一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法技术

本发明专利技术提供一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法，该方法考虑了低空空域复杂飞行场景，通过计算碰撞响应时间，建立了不同高度低空空域无人机安全飞行的容量模型，在此基础上面向多业务与异构平台无人机构建了飞行安全保护级，并以满足保护级要求为标准进行分层多源融合导航增强。本发明专利技术可有效适用于低空空域面向多业务的无人机复杂密集飞行场景，有效提高无人机运行的流量、效率和安全性。安全性。安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法


[0001]本专利技术涉及一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法，属于低空空域无人机


技术介绍

[0002]低空空域指1000米以下的飞行区域，目前正在处于分类管理和逐步有序开放过程。随着全球无人机行业快速增长，低空空域无人机应用与管控是相关领域的热点与难点。低空空域导航技术通过精确的位置实时测量，以确保低空空域飞行安全间隔，防止飞行器之间、飞行器与地面障碍物相撞。
[0003]现阶段的低空空域导航方式主要是无线电非自主导航，具有高精度、全时段的特点，基本可以保证飞机在复杂气象条件下按仪表飞行规则在正确的航路上飞行定位需求。然而，无线电导航存在两个显著弊端难以满足将来高密度低空空域管理对导航技术全场景、高可靠的需求。由于无线电抗干扰性差，电子对抗技术的快速发展使得无线电导航在军民领域存在极大的安全隐患；同时，现有方式对导航信标具有强依赖性，而在受到城市高楼、峡谷等限制时需要密集部署地基导航台，导致引入较大的难度和成本。
[0004]随着我国北斗导航系统的成功部署、低成本微惯性导航技术以及视觉导航技术的发展，利用北斗卫星导航与惯性导航、视觉SLAM相结合的方式，可实现无人机起飞、航行、下降和着陆全运行过程无缝自主导航，以支撑复杂低空空域密集飞行的监视和飞行管理需求，为低空空域无人飞行器空中交通管理提供新思路和新方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法，该方法考虑了低空空域复杂飞行场景，通过计算碰撞响应时间，建立了不同高度低空空域无人机安全飞行的容量模型，在此基础上面向多业务与异构平台无人机构建了飞行安全保护级，并以满足保护级要求为标准进行分层多源融合导航增强。本专利技术可有效适用于低空空域面向多业务的无人机复杂密集飞行场景，有效提高无人机运行的流量、效率和安全性。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法，包括以下步骤：步骤A、构建低空空域无人机复杂飞行的场景，根据空域高度范围和不同业务类型的无人机特征计算碰撞响应时间，根据碰撞响应时间对飞行空域进行聚类划分；步骤B、根据满足不同业务类型的无人机特征和步骤A中的空域聚类划分结果进一步建立无人机安全飞行的容量模型，计算不同空域范围的飞行容量；步骤C、按照步骤B中所计算的空域飞行容量和既定的虚警概率和漏警概率计算飞行三维保护级，确定不同业务类型和不同空域特征下的无人机所需导航性能；步骤D、根据步骤C所确定的无人机所需导航精度建立多级多源导航增强服务框架，包括以北斗为主的卫星导航服务、分别考虑惯性传感和视觉SLAM的多源融合自主导航
服务；步骤E、对步骤C中所确定的无人机所需导航性能进行等级划分，分别为I级、II级和III级，对应以北斗为主的卫星导航服务，北斗辅助惯性传感导航服务和以惯性传感、视觉SLAM为主的自主导航服务；步骤F、在无人机运行过程中，通过广播式自相关监视获取无人机飞行状态，并对其飞行航线的多源导航增强服务可用性与完好性进行评估，确定所需导航性能等级；步骤G、若步骤F中判断的所需导航性能在无人机飞行过程发生变化，应变换相应的多源导航增强服务方式，使其与飞行环境相适应；步骤H、在无人机飞行过程中，对步骤D所建立的多级多源导航增强服务框架进行完好性监测，当完好性超出步骤C中所建立保护级时，应调整飞行航线使得完好性满足步骤C中所建立保护级范围要求；步骤I、当步骤H中无法调整航线以使得步骤D所建立的多级多源导航增强服务框架完好性满足要求时，应终止无人机飞行。
