CN104503824B - 一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统，根据民航规范要求，通过计算机网络的信息交互，在指定空域内建立飞行模拟环境，模拟验证时间段内该指定空域的航班飞行，以准确描述该指定空域内交通态势的演变过程；该系统包括飞行环境模拟单元、飞行计划单元、航班管理单元、飞行驾驶单元和空域监视单元。本发明中，空管监视单元为管制员预留的人机交互接口界面、飞行控制器为操作人员保留的手动驾驶功能，不仅可以在一定范围和程度上动态调整实验进程，也使验证内容更加全面和细致，一定程度上实现了“人‑机‑环”一体化的民航飞行技术模拟验证，提高验证实验的真实性和结果的有效性。

Description

一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统

技术领域

本发明涉及一种民航飞行技术和空域协同管理的分析与验证系统，特别一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统。

背景技术

一直以来，民航飞行新技术被视为是解决有限空域资源和航班快速增长之间矛盾的重要手段。然而，航空飞行的高风险属性决定了民航通常会非常慎重的对待飞行新技术。事实上，任何一项民航飞行新技术，从概念的提出到技术的大规模应用推广过程中，需要不同层面的理论分析和系统验证。其核心就是飞机自身的飞行性能和其在空域内的协同飞行能力是否能够满足飞行安全的要求，这也是决定民航飞行新技术的推广应用成败的关键。

但由于缺少完备的基础数据和分析验证手段的支持，民航现阶段还主要采用大量的实飞测试进行飞行新技术应用前的分析验证。这样做一方面能够获取丰富而可靠的基础数据，支持理论分析；另一方面现阶段民航也只能通过实际飞行测试来验证理论结果的合理性。随着飞行新技术推出速度的加快，这种耗时长、成本高、风险大的分析验证手段已成为阻碍民航快速发展的主要因素之一。

半实物仿真是一种针对实际过程的实时仿真技术，更具有经济性、真实性的特点。文献[1]～[3]利用dSPACE、xPC等通用半实物仿真平台，开展无人机控制系统的仿真和验证。近年来，随着飞行模拟软件日趋成熟，基于飞行模拟软件的半实物仿真技术已应用于无人机飞行控制技术的研究中。文献[4]和[5]利用X-Plane构建的半实物仿真系统开展小型无人机飞行控制算法的研究。但目前相关研究更加关注飞行器自身的控制技术。

民航的飞行技术更加关注空域内机群的整体协调控制能力，因此对于这种面向民航机队的飞行技术的分析验证，不仅需要验证飞机自身的飞行能力，更需要验证飞行技术的改变对空域内飞机间的相互影响。建立一个符合民航飞行规范和空域运行环境的模拟系统，满足民航所有机型飞机实现符合规范的可控飞行，实现飞行技术应用前期分析验证的低成本、低风险和高效率是解决问题的有效手段。

参考文献：

[1].谢道成，王中伟，程见童，曾庆华.基于dSPACE的飞行器控制半实物仿真系统快速搭建[J].宇航学报,2010,31(11):2557-2562.

[2].王翌丞，胡延霖，陈雄，阎永禄.基于xPC目标的无人机飞控半实物仿真技术研究与应用[J].舰船电子工程,2011,31(6):112-114.

[3].邓红德，鲍鑫，吴佳楠.小型无人机飞控系统半实物仿真平台实时性研究[J].测控技术,2012,31(1):121-123.

[4].Santos,S.R.B.,Nascimento,C.L.Jr.,Givigi,S.N.Jr.,Bittar,A.,Oliveira,N.M.F.Modeling of a Hardware-In-The-Loop simulator for UAV autopilotcontrollers[C].21th International Congress of Mechanical Engineering,2011.

[5].Adriano Bittar.Hardware-In-the-Loop Simulation with X-Plane ofAttitude Control of a SUAV Exploring Atmospheric Conditions[J].Journal ofIntelligent&Robotic Systems,2014,73(1-4):271-287.

