无人机飞行计划管理系统研究

田凤;汤新民;李博;许峰

【摘 要】Currently,no administrative procedure is in place for the use of unmanned aerial vehicles (UAVs), which poses a serious threat to aviation security.In order to ensure the safety of using UAVs,it is important to supervise the activities of UAVs through a flight plan management system.Hereby such a system is proposed in this paper.Based on the analysis of basic components,expression model and life cycle of a flight plan,this management system consists of three modules:planning processing,planning verification,and planning execution.The module of planning processing re-ports and audits flight plans of UAVs;the module of planning verification verifies the performance of flight plans via the data of airspace,geographic,and weather;the module of planning execution monitors the progress of flight plans and the flight states.A demonstration run shows that the system can effectively manage flight plans of UAVs,simulate corre-sponding flying tracks and execute real-time monitoring.%当前无人机用户不办理任何飞行审批手续，对航空安全造成严重威胁，必须加强管控。为确保无人机飞行安全，需注重其飞行动态控制，通过飞行计划监督无人机飞行活动，由此提出一种无人机飞行计划管理系统。系统在分析无人机飞行计划基本元素、表达模型及其生命周期的基础上，设计了管理飞行计划的三大模块，即计划处理模块、计划验证模块和计划执行模块。其中，计划处理模块实现申报和校验飞行计划；计划验证模块通过加载空域数据、地理高程数据、GRIB 气象数据验证飞行计划的可执行性；计划执行模块监视飞行计划执行进度，管理飞

行计划执行状态的变更。系统运行验证表明，可有效管理无人机飞行计划，并可在仿真平台实现由无人机飞行计划生成初始模拟航迹的及时运行和监管。 【期刊名称】《交通信息与安全》 【年(卷),期】2016(034)004 【总页数】8页(P104-111)

【关键词】无人机;飞行计划;飞行计划管理系统;进度监视 【作 者】田凤;汤新民;李博;许峰

【作者单位】南京航空航天大学民航学院 南京 210016;南京航空航天大学民航学院 南京 210016;南京航空航天大学民航学院 南京 210016;南京航空航天大学民航学院 南京 210016 【正文语种】中 文 【中图分类】V355;TP315

无人机在民用、军事、通用航空领域的潜在作用越来越被重视。随着自主控制技术、环境感知技术的发展及研制成本的不断降低，无人机的应用逐步渗透到各个领域。其迅猛发展和广泛应用给无人机飞行计划管理提出了更高的要求，如何管理无人机飞行计划成为国内外学者的研究热点之一[1-2]。飞行计划是根据无人机性能、运行限制、计划航路等，为安全组织及实施飞行而制定的飞行数据文件[3-4]。Luca Damilano等[5]通过对飞行任务剖析、建模，阐述了可飞航迹的规划并提出了类似民航的飞行计划。Marco Boccalatte[6]等研究了无人机的特性与无人机飞行计划结合建模的过程，提出不同飞行任务对应不同飞行计划。钱向农等[7]分析了飞行计划组成结构，设计与实现了飞行计划规划过程。

为实现对无人机飞行计划和飞行活动的有效监管，无人机监管系统进入无人机产业[8-9]。美国投入大量的人力和物力进行无人机管理系统的研究[10]，NASA开展了无人机交通管理系统(UAS Traffic Management，UTM)的研究[11]，UTM是基于云端的系统，为无人机提供飞行信息。中国AOPA运营的U-Cloud系统紧密结合中国民航最新政策，实现了飞行计划快速报批，数据实时上报等功能。青岛云世纪运营的U-Care系统在无人机使用方和安全监管方之间搭建了一座桥梁。 国内无人机监管系统在技术上取得了进步，但目前仍不够完善[12]，U-Cloud和U-Care只提供区域作业的飞行计划申报，并缺少对飞行计划进行有效的验证和审核。本文所述的管理系统，根据不同飞行任务设计了不同的申报途径，并实现了飞行计划的可飞性验证及执行管理。

