机场塔台管制仿真系统核心计算模块的建模及实现.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.94M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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交通运输工程与信息学报第 8 卷第 1 期 2010 年 3 月 Journal of Transportation Engineering and Information No.1 Vo1.8 Mar.2010 机机场场塔塔台台管管制制仿仿真真系系统统核核心心计计算算模模块块的的建建模模及及实实现现李楠刘刚王林中国民航大学，空中交通管理研究基地，天津 300300 摘要：本文主要研究了塔台仿真模拟机空中部分的核心计算模型，介绍了塔台仿真系统的主要结构，重点详细阐述了仿真计算核心的设计，仿真模型的建立，以及实现流程。同时，为了使系统更加灵活，程序可扩展性更强，能够满足复杂大型机场模拟需求，根据飞行阶段的特点和飞行机动形式，分别建立模型进行仿真计算，从而使模拟飞行更加真实。关键词：塔台管制；计算模型；飞行仿真中图分类号：V355 文献标识码：A 文章编号：1672-4747（2010）01-0039-05 Modeling and Implementation of the Core Calculation Model of Aerodrome Control Simulation System LI Nan LIU Gang WANG Lin Air Traffic Management Research Center， Civil Aviation University of China, Tianjin300300, China Abstract：This article has mainly studied the core computation model of the aerodrome control simulation system, and introduced the control tower simulation system's primary structure, elaborated in detail the simulation computation core's design, simulation 收稿日期：2009-04-25. 基金项目：国家自然基金重点项目（60832011），中国民航大学科研基金项目（07KYM10），中央高校基本科研业务经费（ZXH2009D004）。作者简介：李楠（1978−），女，汉族，辽宁抚顺人，中国民航大学空中交通管理研究基地讲师，主要研究方向为空中交通管理自动化及仿真技术。 39

交通运输工程与信息学报 2010 年第 1 期 model's establishment, as well as realization of the process. At the same time, in order to make the system more flexible and more scalable to meet the complex needs of the large-scale simulation of the airports, according to the flight phase and flight characteristics of the mobile form, the models were established and their simulation calculation were carried out respectively, which make the simulation more realistic. Key words：Aerodrome control, computation model, special flight, simulation 0 引言家已经成为空管新技术实验、空管训练、评估、规划系统的重要组成部份。机场塔台管制仿真系统是一个面向现代空管教育和实际生产的要求的系统。它采用虚拟现实技术构建以机场塔台视景仿真为中心，通过分布交互实 1 系统体系结构时网络，真实模拟机场塔台管制各个环节，构成了塔台仿真系统就是借助计算机技术、系统仿真技一套复杂实时的仿真系统，为管制人员培训提供一术、电子和机械技术等逼真地再现空中交通塔台管制个虚拟仿真训练环境[1]。塔台模拟仿真系统有很广泛的实际工作环境，以较低的成本换取良好的评估、实的用途：能在新建、扩建机场前，事先测试机场的验研究效果或训练效果的一种计算机模拟仿真系统。流量容仿真评估；测试和分析现有或新提出的机场塔台仿真系统由实时视景生成器及控制子系统、投影管制规范的效能；对塔台管制员进行管制训练。塔子系统、内话子系统、计算服务器子系统，席位子系台模拟仿真系统组建成为制定、验证机场管制模型统组成。系统物理组成结构如图 1 所示。和塔台管制新技术方案测试的重要工具。在先进国视景工作站视景工作站视景工作站视景工作站 360 度圆形柱幕视景工作站视景工作站视景工作站视景工作站管制员席交换机视景控制位飞行员席位话筒和耳麦图１塔台仿真系统组成结构 Fig.1 Physical composition of the system 中心计算服务器 40

