一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法与流程

1.本发明属于空域规划领域，具体涉及一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法。


背景技术：

2.北京大学提出的全球经纬度剖分网格geosot技术，是一种等经纬度的剖分网格，通过对地球的扩展，可以将地球表面的空间按照度分秒进行网格剖分，从而将地球表面空间划分为连续多层次且不重叠的网格。基于剖分网格，可以将复杂的三维空间运算转换为简单的编码的比较、异或、求并等，大大提高了运算效率，目前该技术已广泛应用于气象、测绘、军事等领域，效果显著。在空域规划方面，网格剖分技术可以用于解决路径空域分配、航路规划、冲突检测等，并且可与时间剖分编码、频率剖分编码结合，全方位一体化分析空域特性。
3.但是现有的空域规划或者空域时空冲突检测方法，一般按照“包围盒”的方式来描述目标所占用的空间(含安全间隔)以及选择编码层级，精度不高，并且在将空间编码与时间编码相关联方面，忽视了空间网格编码内时间网格编码的连续性。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法，包括如下步骤：
5.步骤1，根据目标大小以及运动特征等，设置空间剖分等级ls和时间剖分等级l
t
，并将整个空间和时间进行剖分；
6.步骤2，基于目标运动范围，从地理空间中划设出需要分析计算的空域a，并将空域a按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合s；
7.步骤3，分析空域a中的固定不可用的空域，并将空域按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合m0；
8.步骤4，分析空域a中的n个动态变化不可用空域，并将空域按照空间剖分等级ls，剖分形成n个空域所对应的三维空间网格集合m1、m2、
…
、mn；mn表示第n个空域所对应的三维空间网格集合；
9.步骤5，基于时间剖分等级l
t
，计算目标到达三维空间网格集合s中每个空间剖分网格的时间，并为空间网格关联时间向量v
t0
，分别计算得到m0、m1、m2、
…
、mn空间网格集合所关联的时间剖分网格集合t0、t1、t2、
…
、tn；
10.步骤6，遍历三维空间网格集合s，为集合中的每一个元素再关联一个时间向量v
t1
，由t0以及t1、t2、
…
、tn中的元素构成，每个时间向量中元素均由小到大升序排列；
11.步骤7，采用时间膨胀方法，对网格元素关联的时间向量v
t1
中的元素进行膨胀，形成新的时间向量v
t2
；
12.步骤8，按照空间网格不重合、或者空间网格重合但是时间网格不重合原则，计算
可用空域网格集合s1和不可用的空域网格集合s
′1；
13.步骤9，针对空间网格集合s1，采用空间腐蚀方法，计算安全间隔空间网格，得到实际可用空间三维网格集合s2；
14.步骤10，针对实际可用空间网格集合s2，计算网格集合对应的空间a1，即为动态目标在预设范围内的实际可用空域。
15.步骤2包括：在地理坐标系中的选择目标活动的起始坐标点ps(js，ws，hs)、结束坐标点pe(je，we，he)，形成一个长方体空间a，按照ls所对应的经度间隔δj、纬度间隔δw、高度间隔δh，从开始点ps(js，ws，hs)至结束点pe(je，we，he)，按照起始经度js至结束经度je、起始纬度ws至结束纬度we、起始高度hs至结束高度he三个维度进行遍历，解算每个离散点所对应的网格编码，形成三维空间网格集合s。
16.步骤5中，采用如下公式计算目标到达三维空间网格集合s中每个空间剖分网格的时间：
[0017][0018]
其中，f(t)表示目标到达剖分网格的时间，l表示网格到目标初始点的距离，v表示目标的运动速度；t0为整个规划开始时间；t1为开始时间，δt为持续时间。
[0019]
步骤5中，根据公式(1)，计算目标到达三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格的时间，存入时间向量v
t0
中。
[0020]
步骤6中，采用如下方法构建时间向量v
t1
：遍历三维空间网格集合s，对于三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格si，查询是否存在于三维空间网格集合mi中，0≤i≤n，如果存在，则将所对应的时间剖分网格集合ti中的时间剖分ti取出，并按照升序方法存入v
t1
中。
[0021]
步骤7中，令时间向量v
t1
中的元素集合为：
[0022]vt1
＝[t0，t1，
…
，ti，
…
，tn](2)
[0023]
