面向综合监视应用的分布式空管航电仿真系统设计

摘要：随着航空运输体量提升，空域中的航空器密度随之增长。为保障日益繁忙的航空运输活动安全与效率，空中交通管理系统的自动化和数字化水平正迅速提升，同时这也对航空器态势感知能力与高精细度航迹管理能力提出了更高的要求，使其具备更高的智能化与网络化水平，从而与地面系统构成一体化的空中交通运行体系。与之对应的，由异构多元的相关方构成的空中交通运行体系向以其为对象的仿真与验证研宄能力提出了更高的要求，需从体系架构的维度进行描述与探宄。本文聚焦综合监视应用背景，建立所需空中交通运行架构模型，并设计了一套面向综合监视应用的分布式仿真系统，可支持包含地面管制系统、航空器、气象等元素的空中交通运行仿真与复杂场景下机载综合监视应用系统功能与性能仿真验证。该系统可在分布式的环境下运行并具备扩展和平行仿真能力。关键词：综合监视；空中交通；空管航电；分布式仿真引言随着新冠病毒疫苗普及与全球经济复苏，交通运输尤其是空中交通运输体量正逐步恢复到疫情前的水平，并保持着继续增长的趋势[13]。经过短暂的缓和期后，关于如何保障繁忙空中交通活动安全与效率的问题再次引起了从局方到空管服务方、航空公司和研宄机构等各方面的关注。其中，伴随着计算机、通信等领域的发展以及5G技术的推广，空中交通管理系统的自动化和数字化水平正迅速提高效的新一代空中交通运行概念也对航空器态势感知与高精度航迹等静态或动态的非合作客观环境因素的约束与影响[4气为了探宄空地协同运行的各参与方和环境因素的空中交通活动仿真以及复杂场在后续的章节中，本文首先介绍了新一代空中交通运行体系概念；在章节2中，进一步介绍了机载综合监视应用的研究情况；在章节3中，文章说明了用于开展综合监视应用系统验证的分布式空管航电仿真系统设计；在章节4中作出总结与展望。1、新一代空中交通运行体系概述新一代空中交通运行体系是面向基于航迹、适应多变气象条件、满足高密度空域环境、支持空域交通冲突管理、覆盖繁忙机场多跑道高密度起降需求，提供飞行效率和飞行安全的空中交通运行体系M。面对未来高密度的交通运行环境，现有空中交通管理模式会导致地面空管人员的工作负荷增加。新一代空中交通运行体系提出了飞机参与空中交通管理的概念。在地面空管许可的条件下，部分对飞机自身的运行空管工作授权给飞机，形成分布式的空中交通管理模式，地面空管更多关注空域的整体态势，实现对飞机群体的综合管制，而飞机在保证安全的前提下，负责管理影响自身运行因素的处置，实现对自身运行的空管服务。传统以功能为导向的航电系统包括通信、导航、监视和指示与记录等功能划分的子系统，在产品设计与研制过程中的主要工作集中在功能领域，航电系统产品为机组提供支持飞机个体独立运行所需的通信功能、导航功能、航路引导、飞机航行以及机载设备运行的基本信息。机组利用这些信息配合地面系统形成对飞机个体运行的管理。在未来复杂空域环境运行条件下，航空器需要与运行相关的利益方进行机载综合监视应用系统是基于综合监视数据的由机载航空电子essWarningSystem)应用等[8]。此外，综合利用气象信息采取的航迹优化与协商等应用正成为机载综合监视应用研究的热点[9]。航迹优化问题[1°]。Wickramasinghe等人提出了一种基于气象信息的高效航空运输系统的飞行轨迹优化方法[111。以共享后，自由空域飞行将有望实现[13]。本文以综合利用空中与地面融合的气象探测信息与空中交通态深入研宄。境要素的分布式仿真环境，以验证综合监视应用系统的功能与性能。机载端与地面端的气象探测信息综合与共享，建立全空域实时气象态势感知与基于气象信息的航迹协商能力。