机场塔台管制仿真系统核心计算模块的建模及实现李楠等其中，席位子系统为了满足复杂大型机场管制训特性可以把飞机的运动分为起飞模型、降落模型、路练需求又分为教员席位、塔台管制员席位、机长席位、径飞行模型、转弯模型、盘旋模型。地面管制员席位和车辆席位。因为塔台仿真模拟机主要关注飞机的起飞离场塔台仿真系统是一个复杂的系统，模型对此系统和进场降落，对于巡航段的关注不是很多，同时，塔就有着非常重要的作用。视景中的场景模型、航空器台仿真模拟机还关注一些特殊情况，例如，飞起落航模型等直接影响到显示的效果和使用者的沉浸感；软线、复飞、低空通场、中断起飞等。所以，根据塔台件模型影响到软件的稳定性和扩展性；仿真计算核心模拟机的特点还需要建立特殊飞行模块（包括起落航的大气模型、航空器性能数据模型、运动模型等直接线模型、偏置飞行模型、复飞模型、等待模型、低空影响到系统的逼真度。这些模型共同决定着系统的成通场模型）。败。本文重点是核心仿真计算部分模型的建模及实 2.2 起飞模型的建立现，将在下面进行详细的讨论。 2 空中核心计算模块的建模航空器的起飞是指从开始在跑道上滑跑到离开地面上升到起飞安全高度 H(离地 15m)并加速到安全起飞速度的过程。塔台仿真系统中的核心计算模块决定着仿真系飞机性能主要是采用能量法对飞机进行分析。能统的逼真度，在仿真系统中起着至关重要的作用。但是，由于飞机性能参数的局限性只能把飞机的整个飞行过程看成一个混合系统，即按照飞机的飞行特性将整个飞行过程进行划分。各个状态之间是离散独立的系统，而状态之间的转换则是连续的。这样做既能在一定程度上保持仿真的逼真度，同时又能减少计算服务器的计算量，增加了代码的充分利用率，使程序更加灵活。从宏观上看影响航空器航迹的因素是多方面的：如航空器性能、飞行计划、驾驶员操作差异、空中交通规则限制、大气环境及航空器状态等，而其中飞机性能对仿真逼真度的影响最为明显，同时，飞机的性能又和大气环境相关联，所以，需要建立飞机性能模型和大气数据模型。 2.1 核心计算模块建模飞机性能的计算根据飞行航段的不同需要采用不同的计算，所以，进行飞机性能的建模需要根据飞行特性对整个飞行航段进行分类。一般来说，根据飞行特点可以将飞行阶段划分成十个阶段[2]，分别是起量法是将飞机看作一个质点，作用在飞机上的合外力所做的功等于飞机的动能和势能的增量[3]： ( T D V · − ) TAS = m g h d t d + mV TAS d V TAS h d ⎛ ⎜ ⎝ ⎞ ⎛ ⋅ ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ h d t d ⎞ ⎟ ⎠ 我们在对起飞过程进行建模时，一般分为以下三个阶段进行建模：（1）加速滑跑阶段；（2）抬前轮阶段；（3）离地爬升。为了模拟出航空器起飞滑跑时的变加速运动，我们在每一个仿真时钟周期采用不同的加速度来计算[4]。随着滑跑速度的增大，阻力也随之增大，航空器的起飞滑跑速度逐渐增大，而加速度成递减的趋势，因此，我们采用公式 a t ( ) = a max × f t ( ) 来表示这个递减过程。 t 是随时间递减的函数，取值范围为 0 ( ) < f t ( ) 1 < ； f 设航空器 t0 时刻的状态为 ( x y z h p ，其中， 0x ， 0 0 0 0 0 , , , , ) 0y 表示飞机的位置； 0z 表示飞机的高度； 0h 表示飞机的高度； 0p 表示飞机的姿态角。每一个仿真时钟周期为 Δ t 在 t 0 + Δ t 时刻，运动目标的状态为 ( x y z h p 。加速滑跑，抬前轮和离地爬升阶段的 t ) , , , , t t t t 飞滑跑段、起飞段、初始爬升段、入航爬升段、巡航模型分别用公式（ 1 ）、（ 2 ）、（ 3 ）给出。爬升段、巡航段、初始下降段、进近下降段、最后下当飞机在跑道头收到起飞指令后，开始滑跑降段和着陆段。结合各个飞行阶段特点和飞机的机动阶段。 41