公式(2)中的ti获取方法为：遍历三维空间网格集合s，对于s中的每个空间剖分网格si，查询是否存在于mi中，如果存在，则将所对应的ti中的时间剖分ti取出，并按照升序方法存入v
t1
中；
[0024]
令时间剖分层级l
t
所对应的时间尺度为r
t
，设置时间膨胀阈值th
t
为：
[0025]
th
t
＝k
t
×rt
(3)
[0026]
其中k
t
为整数；
[0027]
时间向量v
t1
中的元素ti的具体膨胀方法如公式(4)所示：
[0028][0029]
其中f(ti)为元素ti膨胀之后的向量集合，其中的元素获取方法为：首先，以ti为基础，r
t
为间隔，在ti之前插入k
t
个元素，直到所插入的元素小于等于前一个元素t
i-1
，然后，再以ti为基础，r
t
为间隔，在ti之后插入k
t
个元素，直到所插入的元素大于等于后一个元素
t
i+1
，依次对v
t1
中的每一个元素按照公式(4)进行操作后，形成新的时间向量v
t2
。
[0030]
步骤8包括：遍历三维空间网格集合s，对于三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格si，取出si所对应的v
t0
和v
t2
，v
t0
表示目标到达该网格si的时间，v
t2
表示不可用的时间集合；然后遍历v
t0
中的每一个元素ti，判断ti是否存在于v
t2
，如果不存在，则将si存入s1，否则存入不可用空域网格集合s
′1，以此获得可用空域网格集合s1和不可用空域网格集合s
′1。
[0031]
步骤9包括：已知s、s1以及s
′1的关系如(5)所示：
[0032][0033]
其中，s1表示可用空域网格编码集合，s
1i
为s1集合中的元素；s
′1表示不可用的空域网格编码集合，s
′
1i
为s
′1集合中的元素。
[0034]
步骤9中，令空间剖分层级ls所对应的空间尺度为rs，设置空间腐蚀阈值ths为：
[0035]
ths＝ks×rs
(6)
[0036]
其中ks为整数；
[0037]
三维空间网格s
′1中的元素s
′
1i
的具体膨胀方法如公式(7)所示：
[0038][0039]
其中，s
′2(i)表示s
′
1i
在经度方向、纬度方向以及高度方向上扩展之后的网格集合，i表示在经度方向的扩展间隔，j表示在纬度方向上的扩展间隔，k表示在高度方向上的扩展间隔。
[0040]
步骤9中，首先，在三维空间中以s
′
1i
为中心，扩展形成一个边长为(2
×ks
+1)
×rs
的立方体，增加(2
×ks
+1)3个剖分网格；然后，将(2
×ks
+1)3个网格存入新的网格集合s
′2中，形成新的不可用空域网格集合s
′2；最后从三维空间网格集合s中剔除s
′2的网格，即形成了实际可用空间三维网格集合s2。
[0041]
有益效果：本发明具有以下优点：1、本发明对固定不可用空域和动态不可用空域进行了空间编码，并用时间编码集合(即一段时间范围内的时间剖分编码)来描述该两类空域；2、本发明将不可用的某一空间编码所关联的时间编码进行了“膨胀”，预留安全间隔的同时保留时间的连续性；3、本发明通过对空间网格剖分编码的“腐蚀”，在可用空间编码和不可用空间编码之间建立了安全间隔，在保证精度的前提下提高了空域的安全性。
附图说明
[0042]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0043]
图1为本发明技术方案流程图。
[0044]
图2为空间剖分层级对照表。
[0045]
图3为时间剖分层级对照表。
[0046]
图4为空域剖分为空间网格示例图。
[0047]
图5为实施方法中示例空域。
具体实施方式
[0048]
本发明提供了一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法，包括：
[0049]
步骤1，根据目标大小以及运动特征等，设置空间剖分等级ls和时间剖分等级l
t
，并将整个空间和时间进行剖分。
[0050]
按照geosot全球经纬度网格剖分技术，三维空间网格剖分层级如图2所示，ls取值范围为0到32，选择某一层级后，即将整个三维空间按照该层级所对应的尺度剖分为若干个空间网格单元，形成空间网格编码全集；类似的时间网格剖分层级如图3所示，l
t
的取值范围为0到63，选择某一层级后，即将整个时间按照该层级所对应的尺度剖分为若干个时间网格单元，形成时间网格编码全集。
[0051]
步骤2，基于目标运动范围，从地理空间中划设出需要分析计算的空域a，并将空域a按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合s。
[0052]
在地理坐标系中的选择目标活动的起始坐标点ps(js，ws，hs)、结束坐标点pe(je，we，he)，形成一个长方体空间a，按照ls所对应的经度间隔δj、纬度间隔δw、高度间隔δh，从开始点ps(js，ws，hs)至结束点pe(je，we，he)，按照经度js至je、纬度ws至we、高度hs至he等三个维度进行遍历，如图4所示，解算每个离散点所对应的网格编码，形成三维空间网格集合s。
