1  引言

塔臺管制仿真系統是采用虛擬現實技術構建的以機場塔臺視景仿真為中心，真實模擬機場塔臺管制各個環節的仿真環境^[1]。塔臺管制仿真系統中航空器的運動仿真計算是核心。系統需要實時計算飛機運動軌跡和姿態數據，并將數據發送到雷達顯示終端和三維視景子系統。仿真計算的逼真度和質量直接影響管制員訓練的效果，在某種程度上也代表著管制模擬訓練系統的研制水平。系統中除了要模擬正常飛機的起飛降落、地面滑行，還應該模擬各種特殊飛行情況，如飛機一發失效中斷起飛、復飛、起落航線飛行、低空通場等，只有這樣才能讓塔臺仿真系統更加真實，同時能夠滿足管制員特情培訓的多樣化需求，因此必須對這些特殊飛行情況進行分析建模。本文重點介紹空中運動模型中的復飛、起落航線特殊飛行模式的建模及實現。

2  空中特殊飛行模式的建模

塔臺管制仿真系統中的空中運動模型決定著仿真系統的逼真度，在仿真系統中起著至關重要的作用。但由于飛機性能參數獲取的局限性，在建模時采用復雜適應系統理論中的積木機制思想進行建模。積木機制就是將事物分解為特點單一的“積木塊”，這些“積木塊”是組成事物的簡單功能單元。通過少數的規則，可以將“積木塊”組成復雜的系統。根據積木機制理論把飛機的整個飛行過程看成一個混合系統。即按照飛機的飛行特性將整個飛行過程進行劃分，各個狀態之間是離散的獨立的系統，而狀態之間的轉換則是連續的。這樣做既能在一定程度上保持仿真的逼真度，同時又能減少計算服務器的計算量，增加了代碼的充分利用率，使程序更加靈活。首先建立基本飛行模塊，然后通過基本飛行模塊的組合疊加得到整個飛行過程。下面將詳細介紹基本飛行模塊的建立。

2.1     基本飛行模塊建模

一般來說根據飛行特點可以將飛行階段劃分成十個階段^[3], 分別是起飛滑跑段、起飛段、初始爬升段、入航爬升段、巡航爬升段、巡航段、初始下降段、進近下降段、最后下降段、著陸段。而塔臺管制仿真系統主要關注飛機起飛、降落、進離場航線，對于航路上的巡航段關注的不是很多，根據該特點，將飛機運動模式簡化為以下5種飛行模式：

在水平方向上的子模式

（1） CV：恒速模式；保持固定的速度和航線飛行，該模式適合大多數飛行條件。

（2） CT：協調轉彎模式；以恒定的速度，角速度進行轉彎。

（3） CA：不改變航向的恒加速減速模式；該模式通常應用于起飛和降落階段，也可用于解決沖突。

在垂直方向上的子模式

（4） CH：保持高度飛行；對應于水平飛行。

（5） CD：以固定的下降率或爬升率進行下降或爬升；對應于飛機的起飛和降落階段。

塔臺管制仿真系統的整個空中運動部分可以通過這五種飛行模式的疊加得到。例如，飛機的水平飛行就是CV和CH模式的疊加，而一般的基于航路點進離場飛行如果不改變高度就是（CV,CH）、（CT,CH）、（CV,CH）疊加模式的轉化。根據這些子模塊就可以建立塔臺管制仿真系統空中飛行的所有運動，為了系統調用方便，在子模塊的基礎上建立起飛模型，航路模型（包括標準離場，標準進場）、著陸模型。特殊飛行模式的建立和一般飛行過程模式的建立相同，都是通過基本飛行子模型得疊加轉換得到的。特殊飛行包括起落航線、偏置飛行、復飛、等待、低空通場等。特殊飛行模塊的建立能夠使塔臺仿真系統更加真實，使管制員的培訓更加多樣化，因此有必要建立特殊飛行模塊。下面以起落航線飛行和復飛為例說明特殊飛行模塊的建立。

2.2    特殊飛行模塊的建立

特殊飛行模塊的建立也是通過以上5種子飛行模式的疊加轉換得到的，與一般飛行過程相比特殊飛行模塊更加靈活，所以在設計時需要通過靈活的狀態轉換實現常規飛行和特殊飛行的轉換。實際上是在性能模塊基礎上增加一些滿足要求的特殊條件通過不同模塊之間的轉換所達到的，在這里僅以起落航線和復飛為例進行說明。

