浅谈面向协同的空管运行仿真关键技术研究论文
1 引言
20 世纪70 年代末开始，欧美等发达国家将系统仿真方法引入到空域和机场管理中来，一开始主要用于评估机场容量和航班延误的研究，后来逐渐扩展到对整个机场地面和空域管理的研究和评估。随着我国军民航以及通用航空的迅速发展，空中飞行流量迅速增长，空域日益繁忙和拥挤。航空活动的多元化发展趋势，导致空域飞行的复杂性增强，对提高空中交通运行效率提出了更高要求，空管系统建设和运行中越来越重视对仿真方法的运用。
本文构建了一个面向空地协同的空管运行环境仿真平台，探究复杂条件下空地协同决策中的人为因素以及协同工具的效能，为空管运行保障机制研究，空管运行新模式、新概念的评估验证，空管系统效能分析，空管装备体系建设的需求分析和关键技术验证，以及新技术在空管系统中的适用性与可用性等提供仿真运行环境和评估手段，为我国空管系统运行及未来的设计规划提供技术支持。
2 需求分析
2.1 空管运行中的协同
ICAO 和欧美等航空强国已经提出了面向未来的下一代空管运行新概念。ICAO 全球2020 年空管运行目标是在全球范围建立一种全新的一体化、互操作和无缝隙的空管运行模式;欧洲单一天空计划(SESAR)中提出了“空管的运行从基于空域的环境向基于航迹的环境转变”、“加强人的核心地位”等空管新理念，安全管理和管制运行责任从地面到空中进行部分转移，支持航空器的自主飞行服务能力和空地协同运行能力;美国联邦航空局(FAA)提出的下一代航空运输系统计划( NextGen ， Next Generation Air TransportationSystem)包括三方面内容：一体化协同运行、空管综合信息整合(SWIM)和基础设施支撑。围绕飞机、空间和地面设施，提高各类空管系统之间信息共享和自动化处理程度，支持各种业务领域之间实施协同决策(CDM)，利用先进的辅助管理工具和地空信息共享，提高飞行的安全性和效率，降低能源消耗，为旅客提供更多的选择，减少飞行时间和运行成本，提供更多的服务内容。
2.2 协同的人为因素
在现代航空活动中，人—飞机—环境是构成航空系统的三个最主要的因素。无论航空器多么先进，自动化程度有多高，“人”始终都是航空活动的主体。随着有限空域资源的不断消耗和竞争加剧，单纯依靠扩大空域范围和渐进式调整基础设施已无法从根本上解决空中交通拥挤问题。协同决策(Collaborative Decision Making，CDM)就是一种通过相互协调来挑战资源限制、提高空域使用率、满足空域多方用户需求的有效方法。空中交通管理协同决策建立在机场运营人、管制服务机构、飞行计划和机组等飞行运营人、空域用户、军队等参与各方之间的信息共享和公共态势感知基础之上，需参与各方的合作。协同决策中参与各方的目标、资源和能力是信息交换和协商的基础，信息交换又是操作人员之间公共态势感知和协调的基础。飞行员与管制员通过信息交换共同确定航空器飞行期间的所有活动及所需的合作行为。空地协同决策中的人为因素是确保空中交通安全、顺畅的重要因素。
2.3 意图信息处理
现代航空活动是以人为中心的自动化操作，人的意图信息直接影响到对航空器未来位置的推算。通常空管意图信息包括飞行计划、管制员的指令或许可(即管制意图信息)、飞行员的操作(即飞行意图信息)。缺少空管意图信息而建立的航空器运动仿真将无法反映航空器的实际飞行性能和状态。
空管运行的协同中，飞行员在驾驶航空器时的意图、意向通过通信设备与其他航空器和地面自动化系统进行交换;地面管制员保证空中航空器安全、有序运行，防止航空器之间相撞的安全管制意图，以及加快并保持空中交通合理、有次序流动的流量控制意图，通过塔台席位和管制指挥席位进行交换，并通过网络将管制意图信息进行共享。
2.4 仿真技术