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统，是一种可以真实反映指定空域内飞机飞行状态和空中交通态势演化的模拟系统，在此系统上可以开展民航飞行新技术应用前的理论分析和验证工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统，根据民航规范要求，通过计算机网络的信息交互，在指定空域内建立飞行模拟环境，模拟验证时间段内该指定空域内的航班飞行，准确描述该指定空域内交通态势的演变过程，以开展面向民航空管的飞行新技术应用前的理论分析和技术验证；该系统包括飞行环境模拟单元、飞行计划单元、航班管理单元、飞行驾驶单元和空域监视单元：所述飞行环境模拟单元，在指定空域内建立符合民航空管规则和基本飞行约束的飞行模拟环境；所述飞行计划单元，为在指定空域内飞行的各架飞机设定飞行所需的参数；所述航班管理单元，按照航班时刻触发相应飞机飞行；所述飞行驾驶单元，控制飞机按照飞行计划在指定空域内飞行；所述空域监视单元，实时监视分析指定空域内交通态势，实时记录飞机的飞行数据。

所述飞行环境模拟单元包括气象环境建立模块、地面支持环境建立模块、空域环境建立模块和飞行环境更新模块，气象环境建立模块根据温度、风速和风向建立气象环境，地面支持环境建立模块根据陆基导航台位置、类型和频率建立地面支持环境，空域环境建立模块根据空域结构、航线、高度层、飞机间隔和飞行程序建立空域环境，飞行环境更新模块根据气象环境、地面支持环境、空域环境和航行情报更新飞行模拟环境。所述飞行环境模拟单元通过自行开发的飞行模拟软件接口程序，按照将要进行飞行技术验证的内容要求，设置指定空域范围、空域结构、航线、高度层划分、飞行间隔等空管规则和飞行的基本约束，如果指定空域是机场终端区，还应包括相应机型的进离场飞行程序等。本单元建立的环境以及相应的约束是整个面向民航空管的飞行技术分析验证系统有序运行的基本准则。

所述飞行计划单元包括飞行计划制定模块、飞行轨迹和参数优化模块，在飞行环境模拟单元建立的飞行模拟环境下，飞行计划制定模块按照民航飞行计划制定的规范流程为各架飞机制定飞行轨迹和参数，飞行轨迹和参数优化模块对飞行计划制定模块制定的飞行轨迹和参数进行优化。飞行计划单元以系统所建模拟飞行环境为基础，参照所验证的飞行技术要求和民航飞行计划规范流程，制定出每个航班的飞行轨迹参数；所制定的参数将作为飞行驾驶单元控制飞机飞行的基本依据。

所述航班管理单元包括航班数据库和航班飞行触发器，航班数据库用于存储包括航班号、航班时刻、飞机型号、飞机识别码、所属航空公司在内的航班信息，航班飞行触发器根据航班数据库中的航班时刻，通过网络触发各架飞机飞行，并将航班信息发送给飞行驾驶单元。航班时刻、飞机型号、飞机识别码、所属航空公司等，根据验证需要编制，保存于航班数据库；当航班时刻与系统时钟相匹配时，航班飞行触发器启动工作，根据该航班的飞机型号选择飞行驾驶单元中相应的、处于等待状态的飞行控制器，触发其工作，并将航班信息赋给该飞行控制器。

所述飞行驾驶单元是一个具有独立控制不同型号飞机飞行的半实物仿真系统，包括飞行模拟工作站和飞行控制器，飞行模拟工作站通过串口和USB与飞行控制器连接，USB用于飞行控制器向飞行模拟工作站发送飞行的控制指令，串口用于飞行模拟工作站向飞行控制器反馈飞机的飞行参数。

飞行模拟工作站是运行飞行模拟软件、软件接口程序的计算机系统，其中的飞行模拟软件主要为飞行技术验证提供飞行仿真环境和飞机，可以采用微软飞行模拟；软件接口程序实现飞行模拟软件与飞行控制器和系统其它单元的数据交互。

所述飞行控制器包括自动驾驶模块和手动驾驶模块，自动驾驶模块是一个满足飞行技术验证要求的单片机系统，比如采用DSP28335型号的单片机，自动飞行的控制策略和控制算法内置于单片机系统内；由于不同机型飞机控制策略和控制算法不同，各机型飞机的自动驾驶模块相互独立，为了满足面向民航空管的飞行技术验证要求，在飞行控制器中对每一种机型飞机设计一个自动驾驶模块，但各种机型飞机共用一个手动驾驶模块；自动驾驶模块控制飞机按照飞行计划单元预先设定的飞行轨迹飞行，或根据空域监视单元发出的空管指令调整飞机飞行。