《中华人民共和国飞行基本规则》中第三十五条明确规定，“所有飞行必须预先提出申请，经批准后方可实施”。国家民航局飞标司于2015年12月29日颁布了《轻小无人机运行规定(试行)》，该规定首次提出了“无人机云系统”的概念，并明确要求除I类外的无人机应当接入无人机云系统，用户可以通过接入无人机云系统进行飞行计划申报[13]。因此，飞行计划是保证空中交通工作有条不紊、维护飞行秩序的重要条件之一。

无人机飞行计划依据不同任务而定，本文将飞行任务分为两大类，航线运行和区域作业，按照不同飞行任务进行飞行计划的申报，是保证飞行安全的第一步[14-15]。无人机飞行计划的基本元素主要包括三部分，首先是运营人基本信息，有无人机飞行单位(个人)名称、操控员姓名、代号(呼号)、通信方式。其次是无人机基本信息，包括无人机机型、编号、识别标识、制造商等。最后是飞行计划基本元素，主要包括投放和回收点坐标，飞行任务类型、执飞日期、运行时间、飞行气象条件等。无人机飞行计划表达模型见图1。

飞行计划的生命周期包括申报阶段、验证阶段、执行阶段。飞行计划在无人机飞行

计划管理系统中承担着重要角色，飞行计划在各生命周期的作用：

申报阶段，用户通过无人机客户端提交飞行计划，完成飞行计划的申报。管理员依据系统中无人机信息及飞行计划格式内容要求，对提交的计划进行校验。在此基础上，依据无人机的飞行任务及内容，结合无人机性能、飞行环境、气象约束按需生成静态初始航迹，为验证飞行计划可行性提供数据。

验证阶段，通过加载气象GRIB气象数据、空域(禁飞区、危险区、限制区和民航净空区及临时隔离空域)数据和地理高程数据验证计划的可行性。

执行阶段，系统实时接收的无人机飞行信号，与系统数据库中的飞行计划进行匹配，根据匹配结果，系统自动变更飞行计划状态。

本系统主要包括3个功能模块，即飞行计划处理模块、飞行计划验证模块以及飞行计划执行模块。其中，处理模块主要实现运营人对飞行计划的申报和管理员对飞行计划的校验。验证模块通过加载气象格点数据、三区空域数据、地理高程数据验证飞行计划的可行性。执行模块实现执行飞行计划动态的实时管理。具体功能设计图见图2。

本系统主要由以下两部分构成。

1)无人机客户端。为运营人提供飞行计划申报界面，查询反馈的无人机飞行任务执行进度。

2)飞行计划处理服务端。负责飞行计划的管理以及无人机静态数据、地理信息、空域信息、气象数据的存储。提供无人机飞行计划管理界面，完成飞行计划的验证，显示无人机运行动态信息，监视计划偏离、限制侵入、飞行冲突、危险天气等。 无人机客户端和飞行计划处理服务端通过XML文件的传输实现交互。

飞行计划处理模块实现飞行计划的申报和校验。其中申报模块完成飞行计划的创建、查询等；校验模块实现飞行计划的校验，校验内容包括飞行操作员资历、同一架无人机是否同时执行多个飞行计划等，见图3。

该模块实现验证飞行计划的可行性，不同任务的飞行计划采用不同验证方法。对于航线运行的飞行计划，主要验证其飞行航线上的空域环境、地理环境以及气象环境是否适合飞行。而区域作业的飞行计划，验证临时作业空域的可使用性，能否满足无人机进行绕飞作业。见图4。

其中验证空域环境即是验证飞行航迹或临时作业空域是否会穿越现存三区(危险区、限制区、禁飞区)以及民航机场净空区，算法流程见图5。

验证地理环境，即验证无人机航线运行时巡航高度与地理障碍能否保持一定的安全间隔，在区域作业时，空域内障碍物最高点的地理高程是否高于作业区的最低高度，算法流程见图6。

此模块实现飞行计划执行进度管理，即结合接收到的无人机信号，检测计划执行进度。检测计划状态变迁是通过系统实时接收到的无人机信号，与系统数据库中的飞行计划进行匹配，根据匹配结果，系统自动变更计划状态。飞行计划执行状态包括：待激活、激活、完成执行、取消执行。其中：待激活表示计划通过审批，无人机尚未起飞。激活表示无人机起飞，计划激活。完成执行表示飞行过程结束，完成飞行。取消执行表示用户取消执行计划。