[0053]
步骤3，分析空域a中的固定不可用的空域(譬如山脉、高楼、禁飞区等)，并将该类空域按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合m0。
[0054]
该类空域一般为不规则，如果为规则长方体空域可以采用步骤2中的方法转为网格集合。针对形状不规则的空域，首先在高度方向按照内径变化小于ls所对应的尺度值，将该空域“切割”成多个连续的子空域，然后计算每一个子空域的网格集合，形成空域a内的固定不可用空域的三维空间网格集合m0。
[0055]
步骤4，分析空域a中的n个动态变化不可用空域(譬如其他动目标的航线航路、临时管制空域等)，并将该类空域按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合m1、m2、
…
、mn。
[0056]
参照步骤3中的计算方法可以将临时管制空域转成三维空间网格的集合，此处不再赘述。动目标的航线航路等是由一系列连续的航路点构成，在地理坐标系中，每个点已经包含了经度、纬度以及高程信息，解算航路点所对应的网格编码，即形成对应的三维空间网格集合。
[0057]
步骤5，基于时间剖分等级l
t
，计算目标到达s中每个空间剖分网格的时间，并为该空间网格关联时间向量v
t0
，计算m0、m1、m2、
…
、mn空间网格集合所关联的时间剖分网格集合t0、t1、t2、
…
、tn。
[0058]
针对某活动目标的可用空域规划，所述的三维空间网格集合中每一个空间剖分网格所关联的时间计算方法：
[0059]
[0060]
在公式(1)中，式一表示活动目标在某个空间网格中的时间计算方法，l表示网格到目标初始点的距离，v表示目标的运动速度；式二表示固定不可用空域的时间计算方法，t0为整个规划开始时间；式三表示动态不可用空域的时间计算方法，t1为开始时间，δt为持续时间。
[0061]
步骤6，遍历三维空间网格集合s，为集合中的每一个元素再关联一个时间向量v
t1
，由t0以及t1、t2、
…
、tn中的元素构成，每个时间向量中元素均由小到大升序排列。
[0062]vt1
时间向量的构建方法：遍历三维空间网格集合s，对于s中的每个空间剖分网格si，查询是否存在于mi中，如果存在，则将所对应的ti中的时间剖分ti取出，并按照升序方法存入v
t1
中。
[0063]
步骤7，采用时间“膨胀”方法，对网格元素关联的时间向量v
t1
中的元素进行膨胀，形成新的时间向量v
t2
。
[0064]
令时间向量v
t1
中的元素集合为：
[0065]vt1
＝[t0，t1，
…
，ti，
…
，tn](2)
[0066]
令剖分层级l
t
所对应的时间尺度为r
t
，设置时间“膨胀”阈值th
t
为：
[0067]
th
t
＝k
t
×rt
(3)
[0068]
公式(3)中的k
t
为整数，k
t
越大，则表示时间“膨胀”越大，也就是安全空域与不可用空域之间的安全间隔范围越大。
[0069]
时间向量v
t1
中的元素ti的具体“膨胀”方法如公式(4)所示：
[0070][0071]
首先，以ti为基础，r
t
为间隔，在ti之前插入k
t
个元素，直到所插入的元素小于等于前一个元素t
i-1
。然后，再以ti为基础，r
t
为间隔，在ti之后插入k
t
个元素，直到所插入的元素大于等于后一个元素t
i+1
。依次对v
t1
中的每一个元素按照公式(4)进行操作后，形成新的时间向量v
t2
。
[0072]
步骤8，按照空间网格不重合、或者空间网格重合但是时间网格不重合原则，计算可用空域网格集合s1和不可用的空域网格集合s
′1。
[0073]
可用空域网格集合s1的计算方法：首先遍历三维空间网格集合s，对于s中的每个空间剖分网格si，取出si所对应的v
t0
和v
t2
；然后遍历v
t0
中的每一个元素ti，判断ti是否存在于v
t2
，如果不存在，则将si存入s1，否则存入s
′1，以此获得可用空域网格集合s1和不可用空域网格集合s
′1。
[0074]
步骤9，针对空间网格集合s1，采用空间“腐蚀”方法，计算安全间隔空间网格，得到实际可用空间三维网格集合s2。
[0075]
实际可用空域网格集合s2的计算方法，已知s、s1以及s
′1的关系如(5)所示：
[0076][0077]
令空间剖分层级ls所对应的空间尺度为rs，设置空间“腐蚀”阈值ths为：
[0078]
ths＝ks×rs
(6)
[0079]
公式(6)中的ks为整数，ks越大，则表示空间“腐蚀”越大，也就是实际使用的安全空域与不可用空域之间的安全间隔范围越大。
[0080]
由于s1和s
′1为互补关系，对s