手动飞行时，单片机系统仅用于为显示仪表提供实时飞行数据；自动飞行时，整个飞行过程将由单片机系统内的飞行控制算法实现；无论飞行控制器选择手动飞行还是自动飞行，飞行控制指令均通过USB发送至飞行模拟软件，而飞机的飞行状态信息一方面通过串口反馈给飞行控制器，另一方面通过网络发送给空域监视单元。手动飞行对所有机型通用，操作人员必须熟悉本次飞行验证要求。自动飞行将按照飞行计划单元中的预先设定飞行，也可以响应空域监视单元发出的管制指令。

所述空域监视单元包括实时飞行数据库、交通态势监视器和人机交互接口；交通态势监视器模拟空管雷达，实时显示空中交通态势；当管制员认为需要外部干预某架飞机的飞行时，通过人机交互接口选中该飞机并输入空管指令。所述空域监视单元将系统产生的飞行数据实时传送给交通态势监视器，同时存储于实时飞行数据库中；管制员通过监视器实时了解指定空域内的交通态势，当认为需要干预某架飞机飞行时，双击监视器上相应的光标，就可以弹出人机交互接口输入界面，输入指令信息，生成空管指令，发送至选定的飞行驾驶单元。考虑到飞行驾驶单元的飞行控制器中自动驾驶功能响应指令的需要，必须严格规范和定义相关的指令格式。

有益效果：本发明提供的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，与基于数据分析的民航新技术应用飞行方法相比，由于飞行驾驶单元采用半实物仿真技术(主要指自动驾驶部分)，可以充分利用现有飞行模拟软件仿真度高、场景逼真的特点，同时飞行控制器的实物平台(主要指自动驾驶部分)也提高了飞行实验条件设置的灵活性，实验过程直观；与现阶段民航实飞测试相比，大大降低了实验成本和安全风险，缩短了实验时间；由于整个系统建立在计算机网络平台上，这也为大规模验证提供了硬件基础；同时，空管监视单元为管制员预留的人机交互接口界面、飞行控制器为操作人员保留的手动驾驶功能、飞行计划单元为签派人员提供的航班飞行参数制定等外部人工干预手段，不仅可以在一定范围和程度上动态调整实验进程，也使验证内容更加全面和细致，一定程度上实现了“人-机-环”一体化的民航飞行技术模拟验证，提高验证实验的真实性和结果的有效性。

附图说明

图1为本发明的系统构成及信息传输原理图；

图2为本发明的系统网络连接图；

图3为本发明的飞行环境模拟单元工作原理图；

图4为本发明的飞行计划单元工作原理图；

图5为本发明的航班管理单元工作原理图；

图6为本发明的飞行驾驶单元工作原理图，其中6(a)为飞行驾驶单元组成原理图，6(b)为飞行模拟工作站原理图，6(c)为飞行控制器原理图；

图7为本发明的空域监视单元工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统，根据民航规范要求，通过计算机网络的信息交互，在指定空域内建立飞行模拟环境，模拟验证时间段内该指定空域内的航班飞行，准确描述该指定空域内交通态势的演变过程；该系统包括飞行环境模拟单元110、飞行计划单元120、航班管理单元130、飞行驾驶单元140和空域监视单元150等五个功能单元。各单元通过局域网连接，构成“人-机-环”一体的民航飞行模拟系统，网络拓扑如图2所示。其中的应用服务器端210有多台计算机组成，分别运行飞行环境模拟单元、飞行计划单元、航班管理单元和空域监视单元的应用程序；验证所需的飞行环境信息、航班信息、各航班对应的飞行轨迹参数等数据，以及系统运行的实时数据均保存于数据库服务器220中。由若干不同机型的自动驾驶230和手动驾驶240组成的飞行驾驶单元，通过飞行模拟工作站的网口接入网络。图3-7是系统各单元的工作原理图。

