CN105931526B - 一种基于真实ads-b的空中交通管制模拟训练系统 - Google Patents

Abstract

一种基于真实ADS‑B的空中交通管制模拟训练系统，包括教员席位、科目练习数据库、受训练席位、训练数据准备席、气象数据引接模块、ADS‑B数据引接模块和服务器。本系统可以利用ADS‑B自动地生成空管训练系统中科目练习，减少了制作练习的工作量。这个科目练习中的飞机飞行航迹与真实情况是完全一致的，从而可以让教员/学员训练与实际情况完全一样的管制方法。本系统使用有离线训练模式和在线训练模式两种方式。离线训练模式是将ADS‑B数据和天气数据转换成ADS‑B数据制作科目练习进行训练，并支持二次编辑。在线训练模式直接使用ADS‑B数据和天气数据，设置练习相关信息后直接开始训练。

Description

一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统

技术领域

本发明涉及计算机应用技术和空中交通管制员模拟训练系统的航迹仿真生成和系统架构相关领域，具体涉及一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统。

背景技术

本发明是提供一种空中交通管制业务模拟训练系统，在空中交通管制行业中的管制员训练使用。其背景技术涉及到空中交通管理，ADS-B，空管模拟训练。

一、空中交通管理

改革开放以来，国民经济的高速增长，促使中国民航运输业不断高速发展，民航运输量不断快速增长。根据民航总局公布的统计结果，从2000年～2013年，年航班起降架次从175.7万架次增加到731.5万架次。至2013年航班起降架次总量翻了近4倍，年平均增长率达11.2%。根据预测，到2020年，全国机场货邮吞吐量、旅客吞吐量将分别保持15％和11.4％的年均增长速度。相比于美国民航运输总周转量占综合交通运输总周转量的比重是9.5%，中国民航只占整个交通运输总量比例仅为0.6%，只是非常小的一部分，所以民航还有10年的快速发展期，大运输量问题将带来不容忽视的挑战。

空中交通管理（Air Traffic Management, ATM）的任务是：有效的维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通。空中交通管理旨在防止民用航空器同航空器、民用航空器同障碍物体相撞，维持并加速空中交通的有秩序的活动，保证飞行安全和提高飞行效率。管制方法有程序管制和雷达管制。

二、ADS-B

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)主要实现了全方位的空对空、空对地的监视。ADS-B监视系统主要采用的是GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)导航卫星对飞机进行监视，它要求每架飞机都装有全双工无线通信装置支持高速数据通信，由它定时广播本身的一些信息，内容主要是飞机的位置信息、其它的附加信息和飞机的识别信息。其中，飞机识别信息包括飞机的呼号和识别码；四维位置信息包括坐标经度、坐标维度、飞行高度和时间；附加信息包括航向、航线高度、空速和风速等。这样每架飞机都能收到在其附近飞机的广播信息，如冲突告警信息，目标位置信息，气象信息等。这样，飞行员能够全面实时地了解空中和地面的情况，遇到危险能够及时处理。

ADS-B与传统技术相比，优势明显：1）监视精度高；2）价格低廉；3）易于安装；4）监视能力强； 5）可取代TCAS（Traffic Collision Avoidance System）；6）可取代二次雷达；7）可为飞机车辆建立主动防撞系统；8）为“自由飞行”创造了条件。它不仅成功应用于无雷达地区的远程航空器运行监视，同时，对于高密度飞行区域的空中交通服务亦具有广泛的应用前景。但是，它的缺点是相关监视，完全依赖机载或车载信息源信息。

三、空管模拟训练系统

空管模拟训练一般是指利用空管模拟训练系统进行的管制业务练习，其目的是通过强化训练，让进近管制员从情景意识、指挥方式、特情处置等诸多方面进行训练，以弥补日常业务没有特殊情况和临界大流量的短板。

空管模拟训练系统是一种自动化的空中交通管理模拟训练的计算机系统，它受训管制员所使用的席位与实际工作的席位配置基本一致，通过计算机模拟出训练系统中的航迹，飞行计划等虚拟内容，再通过管制辅助人员完成管制员发出的管制指令完成训练，并且能够通过多席位协作完成大型的复杂业务的练习。它的关键技术是航迹仿真计算技术，合理的系统架构技术，高效的数据存储访问技术。