交通运输工程与信息学报 2010 年第 1 期 t t v t x y z h t p t t ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ t a ( ) × Δ t ) ( v v + t 0 ) ( v v + 0 t / 2 / 2 × Δ × × Δ × t t cos( sin( + + + = = = = = = 0 v 0 x 0 y z h 0 0 0 ) ) （1）真北方向顺时针量到飞机机头的角度）的单位向量 ˆψ 和该机位置相邻的前后两个关键点组成的航向φ（指 h h 0 0 当 tV ≥ RV 时，滑跑阶段结束，进入抬前轮阶段。抬前轮阶段的运动模型为： t t v t x y z h t p t t ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ v t v t ) ) / 2 / 2 × Δ × × Δ × t t cos( sin( 0 + + + v 0 x 0 y 0 h = = = = = = Δ × t 0 t a × Δ ( v + 0 ( v + 0 2.5 h h 0 0 ) ) （2）当 tV ≥VLOF 时，抬前轮阶段结束，进入离地爬升阶段。离地爬升阶段的运动模型为： v x y z h p t t t t t t ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ = = = = = = 0 v 0 x 0 y z h 0 p 0 0 + × Δ + + + + + + a ( v 0 ( v ( v 0 0 t a , ) v t ) v ) v t t 0 ≥ / 2 / 2 / 2 × × × p cos( t p cos( p sin( t t ) × Δ × ) × Δ × t ) × Δ t t + p rate × Δ t p , 0 > 0 h cos( h sin( t t ) ) （3） 2.3 路径飞行模型民航飞机一般是按照飞行计划中的航路点进行飞行，这种飞行称为路径飞行。路径飞行是空中交通从真北方向顺时针量到航段连线的角度）的单位向量 φˆ 。路径相关度是它们的内积： ( )L t ψ φ= ⋅ 。如图 2 所 ˆ ˆ 示，当飞机在位置 P1 时，它的航向向量是ψ，航段 TP0—TP1 的航向向量是φ1，航段 TP0—TP3 的航向向量是φ2，飞机与两个航段的路径相关度分别是 ˆ ( )L t ψ φ= ⋅ ， 2 1 1 ˆ ( )L t ψ φ= ⋅ 。如果 L1(t)>L2(t)，则飞机飞 2 ˆ ˆ 向关键点 TP1；如果 L1(t)>L2(t)，则飞机飞向关键点 TP3。当飞机位于 P2 位置时，假定飞机的航向向量是ψ，航段 TP1—TP2 的航向是φ3，航段 TP1—TP4 的航向是φ4，则飞机与两个航段的路径相关度分别是， 3 ˆ ( )L t ψ φ= ⋅ ， 4 3 ˆ ( )L t ψ φ= ⋅ 。如果 L3(t)>L4(t)，则飞 4 ˆ ˆ 机会直飞关键点 TP4 而不经过关键点 TP2。 y ψ TP1 TPO 1φ φ1 TP1 ψ P2 2φ φ2 TP3 TP2 3φ φ3 4φ φ4 图 2 飞行路径 Fig.2 Flight paths TP4 x 管制仿真中常用的一种飞行模式。整个路径飞行过程可以看成是航空器从当前位置飞到下一个关键点，直 2.4 等待模型到最后一个关键点。目前，塔台仿真系统中用的方法等待程序是指航空器为等待进一步飞行许可而是，按照飞行计划给出航空器要飞过的点集，在程序保持在一个规定空域内的预定的机动飞行，从而保证中解析或得每一个航段航空器的航向，航空器在每个航空器按规定程序安全而有秩序的飞行 [5] 。按照航段按照该航向飞行。然而，如果想要更加灵活的模 ICAO 规定，飞机加入等待程序的方法根据其所在的拟飞行器飞行该方法显得有些不足，因为，在实际飞扇区的不同相应的分为三种进入方法。图 3 是三种等行中进离场飞行有时并不是完全按照进离场标准程待程序进入方式。序进行的，有时会根据实际需要掠过一两个关键点。等待程序的设计：在模拟加入起落航线时因为可以直接加入三边，四边 1）按照国际民航组织 8168 文件规定标准等待程和五边，形式比较灵活，按照固定路径的飞行模式也序在海拔高度 14 000ft 或以上入航时间为 60 s，高于不能实现。所以，本文提出在需要进行灵活飞行时，此高度为 90 s；在等待点作 180 度标准转弯的转弯率比如加入起落航线时，可以采用通过判断航向的相关为 3°/ s。度进行选择航空器飞行路径。 2）出航飞行计时的开始是在转至出航航向或正决定路径相关度的水平变量是飞机航向ψ（指从切定位点，以发生较晚者为准。 42

机场塔台管制仿真系统核心计算模块的建模及实现李楠等扇区 1 平行进入 70° 70° 扇区 3 直接进入图 3 等待程序 Fig.3 Holding procedure 2.5 性能模型数据选择和大气模块的建立飞行器性能指的是与航空器气动性能、发动机性能、载重、航程相关的参数，包括航空器在不同姿态下的升力系数、阻力系数，发动机所在的不同高度、不同环境温度、不同推力输出情况下的耗油率，以及航空器重量、经济巡航速度、最大航程等。目前主要的飞行器性能模型有 CTAS 和 Eurocontrol 的 BADA (Base of Aircraft Data)[6]。 BADA 是一个航空器性能数据库，由 Eurocontro Experimental Center 负责开发和维护，每年更新一次。 3）转弯切入入航边时，采用 30°夹角切入。目前，BADA 直接支持 91 种航空器型号，另外有 204 4）模拟的等待方向为标准等待程序的方向，即种型号的航空器被指定等同于直接支持的 91 种中的飞机过等待点后右转出航。