淺談面向協同的空管執行模擬關鍵技術研究論文
模擬技術是一門多學科的綜合性技 術，它以控制論、系統論、相似原理和資訊科技為基礎，以計算機和專用裝置為工具，利用系統模型對實際的 或設想的系統進行動態試驗。例如，汽車或飛機的駕駛訓練模擬器，就是應用模擬技術的成果。以下是小編今天為大家精心準備的：淺談面向協同的空管執行模擬關鍵技術研究相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!
淺談面向協同的空管執行模擬關鍵技術研究全文如下：
1 引言
20 世紀70 年代末開始，歐美等發達國家將系統模擬方法引入到空域和機場管理中來，一開始主要用於評估機場容量和航班延誤的研究，後來逐漸擴充套件到對整個機場地面和空域管理的研究和評估。隨著我國軍民航以及通用航空的迅速發展，空中飛行流量迅速增長，空域日益繁忙和擁擠。航空活動的多元化發展趨勢，導致空域飛行的複雜性增強，對提高空中交通執行效率提出了更高要求，空管系統建設和執行中越來越重視對模擬方法的運用。
本文構建了一個面向空地協同的空管執行環境模擬平臺，探究複雜條件下空地協同決策中的人為因素以及協同工具的效能，為空管執行保障機制研究，空管執行新模式、新概念的評估驗證，空管系統效能分析，空管裝備體系建設的需求分析和關鍵技術驗證，以及新技術在空管系統中的適用性與可用性等提供模擬執行環境和評估手段，為我國空管系統執行及未來的設計規劃提供技術支援。
2 需求分析
2.1 空管執行中的協同
ICAO 和歐美等航空強國已經提出了面向未來的下一代空管執行新概念。ICAO 全球2020 年空管執行目標是在全球範圍建立一種全新的一體化、互操作和無縫隙的空管執行模式;歐洲單一天空計劃***SESAR***中提出了“空管的執行從基於空域的環境向基於航跡的環境轉變”、“加強人的核心地位”等空管新理念，安全管理和管制執行責任從地面到空中進行部分轉移，支援航空器的自主飛行服務能力和空地協同執行能力;美國聯邦航空局***FAA***提出的下一代航空運輸系統計劃*** NextGen ， Next Generation Air TransportationSystem***包括三方面內容：一體化協同執行、空管綜合資訊整合***SWIM***和基礎設施支撐。圍繞飛機、空間和地面設施，提高各類空管系統之間資訊共享和自動化處理程度，支援各種業務領域之間實施協同決策***CDM***，利用先進的輔助管理工具和地空資訊共享，提高飛行的安全性和效率，降低能源消耗，為旅客提供更多的選擇，減少飛行時間和執行成本，提供更多的服務內容。
2.2 協同的人為因素
在現代航空活動中，人—飛機—環境是構成航空系統的三個最主要的因素。無論航空器多麼先進，自動化程度有多高，“人”始終都是航空活動的主體。隨著有限空域資源的不斷消耗和競爭加劇，單純依靠擴大空域範圍和漸進式調整基礎設施已無法從根本上解決空中交通擁擠問題。協同決策***Collaborative Decision Making，CDM***就是一種通過相互協調來挑戰資源限制、提高空域使用率、滿足空域多方使用者需求的有效方法。空中交通管理協同決策建立在機場運營人、管制服務機構、飛行計劃和機組等飛行運營人、空域使用者、軍隊等參與各方之間的資訊共享和公共態勢感知基礎之上，需參與各方的合作。協同決策中參與各方的目標、資源和能力是資訊交換和協商的基礎，資訊交換又是操作人員之間公共態勢感知和協調的基礎。飛行員與管制員通過資訊交換共同確定航空器飛行期間的所有活動及所需的合作行為。空地協同決策中的人為因素是確保空中交通安全、順暢的重要因素。
2.3 意圖資訊處理
現代航空活動是以人為中心的自動化操作，人的意圖資訊直接影響到對航空器未來位置的推算。通常空管意圖資訊包括飛行計劃、管制員的指令或許可***即管制意圖資訊***、飛行員的操作***即飛行意圖資訊***。缺少空管意圖資訊而建立的航空器運動模擬將無法反映航空器的實際飛行效能和狀態。