随着空中交通流量的增长，空中交通的管理水平至关重要，它成为了空中交通流量逐渐增长的关键制约因素。国家对空中交通管理员的每年的训练量及训练内容做出了相应的要求，而且训练内容会随着时代的发展做相应的调整，所以空中交通管制模拟训练系统也随之不断地升级换代，支持更多的管制业务，提供更方便高效的训练内容，能够适应未来大运输量的交通状况。

发明内容

本发明的目的是：当前的空中交通管理模拟训练系统（简称“空管训练系统”）中，训练科目练习的编制是一件非常费时费力的工作，它需要教员输入练习的相关信息并逐架次的加入航班信息，并模拟运行后发现错误再进行调整改进。本发明一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统能够利用当前空中交通管理系统中常用的航迹输入数据ADS-B，自动地生成空管训练系统中科目练习，大大减少了教员的工作量，而且生成的练习与实际工作场景基本一样，适合新员工训练。如果教员在自动生成的练习上再次进行编辑，又能够生成其它不同科目的衍生练习，为生成高质量的科目练习提供了丰富的素材，极大地提高了空管训练的效率。

本发明的目的是这样达到的：一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统，硬件模块包括：教员席位、科目练习数据库、受训练席位、训练数据准备席、气象数据引接模块、ADS-B数据引接模块和服务器。硬件框架如图1所示。各席位或模块的软件配置如下：受训练席位配置学员管制训练软件；教员席位配置ADS-B数据引接软件、气象数据引接软件、教员训练控制软件；服务器配置训练仿真模拟软件；训练数据准备席配置训练数据编辑软件、ADS-B数据引接软件、气象数据引接软件；科目练习数据库配置标准的商用关系数据库。记录用数据库是Oracle，MySQL，SQLServer等标准数据库产品。

接入空中交通管理使用的ADS-B数据和气象数据（可选），将其转换为空中交通管理模拟训练系统能够使用的科目练习，这个科目练习中的飞机飞行航迹与真实情况是完全一致的，从而能够让教员和学员在空管训练系统上训练与实际空中交通情况完全一样的管制工作方式方法。将ADS-B数据转换为科目练习的过程中如果遇到缺失数据，该系统则提供一些缺省值，随机选用；或者教员手动输入合理的数据。在受训练席位完成模拟训练是依靠服务器对空中交通中各架飞机进行模拟仿真计算完成的。科目练习的模拟训练核心算法包括：飞机飞行性能参数的模拟算法、飞机沿航路航线飞行的模拟算法、飞机标准进离场程序的模拟算法、飞机按管制员各种指令飞行的算法和飞机盲降的模拟算法。基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练科目练习的生成过程如图2 所示。在受训管制员对飞机发出管制指令后，其航迹由服务器仿真模拟计算得到。

本系统科目练习使用有离线训练模式和在线训练模式两种方式。离线训练模式如图3所示，在线训练模式如图4所示。离线训练模式主要步骤是：1）引接ADS-B数据和天气数据（可选），将其记录存储；2）根据上步的ADS-B数据制作科目练习；3）如有需要，能够进行科目练习二次编辑；4）使用科目练习训练。在线训练模式的步骤只有两步，1）引接ADS-B数据和天气数据（可选）；2）设置练习相关信息后直接开始训练。本发明的重点在于基于真实ADS-B数据的训练科目练习制作，或者直接使用ADS-B实时数据进行训练，将真实ADS-B数据转换为空中交通管理模拟训练系统能够使用的科目练习，这样制作的练习是与真实情况完全一致的。

本发明的有益效果是：

1）真实性，训练内容与真实的空中交通完全一样，使学员能够快速了解本区域的交通状况和管制方法。

2）高效性，节约了教员制作练习的时间，教员只需要设置几个简单的练习参数就能够完成科目练习的制作，一个练习的制作时间可以少于5分钟。而且，能够根据时间段的不同，制作大量的科目练习，使学员的训练内容指数级的增长。

3）灵活性，本系统提供了科目练习的二次编辑功能，能够对已经存在的素材练习进行编辑，增加或减少航班，增加特情处置，席位/单位协同等训练内容，能方便快捷地扩展空管训练系统的训练内容。

