-距分层的通航飞行器越界监视方法，其特征在于：步骤(6)具体为：判断通航飞行器的横坐标数值是否在禁飞区横坐标最小值和最大值范围之外，若是，则未越界；否则，判断通航飞行器的纵坐标数值是否在禁飞区横坐标数值对应下的纵坐标数值范围之内，若是，则越界，否则未越界。

说明书

基于位置时-距分层的通航飞行器越界高效监视方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空监视领域中一种基于卫星导航定位监视的通航飞行器越界监视方法，特别适用于采用卫星导航实现定位，通过数据通信链路将定位数据传送到监控中心的模式下，监控中心实时自动监视并判别千架以上数量飞行器是否闯入禁飞区。

背景技术

[0002] 依照国家低空空域管理规定，低空空域分为管制空域、监视空域和报告空域，通航飞行器不能飞入管制空域(即禁飞区)。因气流推送等原因，通航飞行器实际飞行时，会发生飞入管制空域情况(即越界)，产生安全隐患及纠纷。所以实现通航飞行器越界监视具有重要意义。目前有以下途径可实现通航飞行器越界监视：

[0003] (1)通航飞行器自主监测管理。通航飞行器将禁飞区坐标输入到本身的机载设备，实时与GPS定位位置比对。禁飞区划定存在变更情况；若禁飞区坐标不能全部存储，每次飞行任务和空域不同，存在频繁更新的可能性，故该方法具有局限性。

[0004] (2)采用地面监控中心集中管理。通航飞行器成本低，无法配备昂贵的导航定位设备。通常采用卫星导航系统(如GPS)定位，通过数据链路将定位数据发送给地面监控中心；地面监控中心监控通航飞行器的飞行轨迹。虽然从地面监控软件显示上可清楚看到通航飞行器是否越界，但需要人员24小时值守，不能实现自动监视。

[0005] 地面监控中心实现通航飞行器越界的自动监视，可将问题抽象成某点是否在多边形内的问题，如说明书附图1所示，其中点P代表通航飞行器，多边形代表禁飞区。

[0006] 目前有多种多变形点包容性检测算法。[1]Foley JD,van Dam A,Feiner SK,Hughes JF.Computer Graphics—Principles and Practice.2nd ed.,Reading:Addison-Wesley,1990.和[2]Haines E.Point in polygon strategies.In:Heckbert P,ed.Proc.of the Graphics Gems IV.New York:Academic Press,1994. 46.指出：经典的射线法(ray-crossing)是通过从被测点向某方向作一条射线,计算该射线与多边形的边的交点个数来进行判定。[3]Preparata FP,Shamos MI.Computational Geometry:An Introduction.2nd ed.,New York:Springer-Verlag,1985和[4]Hormann K,Agathos A.The point in polygon problem for arbitrary polygons.Computational Geometry:Theory and Applications,2001,20(3)指出：若有奇数个交点,则该点位于多边形内；否则位于多边形外。基于角度之和的算法通过计算被测点与多边形所有边构成的夹角角度之和进行判断。若该值为360，点在多边形内；若为0，则点在多边形外。但需要进行逐边操作,计算时间复杂度均为O(N)。[5]王学军，沈连婠，朱绍源.基于左边的点在简单多边形内的判别算法,机械工程师，2006.2，[6]吴坚，姜虹，王小椿.快速判断点是否在自交多边形内的方法.系统仿真学报.2003.15(11)，[7]陈树强,陈学工,王丽青.判定检测点是否在多边形内的新方法.微电子学与计算机.2006,23(8)，[8]王红娟.判断点在任意简单多边形内的改进算法.福建电脑.2006,9，[9]邹有建,肖龙鑫,陈鼎.判断某点是否在任意多边形内两种算法的比较.地矿测绘.2009,25(3)和[10]燕昊.一种判断点在多边形内的新方法.河南科学.2010,11均围绕射线法和角度发开展改进工作，寻找更加高效的解决方案。李静，王文成，基于网格中心点的点在多边形内的高效判定.软件学报，2012，23(9):2481-2488中基于均匀网格结构，计算并记录每个网格中心点的位置属性，使用一些点的已知位置属性信息来加快被测点的判定。[12]朱先远，周正贵.基于GPS双围栏的学校自动考勤系统.新乡学院学报,2015,9和[13]许静,张冬宁,张学军.一种判定运动目标越界的算法.无线电工程.2009,
39(11)围绕实际应用越界问题开展分析，采用的方法是经典的距离计算方法。