空管執行的協同中，飛行員在駕駛航空器時的意圖、意向通過通訊裝置與其他航空器和地面自動化系統進行交換;地面管制員保證空中航空器安全、有序執行，防止航空器之間相撞的安全管制意圖，以及加快並保持空中交通合理、有次序流動的流量控制意圖，通過塔臺席位和管制指揮席位進行交換，並通過網路將管制意圖資訊進行共享。
2.4 模擬技術
系統模擬是通過建立模擬模型，在計算機上再現真實系統，並模擬真實系統的執行過程而得到系統解的研究方法。作為分析評價現有系統執行狀態或優化設計未來系統性能與功能的一種技術手段，已廣泛應用於航空、航天、軍事、電子、通訊等眾多領域，成為許多複雜系統工程分析、設計、試驗、評估等不可缺少的重要手段。系統模擬技術是以相似原理、資訊科技、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應裝置為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性新技術。模擬按所用模型的不同，分為數學模擬、半實物模擬和物理模擬三種類型。在計算機上進行的數學模擬，又稱計算機模擬，若有實物接入模型，稱為半實物模擬。
空管執行模擬用計算機實現任務規劃、模擬管理和空管執行綜合評估的數學模擬，用塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席進行半實物模擬。空管執行模擬應具有通用性，能滿足各種執行條件下的模擬需求，既要符合空中交通執行規則，又要能夠調整模擬評估粒度，可以進行不同層次、不同粒度的全域性性巨集觀模擬和微觀模擬。確保模擬結果的可靠性和準確性，提高建模與模擬的效率，提升系統模型的柔度是空管執行模擬的重要方面。
3 關鍵技術
3.1 系統整合技術
空管執行環境模擬是一個包括從飛行到管制、從空中到地面、從航路到機場的一體化的大型空中交通模擬系統，其特點主要表現為具有大量、複雜、高精度、費時的計算和資料處理，要求具有高速運算能力、高速資料交換能力、大容量的資料儲存能力以及高速圖形影象顯示能力。參考HLA 的技術標準，空管執行環境模擬構建以RTI 為核心的分散式網路體系架構，滿足互動實時性、時間一致性、系統層次性和傳輸可靠性等的要求，支援席位之間的互操作性和建模與模擬資源的可重用性，實現空管執行體系評估平臺各分系統之間，以及各分系統與半實物模擬平臺的各席位之間的協同互動，併為今後可能接入的半實物模擬系統預留介面。
3.2 飛行流模擬
空管執行模擬的基礎是合理有效的飛行流，在飛行流模擬過程中，不僅要在概率論、數理統計以及計算機軟體技術的基礎上，根據模擬需求分析航班流的分佈特徵，確定相應的資料概率分佈模型，包括起降機場的離散分佈模型、各機場航班起飛時間的泊松分佈模型、機型配比的離散分佈模型等，而且要對照實際飛行過程的管制執行規則和突發事件影響情況，對生成的模擬資料進行擬合校驗，使得航班流資料偏差在模擬需求允許的容差範圍以內。
3.3 4D 航跡推算
一切空管執行都是基於4D 航跡來展開的。4D 航跡推算不僅要根據航空器狀態資訊***速度、高度、位置、加速度、航向等***、航空器效能資料***載重、爬升率等***、環境資訊***風、溫度、壓力等***和飛行計劃進行推算，同時要考慮空中交通規則、管制指令和機組飛行意圖等因素對4D航跡的影響，而且在不同的飛行階段要與進離場航線、航線相吻合。4D 航跡推算準確度越高，模擬評估結果的可信度也就越高。
3.4 飛行姿態計算
飛行器在空中的運動，在一定的假設條件下，可以視為理想剛體的運動，遵循剛體的基本運動規律。與一般剛體運動相比，飛行器運動較為複雜，可以分解為3 個力和3 個力矩共6 個自由度來建立其運動方程。在飛行模擬中，針對飛行過程建立數學模型是一個關鍵問題，飛行動力學建模的目的是為了完成飛機6 個自由度剛體運動方程的解算，綜合飛機所受的各種力和力矩，如隨著燃油消耗而變化的飛機質量、重心以及慣性力矩，隨絕對高度變化的高空風大小和方向，發動機推力和地面接觸力等，計算出飛機的線速度和角速度並且將其轉化為飛行的6 個自由度的變化值，以此得出飛機的飛行狀態，完成飛機飛行姿態的模擬模擬。
3.5 執行評估