附图说明

图1是一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练科目练习的系统硬件架构图。

图2是一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练科目练习的生成过程。

图3是一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练科目练习的离线训练模式。

图4是一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练科目练习的在线训练模式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统的硬件模块包括：教员席位、科目练习数据库、受训练席位、训练数据准备席、气象数据引接模块、ADS-B数据引接模块和服务器。硬件框架如图1所示。系统硬件可以是以下型号（优选的，但不局限于此）：教员席，受训席主机均采用惠普（HP）大黑牛 Z228 M5R38PA工作站级台式电脑 (Core i7-4790 8G 1TB DVDRW Win8.1)；教员席，受训席显示器采用戴尔（Dell）UltraSharp U301430英寸LED宽屏IPS液晶显示器，分辨率2560 x 1600；服务器采用惠普 HP DL120G9777424-AA1 E5-2603V3 1U机架式服务器。系统局域网至少要求100Mbps的带宽。

本发明一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统的软件配置如下：受训练席位配置学员管制训练软件；教员席位配置ADS-B数据引接软件，气象数据引接软件，教员训练控制软件；服务器配置训练仿真模拟软件；训练数据准备席配置训练数据编辑软件，ADS-B数据引接软件，气象数据引接软件；科目练习数据库配置标准的商用关系数据库。记录用数据库是Oracle, MySQL, SQLServer标准数据库产品。

本发明的整个系统架构是一个星形架构，服务器是整个系统的核心，所有的系统之间的信息交换都是通过服务器完成的，服务器起到仿真模拟计算核心，和总体调度协调的作用。每个席位的状态及信息均需与服务器保持一致。服务器对各个席位的软件均实行启动就连接的策略，以保证系统启动后，所有的软件端信息是一致的。除了服务端，其它的软件端均能够随时退出，重连。

本发明一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统的离线训练详细实施流程是：1）引接ADS-B数据和天气数据（可选），将其记录存储；2）根据上步的ADS-B数据制作科目练习；3）如有需要，能够进行科目练习二次编辑；4）使用科目练习训练。在线训练详细实施流程较离线训练模式简单许多，只需要选择ADS-B数据开始在线训练即可，训练开始后的步骤与离线训练模式完全相同。下面对离线训练详细实施流程每一步骤详细描述。

）ADS-B数据记录存储

引入ADS-B标准数据，其引入方法是以下两种：1）通过ADS-B地面接收机接收转发的ADS-B数据；2）通过空中交通管理（Air Traffic Control，ATC）系统转发的ADS-B数据。本发明也容许其它方式获取ADS-B数据，但要求ADS-B数据必须是标准数据格式EUROCONTROLSTANDARD DOCUMENT FOR SURVEILLANCE DATA EXCHANGE, Part 12: Category 021, ADS-B Messages, Edition 1.4, SUR. ET1.ST05.2000-STD-12-01, July 2009。

按格式标准将ADS-B进行解析，至少应包括如下字段内容：飞机呼号、航迹时刻、经度、纬度、速度、飞行海拔高度、磁航向、俯仰角、滚转角和地面标记。并将此航迹数据记录入关系数据库，供后续科目练习制作使用。

）科目练习制作

科目练习制作主要数据来源为数据库的航迹数据，用户需要设置一些简单的练习数据，如无特别设置，直接采用缺省值。制作过程为：选择读取航迹数据开始的时间和训练用机场（缺省设置为用户当前的机场）并输入唯一的科目练习的名称；如需要，能够选择回放观看当时的空中状况。系统会生成当时及两小时内出现的飞机呼号列表供用户查看，用户能够选择删除掉一些飞机。用户也能够设置练习的席位数为一对一，或二对二，或三对三，或四对四，用户能够选择每一架航班与席位的对应关系，有三种策略：1）将每一架航班随机分配到每个席位进行控制；2）用户指定哪架航班归哪个席位进行控制，一旦用户已经指定了席位，则其它策略均失效，除非用户选择席位重设操作；3）按扇区分配席位，每架航班在练习的第一个航迹出现位置归属于哪个扇区，则将此航班分配给控制该扇区的席位。

用户能够设置天气信息，如能见度，风速风向，或直接采用缺省值。以上信息均输入完成后，系统能够计算输出练习数据，并将此练习数据加入到数据库中，增加一条科目练习记录供科目练习二次编辑。

由于ADS-B航迹数据并不包含飞机的所将要经过的航路点，这些数据一般包含中飞行情报数据的飞行计划中，但ADS-B数据中包含有飞机的呼号，这时我们需要预先将每一个航班的飞机的飞行航路点预先输入到数据库中，在制作科目练习时，按飞机呼号将其飞行计划中的航路点查询出来后加入到科目练习中供后续的仿真模拟计算使用。