一种。BADA 最大的特点在于其开放性可以通过一定当收到加入等待指令后，飞机由当前航向转弯到应的规则申请获得 BADA 数据。本文中的飞机性能建飞等待点航向，然后根据飞机此时与等待点的相对位模以 BADA 性能数据库为基础。置，判断出飞机所处的扇区和相应采取的飞行方法。气象要素与航空飞行之间有着密切联系，气压和飞机在三个扇区分别加入等待程序算法流程温度会影响发动机性能，风直接对飞行器产生作用力如图 4：扇区 1：过等待点转至出航航向，直飞 60s 扇区 2：过等待点转至出航航向小 30 度的航向，直飞 60s 扇区 3：逆时针转变飞行等待点顺时针转变飞行等待点直接飞向等待点过等待后连续右转 180°或修正后的角度至出航边恶劣气象环境影响飞行安全，所以要对飞机飞行过程进行模拟，必须获取大气环境信息。本文中的大气环境模型主要用于计算在不同高度大气的温度、密度、压强等参数，为飞机性能模块的计算数据提供精确的大气信息。在此并没有考虑风的因素，如果要考虑风的因素，只需在飞机性能模块中把风速的航向上的影响叠加到真空速中即可。直飞 60 秒或 90 秒顺时针转至入航航向直飞等待点继续等待 N 退出等待 Y 3 结束语机场塔台管制仿真系统空中部分的计算通过将复杂的飞行过程进行分类简化，建立相应的模型再通过叠加来实现整个空中飞行过程的模拟。对起飞模型，路径飞行和等待程序的建模进行了详细的论述。在路径飞行模型中提出了需要灵活飞行时通过路径相关度来选择关键点的方法，该方法可用于模拟加入起落航线和固定航路点飞行与自由飞行相结合的飞行中，使机场塔台管制仿真系统更加灵活逼真，可以图 4 加入等待程序的算法流程满足管制员多样化培训的需求。 Fig.4 Algrithm flow adding the holding procedure 下转第 74 页 43

交通运输工程与信息学报 2010 年第 1 期通流预测是可行的。缘交叉学科领域。３结论在预测模型中一个重要方面就是预测因子的选择，本论文只是讨论了交通流多维时间序列数据本身的建模和预测，然而交通流的短时变化规律会受到外城市道路交通系统是一个复杂大系统，道路网的界影响因素的影响，因而在预测过程中这些外界因素交通流受到人、车、路和环境等各种复杂因素的影响对预测结果产生多大影响，即敏感性分析问题以及如而时刻变化着。基于实时数据的道路网短时交通流预何在预测模型中包含这些影响因素方面还需要进一测问题是一个含有大量复杂因素的问题，需要数据挖掘、交通流理论等多个学科知识的交叉应用，属于边步的研究。参考文献 [1] 陆婕，顾圣士，蒋馥．多维时间序列在相空间 series[J]．Physica D，1997，110(5)：43-50．重构中的应用[J]．洛阳大学学报，2002，17(2)：9-13． [2] 马军海．复杂非线性系统的重构技术[M]．天津： [5] Cao Liangyue, Mees Alistair Judd Kevin. Dynamics from multivariate time series[J]．Physics D，1998，天津大学出版社，2005． 121(1~2)：75-88． [3] 吕金虎，陆君安，陈士华．混沌时间序列分析及其 [6] 曾建潮，介靖，崔志华．微粒群算法[M]．北京：应用[M]．武汉：武汉大学出版社，2002．科学出版社，2004． [4] Cao Liangyue．Practical method for determining the [7] 侯志荣，吕振肃．基于 Matlab 的粒子群优化算法 minimum embedding dimension of a scalar time 及其应用[J]．计算机仿真，2003，20(10)：68-70．上接第 43 页参考文献（中文编辑：刘娉婷） [1] 蔡绍军．塔台管制训练仿真系统网络体系架构的中国民航大学，2009．研究[D]．天津：中国民航大学，2008． [5] 中国民民航局．MH/T 4023-2007 目视和仪表飞行 [2] 国际民航组织．ICAO DOC8168-OPS/611．空中航行服务程序—— 航空器运行（第一卷）飞行程序（第四版）[S]．国际民航组织 2003． [3] 陈治怀．飞行性能工程[M]．北京：中国民航出版社，1993，59-60 [4] 宋英伟．基于意图信息的塔台仿真计算[D]．天津： 74 程序设计规范[S]．国际民航局 2007． [6] European Organization the Safety of Air Navigation Eurocontrol. User Manual For The Base of Aircraft (BADA) Revision 3.6[Z] ． European for Organization for Eurocontrol． the Safety of Air Navigation （中文编辑：吴继屏）

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