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无人机应用发展关键基础设施与低空公共航路网规划

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中国科学院院刊 2022年第7期37卷 977-988页

作者：廖小罕徐晨晨叶虎平谭翔房世峰黄耀欢林静中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院无人机应用与管控研究中心北京100101 中国民航局民航低空地理信息与航路重点实验室北京100101

当代无人机特点是数量众多、应用范围广、活跃频次高和用户众多。对于安全运行,高标准的无人机软硬件系统可靠性和鲁棒性至关重要。无人机运行高度依赖于新技术和外部高技术基础设施。其中,低空公共航路网(又称低空“天路”)是一种保障... 详细信息

当代无人机特点是数量众多、应用范围广、活跃频次高和用户众多。对于安全运行,高标准的无人机软硬件系统可靠性和鲁棒性至关重要。无人机运行高度依赖于新技术和外部高技术基础设施。其中,低空公共航路网(又称低空“天路”)是一种保障低空无人机安全和高效运行的关键新型基础设施。深入研究与推进低空“天路”为核心的无人机应用基础设施建设对于发展城市空中交通网、助力智慧交通发展非常有意义。文章在梳理无人机应用关键基础设施的基础上,进行了基于低空“天路”的新型基础设施建设的未来展望。

关键词：无人机应用基础设施低空公共航路网

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CNN影像输入尺寸和分辨率对川西针叶林植被分类精度的影响

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遥感学报 2023年第11期27卷 2640-2652页

作者：石伟博廖小罕王绍强岳焕印王东亮中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院区域生态过程与环境演变实验室武汉430074 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院无人机应用与管控研究中心北京100101 中国民航局低空地理信息与航路重点实验室北京100101 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

川西亚高山针叶林位于中国西南地区,受多云、多雨、多雾的影响,难以通过卫星影像进行植被分类的研究。为了解决这一难题,本研究选取川西亚高山针叶林的典型区域王朗自然保护区作为研究区,使用多旋翼无人机获取研究区域北部高分辨率RGB影... 详细信息

川西亚高山针叶林位于中国西南地区,受多云、多雨、多雾的影响,难以通过卫星影像进行植被分类的研究。为了解决这一难题,本研究选取川西亚高山针叶林的典型区域王朗自然保护区作为研究区,使用多旋翼无人机获取研究区域北部高分辨率RGB影像,结合卷积神经网络进行植被分类;为进一步挖掘卷积神经网络在无人机遥感影像上的潜力,选择语义分割方法(U-Net)进行分类,并根据不同分辨率的无人机影像和不同尺寸下的样本集构建植被分类模型,建立森林指纹库。结果表明:(1)结合无人机可见光影像和CNN模型进行分类能够获得高精度分类结果。在空间分辨率为5 cm,尺寸为256×256像素的情况下达到最优,总体精度为93.21%,Kappa系数为0.90;(2)选择合适的尺寸大小能够提高模型的分类精度。在5 cm的空间分辨率下,尺寸为128×128像素的模型总体精度为82.30%,Kappa系数为0.76;尺寸为256×256像素的模型总体精度为93.21%,Kappa系数为0.90;(3)超高空间分辨率的升高对模型精度的提升是有限的。当空间分辨率从10 cm升到5 cm时,模型的总体精度提高了0.02,Kappa系数提高了0.03,模型的分类精度并没有明显提升。(4)对于区域内代表性不足的植被类型来说,受空间分辨率和尺寸大小的影响要远高于区域内优势树种,特别是空间分辨率的影响最大。在20 cm的空间分辨率下落叶灌木的生产者精度和用户精度均低于70%。综上,利用无人机高分辨率RGB影像结合CNN模型对川西亚高山针叶林的植被分类能够取得高精度分类结果,本研究可为该区域植被分类提供一种自动、准确的方法。