科目练习生成时，首先需要判断每一架飞机当前位置是否属于练习机场的管制范围，如果飞机位置在练习机场管制范围内，则将其呼号，航迹，出现时间记录。否则不予记录，将其忽略。超过练习时间范围内的航迹均不记录。一个科目练习生成后，包括的主要信息有：练习名称、练习起始时间、航班呼号、航迹、出现时间记录信息及原始航迹、气象信息等。

）科目练习二次编辑

进入科目练习二次编辑软件界面，打开上述步骤在数据库中增加的科目练习记录，能够对此条记录进行二次编辑。编辑确定后，系统将刷新保存此条科目练习记录供科目练习。如要保存原有的科目练习，需将当前编辑的科目练习重新命名以新增加一条记录到数据库。二次编辑的操作包括：增加/减少科目练习中的航班，改变航班的航路航线、高度、速度，改变航班的出现位置和时间，增加特情处置，改变气象条件等。

）使用科目练习训练

科目练习使用有两种方式：1）离线训练模式（图3），2）在线训练模式（图4）。离线训练模式是指仅使用已经制作成功的科目练习进行训练，其训练方式与传统的ATC训练方式相同。在线训练模式是指，不需要已经制作好的科目练习，而是直接将接入的ADS-B数据输入系统，先设置部分练习信息后，用ADS-B数据进行初始化，完成后即可直接开始训练。离线训练模式流程如图3所示，在线训练模式流程如图4所示。离线训练模式流程是：先由教员选择已经由真实ADS-B数据生成的科目练习；教员启动练习；受训学员模拟启动的练习场景对自已管制区内的飞机进行管制，监视管制区动态，发出管制指令；在模拟飞行员席位的操作人员能够对多架飞机进行操作，按管制员发出的指令调整航向，速度，高度等；反复此过程，直到所有的飞机已经被正常地移交到其它管制区或者已经降落；教员能够根据刚才学员的管制方法进行纠正点评。在线训练模式与上述的离线训练模式区别仅在于练习的选择与启动方式上，教员不能选择当前数据库里保存的科目练习，只能选择ADS-B数据源并设置练习的相关信息，由系统将科目练习初始化完成后，开始练习；其它的流程与离线训练模式完全一样。

每当一个科目练习启动时，服务器会为这个练习启动一个线程并锁定相应的席位。练习结束后，关闭此线程。这样支持多核的并行计算。每个线程独立的仿真计算飞机的航迹，并完成模拟飞行员执行的飞机操作，从而模拟出类似的空中交通场景。每个线程都会用到下述的科目练习的模拟训练核心算法。

在受训练席位完成模拟训练是依靠服务器对空中交通中各架飞机进行模拟仿真计算完成的。科目练习的模拟训练核心算法包括：飞机飞行性能参数的模拟算法、飞机沿航路航线飞行的模拟算法、飞机按标准进离场程序的模拟算法、飞机按管制员各种指令飞行的算法和飞机盲降的模拟算法。各算法的实现下面逐一介绍。

飞机飞行性能参数模拟算法：飞机的飞行性能参数可以手动输入关键点的值，其它参数通过插值估计；也可以根据飞机空气动力学原理公式进行模拟。这些参数包括：飞机长度、宽度、高度；飞机空重、飞机满载全重、飞机当前载重；飞机最大巡航速度、最高巡航高度；引擎数量、引擎动力；飞行包线数据；特定速度、高度下指定加减/速度，特定速度、高度下指定爬升/下降率。

飞机沿航路航线飞行的模拟算法：首先需要有设置好的航路点，每个航路点需要给出相应的过点速度和高度。如果飞机无法在过点时达到相应的速度高度，则继续根据下一航路点的过点速度高度飞行。每次过一个航路点后，设置下一航路点为飞机当前的目的速度和高度，飞机按航路方向进行加/减速，上升/下降高度进行操作。如果已经过了最后一个航路点，则按过最后一个航路点的方向直飞。航迹的计算为实时计算模式，即服务器在一个航迹周期内只计算当前练习的所有航迹，过了一个般迹周期，才计算下一周期的航迹数据。若最后一个航路点为到达机场，则到达后不计算后续的航迹。或航路航线中有标准的进离场程序，则将标准进离场程序中的航路点解析出来按航路航线飞行方法进行计算。加/减速需要计算出当前飞机的最常用加/减速度，再按航迹周期进行调速。上升/下降高度同样计算出当前飞机的最常用上升/下降率，再以航迹周期为准进行高度的调整。