因此，本文建立的空中交通运行架构模型包含的组成元素有装备综合监视系统的航空器、地面气象站、空中交通管制单位、航空公司运行中心、全系统信息管理以及气象激励。假设运行场景的范围仅考虑巡航阶段，因此运行架构模型排除了机场和终端区管制单位元素。验证场景所需的空中交通运行架构模型框架如图1所示。基于上述架构元素，以活动图的形式直观描述验证场景，并提取出场景中涉及的业务与数据交互。如图2所示，气象站探测到异常天气，通过SWIM将融合的气象态势信息共享给航空器与地面管制单位，航空器根据融合态势信息作出改航规划与申请，运控中心系统根据融合的交通态势信息审核绕航空器航空器探测对流天气信息信息信息轨迹计划意阁航迹信息审核绕飞执行协商接牧飞行意图审核绕飞气象因素周边气象站图2运行场景活动图2系统概述根据基于气象信息的综合利用场景所建立的空中交通运行架构的功能与性能。该仿真系统基于IEEE1516e标准与一致性、扩展性、可靠性原则，采用HLA架构设计实现。仿真系统由基于标准的仿真服务总线与若干分布的仿真业务系统组成。仿真业务系统自身的信息通信要求由仿真对象模型(SOM)描述，,而仿真业务系统间所有共享信息的描述，包括被共享的对象、其属性和交互则由联邦对象模型(FOM)规范。在仿真运行过程中，各仿真业务系统通过运行时间支撑系统(RTI)即仿真服务总线实现交互操作。采用HLA架构的分布式仿真系统具有互联互通、灵活可组的优势。可根据不同的验证场景要求，灵活地组合仿真业务系统搭建不同的仿真验证环境，可实现功能模块与业务系统的复用，从而避免产生大量重复开发与调试工作负荷。3系统设计面向综合监视应用的分布式空管航电仿真系统需包含运行架构模型的各参与方元素，且需支持架构模型中所描述的业务与数据交互因此，系统应包含载有综合监视系统的航空器仿真系统、地面气象站仿真系统、空中交通管制单位仿真系统、航空公司运行中心仿真系统，以及气象激励源仿真系统5个仿真业务系统。上述仿真业务系统根据验证场景要求进行实例化并分布连接至仿真服务总线。此外，为模拟全系统信息管理功能，在仿真服务总线中嵌入了基于SWIM概念的航空信息交互规则。除业务系统外，仿真系统还应包含总控服务和数据存储与可视化服务。包含上述必要仿真业务系统和仿真服务的分布式空管航电仿真系统基本形态结构图，如图3所示。航空公司运行航空公司运行中心仿真系统地面气象站气象激励源航空器根据验证场景要求，可在分布式仿真系统中接入更多实例化的仿真业务系统。也可将针对某一验证场景的业务系统和仿真服务组合整体实例化接入仿真服务总线，开展平行运行的多场景仿真验证实验，提高仿真验证研宄效率。上述两种形态的分布式仿真系统结构图分别如图4和图5所示。航空器基础载体航空器基础载体航电能力载荷领域能力载荷基于元模型设计，由基础载体与可配置的能力载荷构成，支持自动化航行，支持空地、空空交互，支持万架以上交通仿真场景燃油、排放引导、导航监视、通信图4实例化的仿真业务系统平台服务总线设计的分布式仿真系统中的航空器仿真系统采用了由航空器基础载航空器载体与功能载荷解耦，系统可按模块组合，提高了灵活性；②可在相同的航空器载体上搭载不同的功能载荷模块，从而可在一致的平台上验证不同机载综合监视应用算法的功能与性能，保障了仿真结果的可靠性；③载体与载荷采用了标准化的系统框架与交互接口，研究人员可专注于本领域的功能算法研宄，减轻了开发负担并降低人为因素干扰。采用载体和载荷双层结构的航空器仿真系统结构如图6所航空公司运行中心仿真系统化服务气象激励源平台服务总线SWIM地面气象站化服务仿真系统其中，航空器基础载体负责解算航空器运动参数并根据场景要求调用相应的功能载荷。航电能力载荷负责为航空器仿真系统提供通信、导航、监视、引导等功能；领域能力载荷