[0007] 现有方法的核心思想均是从直线方程求交点角度，并考虑所求点是在顶点还是在边界线上，作为特殊情形进行专门的分析。该类方法应用于大量飞行器越界监测时，存在计算量大，执行效率低问题。飞行禁区是封闭区域，且坐标是已知。结合地面监控中心处理大量飞行器越界自动监视应用需求，本发明从边界线的坐标数值角度出发，根据航空器的定位数据与设定边界的距离和时间关系，进行过滤和比较，降低监控中心的计算量，提出了基于位置时-距分层的通航飞行器越界高效监视方法。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种基于位置时-距分层的通航飞行器越界高效监视方法，解决直接使用边界判定方法执行效率低问题，可实现千架级以上通航飞行器的实时越界监视。

[0009] 本发明的目的是这样实现的：

[0010] 基于位置时-距分层的通航飞行器越界高效监视方法，包括以下步骤：

[0011] (1)选择禁飞区外一点作为原点，建立将禁飞区边界容纳于第一象限的平面直角坐标系；

[0012] (2)将禁飞区边界点的经纬度数值转换为平面直角坐标系下的数值；

[0013] (3)以预设距离为间隔，从禁飞区横坐标最小值开始直至禁飞区横坐标最大值，计算出每个间隔点横坐标所对应的纵坐标的值或者范围，将每个横坐标值及其所对应的纵坐标的值或者范围形成禁飞区边界数据进行存储；

[0014] (4)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，并按照通航飞行器的最大速度进行横坐标和纵坐标方向上的时间估值，得到通航飞行器由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小时间；并计算最小时间与所设置警戒时间的时间差值；

[0015] (5)判断时间差值是否大于0，若是，则在时间差值时间内不再进行越界监视处理；否则进入步骤(6)；

[0016] (6)将通航飞行器的平面直角坐标系下的数值与禁飞区边界数据进行对比，若在禁飞区边界数据范围内，则越界，否则未越界。

[0017] 其中，步骤(4)具体为：

[0018] (401)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，得到新的坐标值(x0,y0)；按照通航飞行器的最大速度vmax进行横坐标x和纵坐标y方向上的时间估值，

[0019]

[0020]

[0021] 式中，x1为禁飞区横坐标最小值，x2为禁飞区横坐标最大值，y1为禁飞区纵坐标最小值，y2为禁飞区纵坐标最大值；

[0022] (402)取两个时间的最大值，t＝max(tx,ty)，得到飞机由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小的时间t；

[0023] (403)计算最小的时间t与所设警戒时间T_gate的时间差值：

[0024] △t＝t-T_gate，以(x0,y0,△t)的格式存储该通航飞行器的监视数据。

[0025] 其中，步骤(6)具体为：

[0026] 判断通航飞行器的横坐标数值是否在禁飞区横坐标最小值和最大值范围之外，若是，则未越界；否则，判断通航飞行器的纵坐标数值是否在禁飞区横坐标数值对应下的纵坐标数值范围之内，若是，则越界，否则未越界。