1)检测计划被激活。接收端接收到无人机信号时，由此无人机识别号匹配数据库中未激活的飞行计划，匹配成功后，将计划状态更改为激活，具体流程见图8。 2)检测计划执行完成。接收对应激活计划的无人机信号，接收该信号时长与对应计划时长匹配，超过申报时长后，并在设置时间阈值内未接收到信号，则该架次无人机完成飞行任务，见图9。

3)检测计划取消执行。与数据库中计划时间匹配的时间段内，接收端一直未接收到无人机信号，则该时间段待激活的计划取消执行，见图10。

本文基于World Wind平台开发无人机飞行计划管理系统，World Wind简称WW，可以看成一个可视化地球仪，与将NASA、美国地质勘探局以及其它服务

商提供的图像通过一个三维的地球模型呈现[16]。本文应用World Wind Java版本，基于NASA World Wind的基础上加载地理高程数据、空域数据和气象格点数据，构建验证飞行计划可行性的环境，实现基于仿真平台的飞行计划验证。 数字高程模型的文件有多种[17]，其中航天雷达地形任务(shuttle radar

topography mission，SRTM)数据被广泛应用，数据组织方式为：每5°经纬度方格划分为1个文件，共分为24行(-60°～60°)和72列(-180°～180°)。SRTM的数据组织行数见图11。

由于无人机只在一定范围内执行任务，只需向系统中载入相应区域的地理高程数据。根据SRTM的数据组织方式，通过输入经纬度范围搜寻相应区域的地理高程所在的文件，步骤见图12。

所述空域是由若干经纬度点限制的平面区域及上下海拔高度界定的。在三维空间内，空域模型可描述为限定了地理边界与高度范围的空间区域，即形象化为垂直于地表的柱体[18-19]。其中，地理边界可用顺(逆)时针顺序的一组边界点表示，空域模型的结构见图13。本文中的空域数据包括限制区、危险区、禁飞区，以及民航净空区和临时隔离空域。

1) GRIB数据及其特点。二进制网格(gridded binary)数据是ICAO和WMO为航空气象服务专门提供的一种数值预报产品。该数值产品能够提供1 d内从0点开始，每隔6 h分布在非等高度分布的37个压力高度层的气象数据信息。通常所说GRIB2，GRIB2编码资料分为0～8共9个字段，各字段具体含义见表1[20]。 2) GRIB数据加载。GRIB数据是按照经纬度网格分布的格点数据。GrADS(grid analysis and display system)是一种气象数据处理和显示软件系统，可以直接读取和分析GRIB数据。具体数据处理步骤见图14。

客户端实现运营人对飞行计划的申报和查询、修改等功能。申报飞行计划主界面见图15。运营人根据系统要求输入飞行计划所包含数据元素，完成飞行计划的申报。

基于World Wind的无人机飞行计划管理系统服务端运行界面见图16。该管理服务端具备无人机飞行计划管理(审核、验证)功能，同时可以接收模拟的无人机航迹，对违反空域、电子围栏约束、地理障碍物约束、恶劣天气和飞行冲突实施告警。 其中，飞行计划验证功能是通过加载系统环境验证数据(地理高程数据、三区及净空区数据、气象格点数据)验证飞行计划的可行性，见图17。通过验证审批的计划，即可在计划申报起飞时间点启动执行，实现监视飞行状态管理，见图18。 考虑我国国家低空空域的逐步开放，无人机的飞行计划管理研究不足，笔者设计了无人机飞行计划管理系统，可为我国无人机运行管理提供有效的技术方案。文中讨论了无人机飞行计划包含元素，并以飞行计划为基础，研究设计了无人机飞行计划管理系统，实现了与传统飞行计划管理模式的不同，对无人机飞行计划的合理化管理做出了改进，对于提高我国无人机管理水平，解决无人机“黑飞”现象，促进无人机运行发展具有重要作用。在此基础上，如何针对我国无人机的特点和飞行计划受理的一般要求以及空管约束，设计更加多元化、多渠道的飞行计划受理方式，是需进一步研究的重点。

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