开展飞行技术验证前，首先需要根据本次验证的具体内容和要求，建立飞行模拟环境，制定航班信息和各航班飞行计划，具体如下：

验证内容要求的民航飞行环境主要涉及气象环境、导航环境和空域环境，以及各环境信息的更新等几个方面，在本系统的飞行环境模拟单元110建立，包括气象环境建立模块111、地面支持环境建立模块113、空域环境建立模块112和飞行环境更新模块114。如果所验证的飞行技术要求以民航现有飞行环境为依据，则气象环境可以通过互联网连接到Jeppesen气象中心获取并更新；陆基导航台信息和空域环境信息可以从Jeppesen航图中获取，也可以由民航空管部门提供；航行情报是更新陆基导航台信息和空域环境信息的主要依据。有些民航飞行新技术的验证，可能会涉及到空管策略的调整，则用户还需要根据验证内容，有针对性的调整导航和空域环境等信息。飞行环境信息将保存在数据库服务器220中。所建飞行环境作为本次飞行技术验证分析时约束航班飞行的基本依据，将通过飞行计划单元120和空域监视单元150作用于飞行驾驶单元140。

航班管理单元130将根据本次验证的时间要求制定航班信息，内容包括：航班号、航班时刻、飞机型号、飞机识别码、所属航空公司等。为了简化制定过程，同时考虑到验证的真实性，航班信息可参考民航实际运行的航班数据。在验证时间段内飞经指定验证空域内的所有航班信息保存在航班数据库131中，航班飞行触发器132根据航班数据库131中的航班时刻，通过网络触发各架飞机飞行。

飞行环境和航班信息确定后，飞行计划单元120就可以根据本次验证的飞行技术要求，为每架次航班制定飞行轨迹参数，飞行计划制定模块121用于制定飞行轨迹，飞行轨迹和参数优化模块122用于优化飞行轨迹。制定流程将按照民航飞行计划规范进行，并预先存于数据库服务器220中，等待航班飞行时取用。

完成上述准备工作，就可以开展飞行技术的验证。具体工作如下：

启动验证系统，并将系统时钟调至需要验证的开始时间。当系统时钟与航班时刻匹配时，航班飞行触发器132启动，并读取该航班的飞机型号信息，查找并触发处于等待状态的飞行驾驶单元140中相应机型的飞行控制器1420。响应触发后，对应该飞行控制器1420的飞行模拟工作站1410将通过网络读取并保存该航班信息。为了避免误触发，该飞行控制器1420的状态随即设为工作。与此同时，该飞行控制器1420根据获取的航班信息，读取飞行计划单元120制定的相关飞行轨迹参数，并保存在指定存储空间内，作为飞行控制器1420控制飞机飞行的期望。

当系统选择自动驾驶功能时，飞行控制器1420中的自动驾驶控制算法1422将根据获得的期望，优化飞行参数和控制策略，计算控制量，通过单片机系统1421的USB HID1425输出至飞行模拟工作站1410的USB。软件接口程序1412将来自飞行模拟工作站1410USB的控制量转换为飞行模拟软件1411可接受的飞行控制指令后，控制飞机飞行。同时，软件接口程序1412实时获取飞行模拟软件1411中飞机的飞行数据，通过飞行模拟工作站1410的串口传送给单片机系统1421的UART1426，作为自动驾驶控制算法1422的反馈，实现飞机飞行的反馈闭环控制。

当系统选择手动驾驶功能时，操作人员将通过调节飞行控制器1420中的操作机构1424控制飞机飞行，控制信号同样通过飞行模拟工作站1410的USB，被软件接口程序1412换为飞行控制指令。此时，飞行模拟软件1411产生的实时飞行数据，通过串口发送给飞行控制器1420，驱动飞行参数显示仪表1423显示，作为操作人员控制飞行的参考。操作人员必须熟悉验证内容和飞行要求，确保飞行验证的有效性。