飞机按标准进离场程序的模拟算法：标准的进离场程序也是由起飞机场（离场）/降落机场（进场）及就近的航路点构成的，也可以设置将进离场程序解析成按航路航线飞行的模式，用飞机沿航路航线飞行的模拟算法实现。

飞机按管制员各种指令飞行的算法：管制员向飞行员发出的指令有：改变飞行高度，修正飞行表速，按最近路线转至指定航向，左转，右转，调整飞机爬升率，调整飞机下降率，调整转弯率或指定转弯坡度，命令飞机开车/滑行，飞机离场前，临时指定飞机起飞后的航路，起飞飞机，指定飞行航路，进入/退出等待模式，建立盲降，复飞程序，命令偏离计划航线的飞机在指定点重新加入计划航线，命令飞机沿导航台的指定方向截入或飞出。加/减速需要计算出当前飞机的最常用加/减速度，再按航迹周期进行调速。上升/下降高度同样计算出当前飞机的最常用上升/下降率，再以航迹周期为准进行高度的调整。调整航向，左转，右转，先根据飞机推算出合理的转弯半径，再根据旋转的几何公式进行计算飞机的下一周期的航迹。命令飞机开车、滑行，起飞飞机是改变当前飞机的状态实现的。建立盲降按下段的飞机盲降的模拟算法进行计算。其余的命令所需要做的就是正确计算飞机的各个关键点位的航路点，更准确的说是系统内部计算时使用的中间位置点，飞机只需要沿着这些中间位置点设置的状态进行常规的飞行模拟计算即可。

飞机盲降的模拟算法：此算法分为两步：1）检查飞机是否具备盲降条件，即飞机高度不能高于下降的锥形区上界，位置应在水平90度的锥形区内，位置不能离机场过近（20KM）；2）对具备条件的飞机，切入到下滑道，首先保持高度飞行调整以下滑道水平方向的45度切入到下滑道，临近下滑道3KM时，计算飞机转弯航迹，转弯切入下滑道；3）沿下滑道降落到机场，若飞机在下滑道之下，保持平飞，若飞机在下滑道附近，按下滑道的下降率下降直至飞机降落。本系统中机场下滑道一般是3度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种基于真实ADS-B的空中交通管制模拟训练系统，包括教员席位、科目练习数据库、受训练席位、训练数据准备席、气象数据引接模块、ADS-B数据引接模块和服务器；各席位或模块的软件配置如下：受训练席位配置学员管制训练软件；教员席位配置ADS-B数据引接软件、气象数据引接软件、教员训练控制软件；服务器配置训练仿真模拟软件；训练数据准备席配置训练数据编辑软件、ADS-B数据引接软件、气象数据引接软件；科目练习数据库配置标准的商用关系数据库；记录用数据库是Oracle, MySQL, SQLServer标准数据库产品；该系统可以利用当前空中交通管理系统中常用的航迹输入数据ADS-B，自动地生成空管训练系统中科目练习，大大减少了教员的工作量，而且生成的练习与实际工作场景基本一样，适合新员工训练；如果教员在自动生成的练习上再次进行编辑，又能够生成其它不同科目的衍生练习，为生成高质量的科目练习提供了丰富的素材，极大地提高了空管训练的效率；该系统接入空中交通管理使用的ADS-B数据和气象数据，将其转换为空中交通管理模拟训练系统能够使用的科目练习，这个科目练习中的飞机飞行航迹与真实情况是完全一致的，从而能够让教员和学员在空管训练系统上训练与实际空中交通情况完全一样的管制工作方式方法；将ADS-B数据转换为科目练习的过程中如果遇到缺失数据，该系统则提供一些缺省值随机选用或者由教员手动输入合理的数据；在受训练席位完成模拟训练是依靠服务器对空中交通中各架飞机进行模拟仿真计算完成的；科目练习的模拟训练核心算法包括飞机飞行性能参数的模拟算法、飞机沿航路航线飞行的模拟算法、飞机标准进离场程序的模拟算法、飞机按管制员各种指令飞行的算法和飞机盲降的模拟算法；在受训管制员对飞机发出管制指令后，其航迹由服务器仿真模拟计算得到；该系统科目练习使用有离线训练模式和在线训练模式两种方式；离线训练模式主要步骤是：1）引接ADS-B数据和天气数据，将其记录存储，2）根据上步的ADS-B数据制作科目练习，3）如有需要，能够进行科目练习二次编辑，4）使用科目练习训练；在线训练模式的步骤只有两步：1）引接ADS-B数据和天气数据，将其记录存储，2）设置练习相关信息后直接开始训练。