关键词：无人机RGB影像卷积神经网络川西亚高山针叶林植被分类输入尺寸空间分辨率

城市空中交通及其新型基础设施低空公共航路研究综述

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航空学报 2023年第24期44卷 1-29页

作者：廖小罕屈文秋徐晨晨贺洪波王俊伟石伟博中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国民用航空局民航低空地理信息与航路重点实验室北京100101 中国科学院无人机应用与管控研究中心北京100101 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院区域生态过程与环境演变实验室武汉430074

新一代信息技术的突破再次催生了诸多对于在城市低空空域进行城市空中交通(UAM)商业化运输的关注。城市低空空域环境复杂,商业化场景下城市空中交通流量密度大,载运工具规格不统一。低空公共航路作为UAM的新型基础设施,是UAM进行精细化... 详细信息

新一代信息技术的突破再次催生了诸多对于在城市低空空域进行城市空中交通(UAM)商业化运输的关注。城市低空空域环境复杂,商业化场景下城市空中交通流量密度大,载运工具规格不统一。低空公共航路作为UAM的新型基础设施,是UAM进行精细化管理的重要手段。然而,UAM所需配备基础设施、运营与管控模式以及低空公共航路的规划方法等问题尚无统一定论。本文针对以上问题,梳理了UAM与低空公共航路的基本概念、发展历程以及基于低空公共航路的UAM管理等内容;提出了一种UAM运营管理框架,就相关行政部门在城市空中交通发展中可能承担的职责提出了建议和应对措施;最后,总结了低空共航路的构建方法,UAM发展过程中的难点及落实建议,以期对UAM产业健康有序发展有所裨益。

关键词：城市空中交通低空空域公共航路 eVTOL航空器管控与运营

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导航设备服务中断对信号覆盖影响的量化评估

信号处理 2021年第5期37卷 796-803页

作者：焦卫东刘芳芳中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

为预判民航导航设备在特定位置或时间达不到运行要求时,对信号覆盖造成的影响,以航路、扇区覆盖为例,设计并实现一套导航台站查询与信号覆盖评估系统。首先综合考虑视距传播、基站天线辐射距离、视线截止距离等因素得到信号覆盖范围;然... 详细信息

为预判民航导航设备在特定位置或时间达不到运行要求时,对信号覆盖造成的影响,以航路、扇区覆盖为例,设计并实现一套导航台站查询与信号覆盖评估系统。首先综合考虑视距传播、基站天线辐射距离、视线截止距离等因素得到信号覆盖范围;然后基于射线法和二分法等建立设备信号覆盖范围变化的量化评估算法,包括距离量算和面积量算;最后,对设备失效前后航路、扇区的信号覆盖变化情况包括覆盖距离和面积变化等进行量化评估,并基于三维地理信息系统实现场景仿真,将覆盖变化情况三维可视化,生成评估报告,为设备故障应急处置和运行安全提供必要的数据支撑。

关键词：信号覆盖设备失效量化评估三维地理信息系统

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DME/DME导航信号有效覆盖分析

计算机工程 2012年第12期38卷 236-238,242页

作者：沈笑云黄顺利焦卫东中国民航大学智能信号与图像处理天津市重点实验室天津300300

针对地形因素对信号覆盖范围存在遮蔽的问题,提出一种结合实际地形分析DME/DME导航信号有效覆盖范围的方法。采用可视性分析方法,通过数字高程模型数据定量分析单个DME台站的信号覆盖范围,并与地理信息系统相结合,以京沪区域导航航路为... 详细信息

针对地形因素对信号覆盖范围存在遮蔽的问题,提出一种结合实际地形分析DME/DME导航信号有效覆盖范围的方法。采用可视性分析方法,通过数字高程模型数据定量分析单个DME台站的信号覆盖范围,并与地理信息系统相结合,以京沪区域导航航路为例对DME/DME信号的有效覆盖范围进行分析与研究。仿真结果证明,该方法可准确地预测DME/DME信号的覆盖范围,能为区域导航程序设计提供可靠的理论支持,避免潜在的安全风险。