′1的“膨胀”即实现了对s1的“腐蚀”，三维空间网格s
′1中的元素s
′
1i
的具体“膨胀”方法如公式(7)所示：
[0081][0082]
首先，在三维空间中以s
′
1i
为中心，扩展形成一个边长为(2
×ks
+1)
×rs
立方体，增加(2
×ks
+1)3个剖分网格；然后，将(2
×ks
+1)3个网格存入新的网格集合s
′2中，形成新的不可用空域网格集合s
′2；最后从三维空间网格集合s中剔除s
′2的网格，即形成了实际可用空间三维网格集合s2。
[0083]
步骤10，针对空间网格集合s2，计算网格集合对应的空间a1，即为动态目标在预设范围内的实际可用空域。
[0084]
实施例
[0085]
如图1所示，为本发明技术方案的流程图。本实施例以基于已有的目标及预设活动空域、固定不可用空域、动态变化的不可用空域等，作为原始数据源，并与时间剖分及“膨胀”、空间剖分及“腐蚀”等过程相结合，对本发明技术方案进行详细说明。
[0086]
步骤1，根据目标大小以及运动特征等，设置空间剖分等级ls和时间剖分等级l
t
，并将整个空间和时间进行剖分。
[0087]
geosot全球经纬度网格剖分技术目前已经是通用的方法，具体原来本方案中不再赘述，本实施例中，以规划直升机的安全飞行空域为例，选择空间剖分等级为ls为23，即尺度为8米，时间剖分层级l
t
为52，即尺度为2秒。
[0088]
步骤2，基于目标运动范围，从地理空间中划设出需要分析计算的空域a，并将空域a按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合s。
[0089]
本实施例中，直升机预设的活动空域a的情况如图5所示，a空域的起点坐标为ps(120.0，34.0，0)，终点坐标为pe(120.25，34.125，1000)。
[0090]
按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算三维空间网格集合s，共形成网格编码3600*1800*125个，s集合的中元素为：[3c000000110000000000000017，3c000800110000000000000017，3c001000110000000000000017，3c001800110000000000000017，3c002000110000000000000017，
……
，3c1e0000110ee800000003e817]。
[0091]
步骤3，分析空域a中的固定不可用的空域(譬如山脉、高楼、禁飞区等)，并将该类空域按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合m0。
[0092]
本实施例中，空域a中存在两个固定不可用的禁飞区，分别为a1：(120.03409，34.10455，0)至(120.05114，34.08182，1000)构成的长方体空域；a2：(120.15341，34.04886，0)至(120.18182，34.03182，1000)构成的长方体空域。
[0093]
按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算三维空间网格集合m0，形成网格编码
246*328*125+410*246*125个，m0集合中的元素为：[3c041000110c80000000000017，3c041800110c80000000000017，3c042000110c80000000000017，3c042800110c80000000000017，
……
，3c0620001109b000000003e817，
……
，3c1260001105b8000000000017，3c1268001105b8000000000017，3c1270001105b8000000000017，3c1278001105b8000000000017，
…
，3c15b0001103b000000003e817]。
[0094]
步骤4，分析空域a中的n个动态变化不可用空域(譬如其他动目标的航线航路、临时管制空域等)，并将该类空域按照空间剖分等级ls，剖分形成三维空间网格集合m1、m2、
…
、mn。
[0095]
本实施例中，空域a中存在临时管制空域a3：(120.08864，34.06591，0)至(120.1125，34.08864，1000)构成的长方体空域。按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算a3空间网格集合m1，形成网格编码458*328*125个，三维空间网格m1集合中的元素为：[3c0a98001107c8000000000017，3c0aa0001107c8000000000017，3c0aa8001107c8000000000017，3c0ab0001107c8000000000017，