系统中所有航班的实时飞行数据将通过飞行模拟工作站1410的网口发送到空域监视单元150，保存于实时飞行数据库151中。同时，实时飞行数据也将在交通态势监视器152上显示。管制员就可以通过交通态势监视器152屏幕了解实时交通态势。当管制员双击选定飞机时，将弹出人机接口153的输入界面。管制员可根据需要输入空管指令，通过网卡154发送到飞行驾驶单元140中相应的飞行控制器1420。如果执行自动驾驶功能，自动驾驶控制算法1422将直接根据空管指令要求，重新优化飞行参数和控制策略，调节飞机飞行。如果执行手动驾驶功能，该指令信息将显示在操作人员面前的显示仪表上，为操作人员调节飞机飞行提供参考。

到达验证规定时间后，整个验证过程结束。飞行驾驶单元140恢复初始工作状态。

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。

Claims (6)

1.一种面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：根据民航规范要求，通过计算机网络的信息交互，在指定空域内建立飞行模拟环境，模拟验证时间段内该指定空域内的航班飞行，以准确描述该指定空域内交通态势的演变过程；该系统包括飞行环境模拟单元、飞行计划单元、航班管理单元、飞行驾驶单元和空域监视单元：所述飞行环境模拟单元，在指定空域内建立符合民航空管规则和基本飞行约束的飞行模拟环境；所述飞行计划单元，为在指定空域内飞行的各架飞机设定飞行所需的参数；所述航班管理单元，按照航班时刻触发相应飞机飞行；所述飞行驾驶单元，控制飞机按照飞行计划在指定空域内飞行；所述空域监视单元，实时监视分析指定空域内交通态势，实时记录飞机的飞行数据；

所述飞行环境模拟单元包括气象环境建立模块、地面支持环境建立模块、空域环境建立模块和飞行环境更新模块，气象环境建立模块根据温度、风速和风向建立气象环境，地面支持环境建立模块根据陆基导航台位置、类型和频率建立地面支持环境，空域环境建立模块根据空域结构、航线、高度层、飞机间隔和飞行程序建立空域环境，飞行环境更新模块根据气象环境、地面支持环境、空域环境和航行情报更新飞行模拟环境。

2.根据权利要求1所述的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：所述飞行计划单元包括飞行计划制定模块、飞行轨迹和参数优化模块，在飞行环境模拟单元建立的飞行模拟环境下，飞行计划制定模块按照民航飞行计划制定的规范流程为各架飞机制定飞行轨迹和参数，飞行轨迹和参数优化模块对飞行计划制定模块制定的飞行轨迹和参数进行优化。

3.根据权利要求1所述的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：所述航班管理单元包括航班数据库和航班飞行触发器，航班数据库用于存储包括航班号、航班时刻、飞机型号、飞机识别码、所属航空公司在内的航班信息，航班飞行触发器根据航班数据库中的航班时刻，通过网络触发各架飞机飞行，并将航班信息发送给飞行驾驶单元。

4.根据权利要求1所述的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：所述飞行驾驶单元是一个具有独立控制不同型号飞机飞行的半实物仿真系统，包括飞行模拟工作站和飞行控制器，飞行模拟工作站通过串口和USB与飞行控制器连接，USB用于飞行控制器向飞行模拟工作站发送飞行的控制指令，串口用于飞行模拟工作站向飞行控制器反馈飞机的飞行参数。

5.根据权利要求4所述的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：所述飞行控制器包括自动驾驶模块和手动驾驶模块，自动驾驶模块是一个满足飞行技术验证要求的单片机系统，自动飞行的控制策略和控制算法内置于单片机系统内；由于不同机型飞机控制策略和控制算法不同，各机型飞机的自动驾驶模块相互独立，为了满足面向民航空管的飞行技术验证要求，在飞行控制器中对每一种机型飞机设计一个自动驾驶模块，但各种机型飞机共用一个手动驾驶模块；自动驾驶模块控制飞机按照飞行计划单元预先设定的飞行轨迹飞行，或根据空域监视单元发出的空管指令调整飞机飞行。

6.根据权利要求1所述的面向民航空管的飞行技术分析验证系统，其特征在于：所述空域监视单元包括实时飞行数据库、交通态势监视器和人机交互接口；交通态势监视器模拟空管雷达，实时显示空中交通态势；当管制员认为需要外部干预某架飞机的飞行时，通过人机交互接口选中该飞机并输入空管指令。