关键词：区域导航 DME/DME系统信号覆盖地形遮蔽地理信息系统

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强杂波背景下的低空风切变检测技术研究

强杂波背景下的低空风切变检测技术研究

作者：韩雁飞中国民航大学

学位级别：硕士

机载气象雷达主要用于探测飞机航路上的恶劣气象区域，包括空中的雷雨区、雷暴区、冰雹、湍流和风切变等。低空风切变发生突然并且具有持续时间短、影响强度大和危险性高等特点。在飞机起降阶段探测低空风切变时，微弱的低空风切变信号... 详细信息

机载气象雷达主要用于探测飞机航路上的恶劣气象区域，包括空中的雷雨区、雷暴区、冰雹、湍流和风切变等。低空风切变发生突然并且具有持续时间短、影响强度大和危险性高等特点。在飞机起降阶段探测低空风切变时，微弱的低空风切变信号常会淹没在强杂波背景中。作为现代航空运输领域的一个重要课题，研究强杂波背景下的低空风切变检测技术对保障航空运输安全有着重要的意义。首先，论文从气象目标信号和地杂波信号两个方面介绍了机载气象雷达的数据模型，并利用风场建模与撒点法结合的方法和零记忆非线性变换方法分别仿真风切变信号与地杂波信号。其次，论文介绍了基本的低空风切变检测步骤，并以F因子为核心，重点研究低空风切变的危险评定流程。再次，论文针对检测流程中的地杂波抑制模块，提出了一种基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法。该方法在利用先验信息估计杂波谱中心与谱宽的基础上，根据回波信号的功率强度设计谱宽控制门限和幅度控制门限，即利用双门限逐距离单元自适应地调节滤波器凹口，从而减少杂波抑制时对风切变信号的影响并降低杂波残余。不同杂噪比条件下的仿真实验结果表明，该方法具有良好的杂波抑制效果。最后，论文针对信噪比较低且脉冲数较少时的风速估计问题，提出了一种基于压缩感知的低空风切变风速估计方法。根据雷达回波信号的稀疏性，将压缩感知技术应用在低空风切变的风速估计问题中。该方法可在信噪比较低且脉冲数较少时获得精确的风速估计结果，并具备超分辨率的频谱估计性能，在风切变信号与地杂波信号频谱邻近的区域仍能有效地进行频谱估计。仿真实验的验证与分析证实了上述所提方法的有效性和可靠性。

关键词：机载气象雷达低空风切变检测地杂波抑制压缩感知

同方学位论文库评论

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通航飞行计划评估系统设计与实现

中国民航大学学报 2016年第6期34卷 1-5,54页

作者：吴仁彪马亚冰王晓亮中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

为保障通用航空飞行的安全、合法和高效,针对通用航空飞行高度低、路线相对灵活、受地形地物和配载影响大等特点,提出一种通用航空飞行计划评估系统设计与实现方法。飞行计划评估以复杂评估要素的提取与处理为基础,利用基于飞机性能工... 详细信息

为保障通用航空飞行的安全、合法和高效,针对通用航空飞行高度低、路线相对灵活、受地形地物和配载影响大等特点,提出一种通用航空飞行计划评估系统设计与实现方法。飞行计划评估以复杂评估要素的提取与处理为基础,利用基于飞机性能工程的方法评估飞机燃油、配载以及起飞越障等关键指标,利用高精度地形插值的方法计算低空飞行剖面,利用2D/3D一体化地理信息系统平台实现飞行计划执行全过程3D可视化评估。系统测试表明,所设计和实现的飞行计划评估系统能够从关键指标、垂直飞行剖面以及三维可视化3个方面展开评估,从而为通用航空飞行计划的制订和审批提供依据,满足通用航空对飞行计划评估服务的需求。

关键词：通用航空飞行计划评估飞行剖面 3D可视化:地理信息系统

京津冀地区无人机航路气象因子高分辨率模拟分析

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地理科学进展 2021年第10期40卷 1691-1703页

作者：赵磊谢丰徐晨晨钟若嵋文小航成都信息工程大学工程实践中心成都610225 青岛市气象局山东青岛266003 中国科学院地理科学与资源研究所资源环境与地理信息国家重点实验室北京100101 中国科学院无人机应用与管控研究中心北京100101 天津中科无人机应用研究院天津301800