……
，3c0d6000110a9800000003e817]。
[0096]
本实施例中，空域a中存在临时管制空域a4(120.011364，34.07727，0)至(120.14318，34.10227，1000)构成的长方体空域。按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算a4空间网格集合m2，形成网格编码490*328*125个，三维空间网格m2集合中的元素为：[3c014000110930000000000017，3c014800110930000000000017，3c015000110930000000000017，3c015800110930000000000017，
……
，3c111800110c4000000003e817]。
[0097]
本实施例中，空中a中存在动目标的航线航路，坐标点集合为l1：[(120.05455，34.12500，300)，(120.06364，34.11136，300)，(120.08182，34.10000，300)，(120.10227，34.09545，300)，(120.12045，34.08636，300)，(120.15909，34.075，300)，(120.18864，34.05909，300)，(120.22273，34.05227，300)，(120.23409，34.04091，300)，(120.24545，34.00682，300)，(120.25，34.00455，300)]。按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算l1空间网格集合m3，形成网格编码3008个，三维空间网格m3集合中的元素为：[3c068000110ee8000000012c17，3c078800110d40000000012c17，3c09b000110c00000000012c17，
……
，3c1e0000110080000000012c17]。
[0098]
本实施例中，空中a中存在动目标的航线航路，坐标点集合为l2：[(120.22727，34.0，800)，(120.21591，34.01136，800)，(120.21136，34.03182，800)，(120.2，34.04318，800)，(120.19318，34.07273，800)，(120.17955，34.08409，800)，(120.17273，34.10455，800)，(120.15，34.11136，800)，(120.13636，34.125，800)]。按照步骤1中空间剖分的等级ls＝23，解算l2空间网格集合m4，形成网格编码2158个，三维空间网格m4集合中的元素为：[3c1b3000110000000000032017，
…
，3c19c800110140000000032017，3c1940001103b0000000032017，
……
，3c105000110ee8000000032017]。
[0099]
步骤5，基于时间剖分等级l
t
，计算目标到达s中每个空间剖分网格的时间，并为该空间网格关联时间向量v
t0
，计算m0、m1、m2、
…
、mn空间网格集合所关联的时间剖分网格集合t0、t1、t2、
…
、tn。
[0100]
本实施例中，设定规划开始时间t0为2022年8月8日8点8分8秒(t0可以任意设定，其他时间均以t0为基准变化)，时间剖分等级采用步骤1中的l
t
＝38。设定直升机的速度为80米/秒，按照公式(1)中式一，则直升机到第一个网格需要的时间为0.2秒，到第二个网格需要的时间为0.4秒，依次类推，获得v
t0
依次为：[4754003402457874432，4754003402459971584，4754003402462068736，
…
，4754003403949243392]。
[0101]
本实施例中，固定不可用空域m0所关联的时间剖分网格集合t0的计算方法参见公式(1)中的式二，按照步骤1中的l
t
＝41，t0＝[4754003402457874432，4754003402459971584，4754003402462068736，
…
，4754003411047809024，
…
]。
[0102]
本实施例中，设定临时管制空域a3的起效时间为：t0+10分至t0+20分，则a3所对应的三维空间集合m1所关联的时间剖分网格集合t1中的元素为：[4754003403128963072，4754003403131060224，4754003403133157376，
……
，4754003403800051712]。
[0103]