系统仿真是通过建立仿真模型，在计算机上再现真实系统，并模拟真实系统的运行过程而得到系统解的研究方法。作为分析评价现有系统运行状态或优化设计未来系统性能与功能的一种技术手段，已广泛应用于航空、航天、军事、电子、通讯等众多领域，成为许多复杂系统工程分析、设计、试验、评估等不可缺少的重要手段。系统仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性新技术。仿真按所用模型的不同，分为数学仿真、半实物仿真和物理仿真三种类型。在计算机上进行的数学仿真，又称计算机仿真，若有实物接入模型，称为半实物仿真。
空管运行仿真用计算机实现任务规划、仿真管理和空管运行综合评估的数学仿真，用塔台模拟器、飞行模拟器和管制指挥模拟席进行半实物仿真。空管运行仿真应具有通用性，能满足各种运行条件下的仿真需求，既要符合空中交通运行规则，又要能够调整仿真评估粒度，可以进行不同层次、不同粒度的全局性宏观仿真和微观仿真。确保仿真结果的可靠性和准确性，提高建模与仿真的效率，提升系统模型的柔度是空管运行仿真的重要方面。
3 关键技术
3.1 系统集成技术
空管运行环境仿真是一个包括从飞行到管制、从空中到地面、从航路到机场的一体化的大型空中交通仿真系统，其特点主要表现为具有大量、复杂、高精度、费时的计算和数据处理，要求具有高速运算能力、高速数据交换能力、大容量的数据存储能力以及高速图形图像显示能力。参考HLA 的技术标准，空管运行环境仿真构建以RTI 为核心的分布式网络体系架构，满足交互实时性、时间一致性、系统层次性和传输可靠性等的要求，支持席位之间的互操作性和建模与仿真资源的可重用性，实现空管运行体系评估平台各分系统之间，以及各分系统与半实物仿真平台的各席位之间的协同交互，并为今后可能接入的半实物仿真系统预留接口。
3.2 飞行流仿真
空管运行仿真的基础是合理有效的飞行流，在飞行流仿真过程中，不仅要在概率论、数理统计以及计算机软件技术的基础上，根据仿真需求分析航班流的分布特征，确定相应的数据概率分布模型，包括起降机场的离散分布模型、各机场航班起飞时间的泊松分布模型、机型配比的离散分布模型等，而且要对照实际飞行过程的管制运行规则和突发事件影响情况，对生成的模拟数据进行拟合校验，使得航班流数据偏差在仿真需求允许的容差范围以内。
3.3 4D 航迹推算
一切空管运行都是基于4D 航迹来展开的。4D 航迹推算不仅要根据航空器状态信息(速度、高度、位置、加速度、航向等)、航空器性能数据(载重、爬升率等)、环境信息(风、温度、压力等)和飞行计划进行推算，同时要考虑空中交通规则、管制指令和机组飞行意图等因素对4D航迹的影响，而且在不同的飞行阶段要与进离场航线、航线相吻合。4D 航迹推算准确度越高，仿真评估结果的可信度也就越高。
3.4 飞行姿态计算
飞行器在空中的运动，在一定的假设条件下，可以视为理想刚体的运动，遵循刚体的`基本运动规律。与一般刚体运动相比，飞行器运动较为复杂，可以分解为3 个力和3 个力矩共6 个自由度来建立其运动方程。在飞行模拟中，针对飞行过程建立数学模型是一个关键问题，飞行动力学建模的目的是为了完成飞机6 个自由度刚体运动方程的解算，综合飞机所受的各种力和力矩，如随着燃油消耗而变化的飞机质量、重心以及惯性力矩，随绝对高度变化的高空风大小和方向，发动机推力和地面接触力等，计算出飞机的线速度和角速度并且将其转化为飞行的6 个自由度的变化值，以此得出飞机的飞行状态，完成飞机飞行姿态的模拟仿真。
3.5 运行评估
指标体系是评估工作的核心内容，是实现空管运行体系评估的具体可操作化的行为指南。要实现空管运行体系的准确评估，必须建立一套完整的能够全面反映我国空管运行特点的评估指标体系，包括评估维度的确定、评价指标的选取、指标权重的确定以及评价指数的计算4 个步骤。指标体系的建立必须多方面、多角度、多层次，能够反映空域管理使用、空管运行效能、军民航运行协调、空管空防一体化、空管运行安全和空管系统保障等各方面，研究与确定指标体系的构成与权重是一项评估是否科学的首要步骤，而评价方法的选择是构建空管运行指标体系后非常重要的环节。目前，国内外进行综合评价的常用方法有评分评价法(指数法)、模糊综合评价法和神经网络评价法等，结合空管运行实际，我们采用灰色综合评价方法进行多指标评价。