[0007]进一步地，所述步骤A中，低空空域高度范围限制在1000米以下，所面向的业务类型包括但不限于空中物流、自动巡检、应急救援、新闻航拍等，所应用的无人机类型主要为垂直起降、多旋翼无人机。
[0008]进一步地，所述步骤B中，空域容量描述为，其中为无人机的密度，V为避免无人机碰撞的三维飞行间隔包含的体积。其计算方法为以r为半径的三维球体体积，r为同一空域内两架无人机之间的径向距离，r的计算方法为，其中、、为第一架无人机的横向、侧向和纵向长度；、、为第二架无人机的横向、侧向和纵向长度。则。无人机导航精度需要确保其飞行安全风险在要求范围内。假设导航误差满足高斯分布，其分布函数可以描述为：，其中表示误差，表示误差的标准差。
[0009]假定S
12
为两架无人机的安全间隔；，其中、和表示两架无人机在横向、侧向和纵向的距离。则两架无人机保持安全间隔的概率为：,且，其中两架无人机在获得导航增强服务后的导航误差标准
差。
[0010]进一步定义两架无人机在给定时间间隔Δt内未能保持安全间隔的概率为P
12
，且，当时间间隔，t0为时间间隔的上限，且在一定时间范围T时，由导航误差引起的飞行安全风险为：定义在给定空域范围内无人机之间保持正常间隔的概率为u1，出现严重故障的概率为u2，无人机操控者的可靠性为u3，则给定空域内无人机的总体飞行安全风险为：因此，导航误差需要满足的条件是确保对应的最小安全飞行间隔S
min
情况下，总体飞行安全风险满足运行要求。在此情况下，S
min
与任意两架无人机（第i架和第j架）之间的导航误差标准差的取值同时影响了总体飞行安全风险。
[0011]进一步地，所述步骤C中，不同业务类型和不同空域特征下的无人机所需导航性能与其在低空空域下的碰撞风险密切相关。对于400米至1000米空域飞行的无人机，其飞行的所需导航性能由RNP
‑
1确定，进一步根据RNP
‑
1（Required Navigation Performance）可以计算无人机之间的碰撞风险概率，具体方法为：在密集飞行条件下，当单一卫星导航系统无法满足所需导航精度要求时，需引入卫星导航、惯性导航和视觉SLAM的多源导航增强，此时导航误差服从混合高斯分布，可表示为：，其中为对完好性影响较大的误差出现的比例，此处假定为卫星导航系统的完好性体现。和分别表示卫星导航、惯性导航和视觉SLAM的导航误差标准差。
[0012]当飞机在RNP
‑
n模式飞行时，其置信区间需要满足：，在低空空域范围内，区域管制和进近管制遵循RNP
‑
1的方式，因此n=1，通过解算确定和；进一步地，所述步骤D中，同时考虑北斗卫星导航、惯性传感和视觉SLAM导航方法，其导航优先级需依照飞行业务和飞行空域的所需导航性能分类，其导航观测模型的设置方法如下：Y=Ax+E其中A为观测矩阵，E为观测误差矩阵，Y为观测值，由卫星导航观测值、惯性导航观测值和视觉SLAM导航观测值共同组成，由此可以得到导航状态的最小二乘解，具体表示为：，其中W是加权矩阵
进一步地，所述步骤E中，所述导航性能等级I级、II级分别对应所需的导航精度、完好性和连续性要求，具体如下：等级I：卫星导航作为主用导航系统，采用高级接收机自主完好性监测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、构建低空空域无人机复杂飞行的场景，根据空域高度范围和不同业务类型的无人机特征计算碰撞响应时间，根据碰撞响应时间对飞行空域进行聚类划分，得到空域聚类划分结果；步骤B、根据满足不同业务类型的无人机特征和步骤A中的空域聚类划分结果进一步建立无人机安全飞行的容量模型，计算不同空域范围的飞行容量；步骤C、按照步骤B中所计算的空域范围的飞行容量和既定的虚警概率和漏警概率计算飞行三维保护级，确定不同业务类型和不同空域特征下的无人机所需导航性能；步骤D、根据步骤C所确定的无人机所需导航性能建立多级多源导航增强服务框架，包括以北斗为主的卫星导航服务、分别考虑惯性传感和视觉SLAM的多源融合自主导航服务；步骤E、对步骤C中所确定的无人机所需导航性能进行等级划分，分别为I级、II级和III级，其中，I级对应以北斗为主的卫星导航服务，II级对应惯性传感导航辅助北斗卫星导航服务，III级对应以惯性传感、视觉SLAM为主的自主导航服务；步骤F、在无人机运行过程中，通过广播式自相关监视获取无人机飞行状态，并对其飞行航线的多源导航增强服务可用性与完好性进行评估，确定所需导航性能等级；步骤G、若步骤F中判断的所需导航性能在无人机飞行过程发生变化，应变换相应的多源导航增强服务方式，使其与飞行环境相适应；步骤H、在无人机飞行过程中，对步骤D所建立的多级多源导航增强服务框架进行完好性监测，当完好性超出步骤C中所建立保护级时，应调整飞行航线使得完好性满足步骤C中所建立保护级范围要求；步骤I、当步骤H中无法调整航线以使得步骤D所建立的多级多源导航增强服务框架完好性满足要求时，应终止无人机飞行。