本实施例中，设定临时管制空域a4的起效时间为：t0+5分至t0+15分，则a4所对应的三维空间集合m2所关联的时间剖分网格集合t2中的元素为：[4754003402793418752，4754003402795515904，4754003402797613056，
……
，4754003403456118784]。
[0104]
本实施例中，l1航线上面的目标从t0+3分开始，以60米/秒的速度从第一个点开始进入并沿着l1飞行，则l1对应的m3网格集合所关联的时间集合t3为：[4754003402659201024，4754003402659337216，4754003402659473408，
……
，4754003403095408640]。
[0105]
本实施例中，l2航线上面的目标从t0+9分开始，以90米/秒的速度从第一个点开始进入并沿着l2飞行，则l2对应的m4网格集合所关联的时间集合t4为：[4754003403061854208，4754003403061944320，4754003403062035456，
……
，4754003403275763712]。
[0106]
步骤6，遍历三维空间网格集合s，为集合中的每一个元素再关联一个时间向量v
t1
，由t0以及t1、t2、
…
、tn中的元素构成，每个时间向量中元素均由小到大升序排列。
[0107]
本实施例中，以附图5中的k点(120.113，34.075，300)为例，k点对应的空间网格编码为：3c0d70001108f0000000012c17，k点在a3、a4以及l1，k点在t1中关联的剖分时间为：[4754003403128963072，4754003403131060224，4754003403133157376，
……
，4754003403800051712]，在t2中关联的剖分时间为[4754003402793418752，4754003402795515904，4754003402797613056，
……
，4754003403456118784]，在t3中关联的时间为：4754003402801807360。则k点的v
t1
为：
[0108]
[4754003402793418752，4754003402795515904，4754003402797613056，
……
，4754003402801807360，
……
，4754003403128963072，4754003403131060224，4754003403133157376，
……
，4754003403800051712，
……
，4754003403456118784]。
[0109]
步骤7，采用时间“膨胀”方法，对网格元素关联的时间向量v
t1
中的元素进行膨胀，形成新的时间向量v
t2
。
[0110]
本实施例中，l
t
＝41所对应的时间尺度为r
t
为2秒，设定k
t
＝4，则由公式(2)，时间“膨胀”阈值th
t
＝8秒。以k点所关联的时间v
t1
中的时间编码4754003402801807360为例，由公式(4)可知，k点膨胀后关联的v
t2
为：[4754003402793418752，4754003402795515904，4754003402797613056，
……
，4754003402799710208，4754003402801807360，
4754003402803904512，4754003402806001664
……
，4754003403128963072，4754003403131060224，4754003403133157376，
……
，4754003403800051712，
……
，4754003403456118784]。
[0111]
步骤8，按照空间网格不重合、或者空间网格重合但是时间网格不重合原则，计算可用空域网格集合s1和不可用的空域网格集合s
′1。
[0112]
本实施例中，以附图5中的k点为例，k点关联的v
t0
为4754003402640326656，对照步骤7中的v
t2
，可知k点为可用空域网格，存入s1中。
[0113]
本实施例中，以附图5中的g点(120.15341，34.03182，300)为例，g点关联的v
t0
为4754003402661298176，对照步骤5中的t0以及步骤7中的方法，可知g点为不可用空域网格，存入s
′1。
[0114]
步骤9，针对空间网格集合s1，采用空间“腐蚀”方法，计算安全间隔空间网格，得到实际可用空间三维网格集合s2。
[0115]
本实施例中，通过“膨胀”不可用空域以实现“腐蚀”可用空域功能，以“膨胀”g点为例，g点的空间网格编码为：3c1260001103b0000000012c17，ls＝23所对应的时间尺度为rs为8米，设定ks＝2，则由公式(6)，可用空域的“腐蚀”阈值即不可用空间的“膨胀”阈值ths＝16米，g点则“膨胀”后的75个网格集合编码为：[3c1258001103b0000000011c17，3c1260001103b0000000011c17，3c1268001103b0000000011c17，