4 系统实现
4.1 系统结构
空管运行环境仿真主要包括两部分：空管运行体系评估平台和半实物仿真平台。空管运行体系评估平台根据仿真需求，将生成的仿真数据发送给半实物仿真平台进行空管运行仿真，并根据半实物仿真平台的空管运行态势和空管运行特征进行空管运行综合评估。
空管运行体系评估平台由任务规划分系统、仿真管理分系统、空管运行综合评估分系统和空管运行评估支撑分系统组成。任务规划分系统根据空管运行仿真需求，编辑、设定仿真场景和各类模型参数，生成合理有效的飞行流。仿真管理分系统实现仿真运行控制、4D 航迹推算、飞行冲突探测解脱以及飞行姿态计算等功能。空管运行综合评估分系统统计、分析空管运行态势和特征，实现空管运行概念评估验证、协同机制评估验证、空管运行安全评估、空管运行效益评估、环境影响评估、空管装备建设需求评估和空管系统效能评估等功能。
半实物仿真平台由塔台模拟器、飞行模拟器和管制指挥模拟席等组成。塔台模拟器根据军民航塔台的管制范围、管制方式和管制流程，真实再现机场塔台管制复飞和起落航线的各个环节，并与飞行模拟器和管制指挥席一起构建成完整的空管交通仿真系统。飞行模拟器用于支持仿真环境下的航空器运行，与塔台模拟器和管制指挥模拟席进行空地协同信息交互，包括军航飞行模拟器、民航飞行模拟器、通航飞行模拟器和无人机控制模拟器。管制指挥模拟席是管制中心实施空域运行管理、飞行流量管理、管制指挥和飞行服务的工作平台，显示空域运行态势、飞行流量态势和空管运行特征，模拟实现军航管制中心、民航管制中心、通航飞行服务站和对空射击管理终端的空管业务系统功能。
4.2 仿真流程
空管运行仿真是由飞行流驱动的，因此飞行流引擎仿真是关键。为了使仿真贴近实际，进而提高仿真评估结果的可信度，在飞行流仿真过程中不仅要充分考虑空中交通管理逻辑，以足够的精确度再现全局客观的空中交通现象，而且还应能模拟如奥运等事件引发的局部流量增加的航班飞行流，实现对空管系统应对突发事件能力的科学评估。航迹管理是空管运行的核心，一切行为活动都是基于4D 航迹来展开的，4D 即航班的经度、纬度、高度和时间。4D 航迹涵盖了航班从起飞、爬升、巡航再到下降、降落的全过程中关键点的位置、高度和时间。航迹预测研究通常采用两种算法，一是基于卡尔曼滤波或神经网络等估计算法的无参数方法;二是建立飞行器模型, 进行飞行模拟。本文采用第二种算法即建立飞行器模型进行航迹预测，这也是目前航迹预测研究的主流算法。影响航迹预测的因素包括飞机性能、飞行计划、飞行意图、空中交通规则、大气环境及飞机状态等。
飞行仿真模拟是典型的人在回路仿真系统，空管运行仿真不仅要根据作用在飞机上的力和力矩计算出飞机的6 个自由度飞行姿态信息，还要模拟管制员与飞行员之间的空地协同信息，以此完成飞机的飞行模拟仿真，在塔台视景模拟器和管制指挥模拟席等半实物仿真平台显示空管运行态势，在空管运行体系评估平台进行空管运行特征统计分析和效能评估。
5 结论
通过建立空管运行环境仿真平台，从运行概念研究、协同机制验证、空管运行安全、运行效益、环境影响和现行空管系统效能等多角度评估空管运行体系，能够为优化现有空管系统的体系结构和配置，提高系统的运行管理水平，探索未来运行机制，并指导后续空管系统的规划和设计，进而促进我国空管系统建设由技术推动型向需求牵引型过渡，为提升空管系统的建设和运行效益提供技术支持。
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