[0027] 本发明相比背景技术具有如下优点：

[0028] 没有复杂的距离坐标计算，执行效率高。整个计算过程没有采用距离计算的平方和开方计算，都是数值比较判定，计算量小。

附图说明

[0029] 图1是本发明通航飞行器与禁飞区关系图。

[0030] 图2是本发明通航飞行器越界监视方法的原理框图。

具体实施方式

[0031] 下面，结合附图对本发明作进一步说明。

[0032] 地面监控中心实现通航飞行器越界的自动监视，可将问题抽象成某点是否在多边形内的问题，如图1所示，其中多边形代表禁飞区。

[0033] 通航飞行器越界监视方法的原理如图2所示，具体包括以下步骤：

[0034] (1)选择原点，建立将禁飞区边界容纳于第一象限的平面直角坐标系；根据给定的禁飞区边界，选禁飞区外一点(Lon0,Lat0)作为原点，建立一平面直角坐标系，使禁飞区边界上所有点都在第一象限，禁飞区边界的横坐标和纵坐标的最小值均小于200米。

[0035] (2)将禁飞区边界点的经纬度数值转换为平面直角坐标系下的数值。禁飞区边界点的经纬度数值(Lon,Lat)按照以下公式转化为建立的平面直角坐标系下的坐标，表示为(x,y)。

[0036] x＝Lon-Lon0

[0037] y＝Lat-Lat0

[0038] 在这些坐标中，存在一个横坐标最小值，记为x1，一个横坐标最大值，记为x2；一个纵坐标最小值，记为y1，以及一个纵坐标最大值，记为y2。

[0039] (3)建立禁飞区边界数据格式。从x＝x1开始，以10米精度为间隔，直至x＝x2，计算出y所对应的值或者范围。将每个x值及其所对应的y值或者范围以x,[y1min,y1max],[y2min,y2max]…的格式形成禁飞区边界数据文件进行存储。

[0040] (4)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，并按照通航飞行器的最大速度进行横坐标和纵坐标方向上的时间估值，得到通航飞行器由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小时间；并计算最小时间与所设置警戒时间的时间差值；具体包括以下步骤：

[0041] (401)地面监控中心将通航飞行器位置的经纬度数据转换到平面直角坐标系下的数值，得到新的坐标值(x0,y0)；按照通航飞行器的最大速度vmax进行横坐标x和纵坐标y方向上的时间估值，

[0042]

[0043]

[0044] 式中，x1为禁飞区横坐标最小值，x2为禁飞区横坐标最大值，y1为禁飞区纵坐标最小值，y2为禁飞区纵坐标最大值；

[0045] (402)取两个时间的最大值，t＝max(tx,ty)，得到飞机由当前时刻位置飞至禁飞区边界所需要的最小的时间t；

[0046] (403)计算最小的时间t与所设警戒时间T_gate的时间差值：

[0047] △t＝t-T_gate，以(x0,y0,△t)的格式存储该通航飞行器的监视数据。

[0048] (5)根据时间△t确定通航飞行器越界监视方式。若在步骤(4)中计算的时间△t>0，则在△t时间内，不再进行越界监视处理，进入步骤(7)；若△t<0，则进行实时监控，进入步骤(6)。

[0049] (6)根据坐标数值进行越界判定。根据通航飞行器在建立的平面直角坐标系下坐标(x0,y0)，若x0在[x1,x2]范围之外，则未越界；若在[x1,x2]范围之内，y0属于x值对应的[y1min,y1max],[y2min,y2max]之内，则越界，反之未越界。

[0050] 对于多架飞机，重复过程(4)，直至轮询处理完毕。

[0051] 本发明简要工作原理：

[0052] 建立一直角坐标系，将禁飞区置于该坐标系下的第一象限；将禁飞区边界经纬度数值转换为“横坐标、区段纵坐标”格式。通航飞行器的经纬度数值也转换为所建坐标系下的数值，将距离转换为时间属性，若大于警戒时间，则在规定的时间内不进行处理；反之则与禁飞区边界数据进行比较，判定是否发生越界。整个计算过程没有采用距离计算的平方和开方计算，都是数值比较判定，计算量小。