……
，3c1288001103b0000000011c17，
……
]，存入s
′2中。按照同样的方法计算其他不可用空域网格编码的“膨胀”网格，存入s
′2，然后从s中遍历去除s
′2出现过的空间编码，形成s2。
[0116]
步骤10，针对空间网格集合s2，计算网格集合对应的空间a1，即为动态目标在预设范围内的实际可用空域。
[0117]
按照网格编码转地理坐标的方法，将网格转换为地理空间位置即可，为通用方法，此处不再描述。
[0118]
本发明对预设空域及该空域内的固定不可用空域和动态不可用空域进行了空间编码，并将所有空间编码与时间编码进行了关联。通过对不可用的某一空间编码所关联的时间编码进行了“膨胀”，预留安全间隔的同时保留时间的连续性，通过对可用空域的网格编码进行“腐蚀”，在可用空域和不可用空域之间建立了安全间隔，在保证空域的安全性的前提下提高了空域的利用率。
[0119]
具体实现中，本技术提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0120]
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。muu或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0121]
本发明提供了一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据目标大小以及运动特征等，设置空间剖分等级l
s
和时间剖分等级l
t
，并将整个空间和时间进行剖分；步骤2，基于目标运动范围，从地理空间中划设出需要分析计算的空域a，并将空域a按照空间剖分等级l
s
，剖分形成三维空间网格集合s；步骤3，分析空域a中的固定不可用的空域，并将空域按照空间剖分等级l
s
，剖分形成三维空间网格集合m0；步骤4，分析空域a中的n个动态变化不可用空域，并将空域按照空间剖分等级l
s
，剖分形成n个空域所对应的三维空间网格集合m1、m2、
…
、m
n
；m
n
表示第n个空域所对应的三维空间网格集合；步骤5，基于时间剖分等级l
t
，计算目标到达三维空间网格集合s中每个空间剖分网格的时间，并为空间网格关联时间向量v
t0
，分别计算得到m0、m1、m2、
…
、m
n
空间网格集合所关联的时间剖分网格集合t0、t1、t2、
…
、t
n
；步骤6，遍历三维空间网格集合s，为集合中的每一个元素再关联一个时间向量v
t1
，由t0以及t1、t2、
…
、t
n
中的元素构成，每个时间向量中元素均由小到大升序排列；步骤7，采用时间膨胀方法，对网格元素关联的时间向量v
t1
中的元素进行膨胀，形成新的时间向量v
t2
；步骤8，按照空间网格不重合、或者空间网格重合但是时间网格不重合原则，计算可用空域网格集合s1和不可用的空域网格集合s
′1；步骤9，针对空间网格集合s1，采用空间腐蚀方法，计算安全间隔空间网格，得到实际可用空间三维网格集合s2；步骤10，针对实际可用空间网格集合s2，计算网格集合对应的空间a1，即为动态目标在预设范围内的实际可用空域。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：在地理坐标系中的选择目标活动的起始坐标点p
s
(j
s
，w
s
，h
s
)、结束坐标点p
e
(j
e
，w
e
，h
e
)，形成一个长方体空间a，按照l
s
所对应的经度间隔δj、纬度间隔δw、高度间隔δh，从开始点p
s
(j
s
，w
s
，h
s
)至结束点p
e
(j
e
，w
e
，h
e
)，按照起始经度j
s
至结束经度j
e
、起始纬度w
s
至结束纬度w
e
、起始高度h
s
至结束高度h
e
三个维度进行遍历，解算每个离散点所对应的网格编码，形成三维空间网格集合s。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中，采用如下公式计算目标到达三维空间网格集合s中每个空间剖分网格的时间：其中，f(t)表示目标到达剖分网格的时间，l表示网格到目标初始点的距离，v表示目标的运动速度；t0为整个规划开始时间；t1为开始时间，δt为持续时间。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5中，根据公式(1)，计算目标到达三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格的时间，存入时间向量v
t0
中。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，采用如下方法构建时间向量v