2.根据权利要求1所述的一种适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强服务方法，其特征在于：所述步骤A中，低空空域高度范围限制在1000米以下，所面向的业务类型包括：空中物流、自动巡检、应急救援、新闻航拍，所应用的无人机类型包括垂直起降、多旋翼无人机。3.根据权利要求1所述的适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强服务方法，其特征在于：所述步骤B中，无人机安全飞行的容量模型描述如下：，其中为无人机的密度，V为避免无人机碰撞的三维飞行间隔包含的体积；其计算方法为以r为半径的三维球体体积，r为同一空域内两架无人机之间的径向距离，r的计算方法为：，V
p
为无人机空域容量，其中、、为第一架无人机的横向、侧向和纵向长度；、、为第二架无人机的横向、侧向和纵向长度；则；无人机导航精度需要
确保其飞行安全风险在要求范围内；假设导航误差满足高斯分布，其分布函数描述为：，其中表示误差，表示误差的标准差；假定两架无人机之间在Δt时间间隔内其距离表示为：，其中、和表示两架无人机在横向、侧向和纵向的距离；t表示任意时刻；则两架无人机保持安全间隔的概率为：,且，其中为两架无人机在获得导航增强服务后的导航误差标准差；S
12,min
为两架无人机的安全间隔；S为两无人机之间的距离；进一步定义：，两架无人机在给定时间间隔Δt内未能保持安全间隔的概率为P
12
；当时间间隔，t0表示时间间隔的上限，且在一定时间范围T时，由导航误差引起的飞行安全风险为：定义在给定空域范围内无人机之间保持正常间隔的概率为u1，出现严重故障的概率为u2，无人机操控者的可靠性为u3，N为空域内无人机的数量，则给定空域内无人机的总体飞行安全风险为：因此，导航误差需要满足的条件是确保对应的最小安全飞行间隔S
min
情况下，总体飞行安全风险满足运行要求；在此情况下，S
min
与任意两架无人机即第i架和第j架之间的导航误差标准差的取值同时影响了总体飞行安全风险；其中，S
min
为最小安全飞行间隔。4.根据权利要求1所述的适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强服务方法，其特征在于：所述步骤C中，不同业务类型和不同空域特征下的无人机所需导航性能与其在低空空域下的碰撞风险密切相；对于400米至1000米空域飞行的无人机，其飞行导航性能由一级所需导航性能RNP
‑
1，确定，进一步根据RNP
‑
1计算无人机之间的碰撞风险概率，具体方法为：在密集飞行条件下，当单一卫星导航系统无法满足所需导航精度要求时，需引入卫星导航、惯性导航和视觉SLAM的多源导航增强，此时导航误差服从混合高斯分布，表示为：
，其中为对完好性影响最大的误差出现的比例，此处假定为卫星导航系统的完好性体现；和分别表示卫星导航、惯性导航和视觉SLAM的导航误差标准差；f
N
为标准正态分布函数；当飞机在RNP
‑
n模式飞行时，其中n表示所需导航性能的级别，其置信区间需要满足：，在低空空域范围内，区域管制和进近管制遵循RNP
‑
1的方式，因此n=1，通过解算确定和。5. 根据权利要求1所述的适用于低空空域无人机复杂飞行的多源导航增强服务方法，其特征在于：所述步骤D中，同时考虑北斗卫星导航、惯性传感和视觉SLAM导航方法，其导航优先级需依照飞行业务和飞行空域的所需导航性能分类，其导航观测模型的设置方法如下：Y=Ax+E其中A为观测矩阵，E为观测误差矩阵，Y为观测值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杨，姜荣坤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：