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以201... 详细信息

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以2016年华北"7·20"特大暴雨作为研究案例,对京津冀地区无人机低空航路上的温度场、湿度场和风场进行资料同化与数值模拟,对比地面观测资料和数值模拟结果,分析其结构及特征,以期为京津冀地区无人机航路飞行安全保障提供参考。结果表明:WRF模式能够较好地模拟出该地区近地面温度、湿度和风速的日变化趋势。平原站点(天津和密云)模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)较小,风速在山区的模拟值偏大,平原地区的模拟效果优于北部和西部山区。强降水发生时,平原地区和山区的温度相差15℃左右,相对湿度达95%以上,边界层高度低于500 m,强烈的温差、较高的湿度和较低的边界层都会影响无人机的飞行安全。900 hPa高空,沿117°E经线在河北省廊坊—衡水一线出现超过10 m·s^(-1)的风速值,形成强劲的东北风,区域北部(39°N~40.5°N)出现了明显的上升气流,1000 m高度处垂直风速也超过2 m·s^(-1)。强烈的上升气流极不利于无人机的飞行,会对无人机飞行姿态和飞行高度产生重大影响,造成安全隐患。

关键词：无人机低空航路 WRF模式资料同化气象因子京津冀

城镇化区域无人机低空航路网迭代构建的理论体系与技术路径

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地理学报 2020年第5期75卷 917-930页

作者：徐晨晨叶虎平岳焕印谭翔廖小罕中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100190 天津中科无人机应用研究院天津301800 中国科学院无人机应用与管控研究中心北京100101

由于低空环境复杂,当前以无人机为应用主体的低空空域资源开发安全性和利用效率较低。而随着无人机数量的迅猛发展和商业化应用的快速扩张,旺盛的飞行需求与有限的飞行空间在低空的矛盾日益突出,如何安全、高效地管理无人机低空活动成... 详细信息

由于低空环境复杂,当前以无人机为应用主体的低空空域资源开发安全性和利用效率较低。而随着无人机数量的迅猛发展和商业化应用的快速扩张,旺盛的飞行需求与有限的飞行空间在低空的矛盾日益突出,如何安全、高效地管理无人机低空活动成为突出问题。目前各国都在探索解决途径,其中无人机低空航路是一种由中国科学院率先提出并得到业界和中国民用航空局认可的无人机低空交通和低空资源高效利用的综合解决方案。然而,这一概念还处在探索阶段,如何构建还不太明晰,尤其是对于地表环境复杂和高动态变化的城镇化区域,如何快速获取高精度的地理信息以满足无人机安全、高效飞行也是一大难题。鉴于遥感技术在航路的敏感信息提取与深化处理方面呈现出良好的应用前景,本文提出一种基于遥感和地理信息技术的城镇化区域低空公共航路网的高效迭代构建方法,并从理论支撑和已有研究基础论证了该方法的可行性。该研究技术路径主要包括基于地面路网生成具有多高度层的Ⅰ级航路网,以充分利用地面交通设施;利用航路正约束地理要素生成Ⅱ级航路网,如沿路的城市绿地和水域;规避负约束地理要素构建Ⅲ级航路网,主要包括建筑物、通信盲区和电力线(杆)等;最后,通过仿真飞行和实际飞行测试分别生成Ⅳ、Ⅴ级航路网,通过实际量测对比分析来检验无人机飞行的环境地图,保证飞行的安全性。以上方法基于遥感、地理信息、航空、交通等交叉学科解决无人机低空运行难题,为构建无人机低空航路网提供了一种新思路。更进一步讲,本文在低空领域运用地理学方法构建无人机航路网,是继无人机遥感应用之后无人机在地理学应用的又一大突破,同时也拓展了地理学的研究范畴,必将推动地理科学发展。

关键词：无人机城镇化区域低空航路网迭代构建遥感提取