t1
：遍历三维空间网格集合s，对于三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格s
i
，查询是否存
在于三维空间网格集合m
i
中，0≤i≤n，如果存在，则将所对应的时间剖分网格集合t
i
中的时间剖分t
i
取出，并按照升序方法存入v
t1
中。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7中，令时间向量v
t1
中的元素集合为：v
t1
＝[t0，t1，
…
，t
i
，
…
，t
n
](2)公式(2)中的t
i
获取方法为：遍历三维空间网格集合s，对于s中的每个空间剖分网格s
i
，查询是否存在于m
i
中，如果存在，则将所对应的t
i
中的时间剖分t
i
取出，并按照升序方法存入v
t1
中；令时间剖分层级l
t
所对应的时间尺度为r
t
，设置时间膨胀阈值th
t
为：th
t
＝k
t
×
r
t
(3)其中k
t
为整数；时间向量v
t1
中的元素t
i
的具体膨胀方法如公式(4)所示：其中f(t
i
)为元素t
i
膨胀之后的向量集合，其中的元素获取方法为：首先，以t
i
为基础，r
t
为间隔，在t
i
之前插入k
t
个元素，直到所插入的元素小于等于前一个元素t
i-1
，然后，再以t
i
为基础，r
t
为间隔，在t
i
之后插入k
t
个元素，直到所插入的元素大于等于后一个元素t
i+1
，依次对v
t1
中的每一个元素按照公式(4)进行操作后，形成新的时间向量v
t2
。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤8包括：遍历三维空间网格集合s，对于三维空间网格集合s中的每个空间剖分网格s
i
，取出s
i
所对应的v
t0
和v
t2
，v
t0
表示目标到达该网格s
i
的时间，v
t2
表示不可用的时间集合；然后遍历v
t0
中的每一个元素t
i
，判断t
i
是否存在于v
t2
，如果不存在，则将s
i
存入s1，否则存入不可用空域网格集合s
′1，以此获得可用空域网格集合s1和不可用空域网格集合s
′1。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤9包括：已知s、s1以及s
′1的关系如(5)所示：其中，s1表示可用空域网格编码集合，s
1i
为s1集合中的元素；s
′1表示不可用的空域网格编码集合，s
′
1i
为s
′1集合中的元素。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤9中，令空间剖分层级l
s
所对应的空间尺度为r
s
，设置空间腐蚀阈值th
s
为：th
s
＝k
s
×
r
s
(6)其中k
s
为整数；三维空间网格s
′1中的元素s
′
1i
的具体膨胀方法如公式(7)所示：
其中，s
′2(i)表示s
′
1i
在经度方向、纬度方向以及高度方向上扩展之后的网格集合，i表示在经度方向的扩展间隔，j表示在纬度方向上的扩展间隔，k表示在高度方向上的扩展间隔。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤9中，首先，在三维空间中以s
′
1i
为中心，扩展形成一个边长为(2
×
k
s
+1)
×
r
s
的立方体，增加(2
×
k
s
+1)3个剖分网格；然后，将(2
×
k
s
+1)3个网格存入新的网格集合s
′2中，形成新的不可用空域网格集合s
′2；最后从三维空间网格集合s中剔除s
′2的网格，即形成了实际可用空间三维网格集合s2。

技术总结
本发明提供了一种基于时空网格的目标运行安全空域规划方法，包括以下步骤：步骤1，将整个空间和时间进行剖分；步骤2，从地理空间中划设出需要分析计算的空域，将空域按照空间剖分等级；步骤3，分析空域中的固定不可用的空域，将空域按照空间剖分等级；步骤4，分析空域中的动态变化不可用空域，将空域按照空间剖分等级；步骤5，计算目标到达中每个空间剖分网格的时间；步骤6，为集合中的每一个元素再关联一个时间向量；步骤7，对网格元素关联的时间向量中的元素进行膨胀；步骤8，计算可用空域网格集合；步骤9，计算安全间隔网格；步骤10，计算动态目标在预设范围内的实际可用空域。本发明在保证精度的前提下提高了空域的安全性。证精度的前提下提高了空域的安全性。证精度的前提下提高了空域的安全性。


技术研发人员：嵇亮亮 叶玲 应励志 施卫峰 王伟 朱木 陈万桥 乔楠 张振华 王远斌 林佳莹 王兴柱
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十八研究所
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/12