指標體系是評估工作的核心內容，是實現空管執行體系評估的具體可操作化的行為指南。要實現空管執行體系的準確評估，必須建立一套完整的能夠全面反映我國空管執行特點的評估指標體系，包括評估維度的確定、評價指標的選取、指標權重的確定以及評價指數的計算4 個步驟。指標體系的建立必須多方面、多角度、多層次，能夠反映空域管理使用、空管執行效能、軍民航執行協調、空管空防一體化、空管執行安全和空管系統保障等各方面，研究與確定指標體系的構成與權重是一項評估是否科學的首要步驟，而評價方法的選擇是構建空管執行指標體系後非常重要的環節。目前，國內外進行綜合評價的常用方法有評分評價法***指數法***、模糊綜合評價法和神經網路評價法等，結合空管執行實際，我們採用灰色綜合評價方法進行多指標評價。
4 系統實現
4.1 系統結構
空管執行環境模擬主要包括兩部分：空管執行體系評估平臺和半實物模擬平臺。空管執行體系評估平臺根據模擬需求，將生成的模擬資料傳送給半實物模擬平臺進行空管執行模擬，並根據半實物模擬平臺的空管執行態勢和空管執行特徵進行空管執行綜合評估。
空管執行體系評估平臺由任務規劃分系統、模擬管理分系統、空管執行綜合評估分系統和空管執行評估支撐分系統組成。任務規劃分系統根據空管執行模擬需求，編輯、設定模擬場景和各類模型引數，生成合理有效的飛行流。模擬管理分系統實現模擬執行控制、4D 航跡推算、飛行衝突探測解脫以及飛行姿態計算等功能。空管執行綜合評估分系統統計、分析空管執行態勢和特徵，實現空管執行概念評估驗證、協同機制評估驗證、空管執行安全評估、空管執行效益評估、環境影響評估、空管裝備建設需求評估和空管系統效能評估等功能。
半實物模擬平臺由塔臺模擬器、飛行模擬器和管制指揮模擬席等組成。塔臺模擬器根據軍民航塔臺的管制範圍、管制方式和管制流程，真實再現機場塔臺管制復飛和起落航線的各個環節，並與飛行模擬器和管制指揮席一起構建成完整的空管交通模擬系統。飛行模擬器用於支援模擬環境下的航空器執行，與塔臺模擬器和管制指揮模擬席進行空地協同資訊互動，包括軍航飛行模擬器、民航飛行模擬器、通航飛行模擬器和無人機控制模擬器。管制指揮模擬席是管制中心實施空域執行管理、飛行流量管理、管制指揮和飛行服務的工作平臺，顯示空域執行態勢、飛行流量態勢和空管執行特徵，模擬實現軍航管制中心、民航管制中心、通航飛行服務站和對空射擊管理終端的空管業務系統功能。
4.2 模擬流程
空管執行模擬是由飛行流驅動的，因此飛行流引擎模擬是關鍵。為了使模擬貼近實際，進而提高模擬評估結果的可信度，在飛行流模擬過程中不僅要充分考慮空中交通管理邏輯，以足夠的精確度再現全域性客觀的空中交通現象，而且還應能模擬如奧運等事件引發的區域性流量增加的航班飛行流，實現對空管系統應對突發事件能力的科學評估。航跡管理是空管執行的核心，一切行為活動都是基於4D 航跡來展開的，4D 即航班的經度、緯度、高度和時間。
4D 航跡涵蓋了航班從起飛、爬升、巡航再到下降、降落的全過程中關鍵點的位置、高度和時間。航跡預測研究通常採用兩種演算法，一是基於卡爾曼濾波或神經網路等估計演算法的無引數方法;二是建立飛行器模型, 進行飛行模擬。本文采用第二種演算法即建立飛行器模型進行航跡預測，這也是目前航跡預測研究的主流演算法。影響航跡預測的因素包括飛機效能、飛行計劃、飛行意圖、空中交通規則、大氣環境及飛機狀態等。
飛行模擬模擬是典型的人在迴路模擬系統，空管執行模擬不僅要根據作用在飛機上的力和力矩計算出飛機的6 個自由度飛行姿態資訊，還要模擬管制員與飛行員之間的空地協同資訊，以此完成飛機的飛行模擬模擬，在塔臺視景模擬器和管制指揮模擬席等半實物模擬平臺顯示空管執行態勢，在空管執行體系評估平臺進行空管執行特徵統計分析和效能評估。
5 結論
通過建立空管執行環境模擬平臺，從執行概念研究、協同機制驗證、空管執行安全、執行效益、環境影響和現行空管系統效能等多角度評估空管執行體系，能夠為優化現有空管系統的體系結構和配置，提高系統的執行管理水平，探索未來執行機制，並指導後續空管系統的規劃和設計，進而促進我國空管系統建設由技術推動型向需求牽引型過渡，為提升空管系統的建設和執行效益提供技術支援。