2.2.1起落航線模塊的建立

起落航線飛行是學習飛行的基礎科目，自然也是塔臺模擬系統的重要模塊。它集中了飛行的各種基本動作，如，起飛、上升、轉彎、平飛、下滑、著陸等。飛行員沿固定的起落航線練習飛行，有利于形成相對固定的進近條件，這是隨后安全、準確著陸的前提，所以在塔臺管制仿真系統中加入對起落航線的仿真是有必要的。

以前對起落航線的仿真主要采用基于關鍵航路點的方法。該方法易于實現，但真實度差，各種機型的起落航線路徑相同。為了使起落航線的仿真更加真實本文采用基于固定時間段的方法，即在一邊爬升到某高度轉彎后開始按給定的時間段飛行(如起落航線的一邊通�？稍O為一分鐘)，飛行了給定的時間段后轉彎進入起落航線的下一邊。本方法的優點是更容易的對不同類型的航空器進行起落航線仿真，不同類型航空器在做起落航線飛行時速度稍有不同，這樣得到的起落航線軌跡不同，仿真更接近實際。具體建模過程如下。

起落航線是包括5條邊和4個轉彎的矩形航線。以起飛方向為準，起飛后向左轉彎的航線叫左航線，反之為右航線。下圖為模擬天津濱海機場B733的左航線模型圖。

 圖1左起落航線示意圖

由于各個機場對起落航線的要求不同，所以起落航線的高度，一轉彎的高度，起落航線的寬度都不一樣。以天津機場為例，天津機場規定起落航線A、B類航空器為300米，C、D類航空器為300~500米，起落航線寬度為4到6千米。為了程序能夠適應不同機場的需求，需要建立起落航線數據庫，對這些數據進行存儲。在程序中通過讀取數據庫中的數據進行計算。

起落航線過程仿真方法如下：

一邊起飛分為滑跑、離地、上升三個階段。起飛過程與正常起飛過程一樣，狀態轉為起飛，調用起飛模型。

第一轉彎：轉彎坡度角15度，航線改變90度。該點的轉彎采用約束轉彎，即經過轉彎點之后開始轉彎直到截獲下一個預飛航向為止。轉彎半徑的計算公式為：

其中 航段傾斜角，取值由下表給出

第二邊：第一轉彎后，調用航路模型繼續爬升，航跡與跑道延長線垂直。航空器爬升至起落航線的預定高度后，保持飛行高度進行水平飛行。當飛行60秒后（該數值由數據庫讀出，從航線轉過90度開始計算）進入第二轉彎飛行。

第二轉彎 ：轉彎的操縱方法與第一轉彎一樣。退出轉彎后，航空器的航向與跑道延長線平行，有側風時，航跡與跑道延長線平行。

第三邊：高度不變，進行水平飛行。由于各機型不同由BADA數據庫算出的速度也不同。飛行2分鐘后進入第三轉彎。

第三轉彎：轉彎的方法與第一轉彎一樣。

第四邊：進入下滑狀態，速度隨著高度的降低有所減少。航空器下降率參考值在500feet/min左右。

第四轉彎：進行四轉彎之前首先得計算什么時候開始轉彎，這個轉彎必須在轉彎之后切入下滑道，所以必須采用內切轉彎。所以首先得通過目前的航線延長線和跑道延長線確定一個轉彎的交點，然后根據以下計算公式計算。

a) ，計算出飛機轉過的角度。

b) ，計算出轉彎提前量。

計算出以上兩個量之后，飛機飛到距離轉彎點S處時開始進行轉彎，結束轉彎之后正好切入下滑道。

在進行內切轉彎時有可能走過的一個時間步長的距離要大于目前飛機位置到開始轉彎點的距離，從而跳過開始轉彎點進行轉彎。為了防止這種情況發生需要在內切轉彎之前對位置和步長距離進行判斷。如果到轉彎開始點的距離小于步長距離，則在這個循環中用到轉彎開始點的距離代替步長。

第五邊：完成第四轉彎后高度約一轉彎時的轉彎高度。航空器進入著陸前的進近下滑道(Glide Slope，航空器正常進近的航跡，一般與水平面成3度角)，保持航空器的下滑狀態，并且調整姿態角。

著陸：狀態轉變為正常的著陸程序。

2.2.2復飛模型的建立

復飛是指由于機場障礙或飛機本身發生故障（常見的是起落架放不下來），以及其他不宜降落的條件存在時，飛機中止著陸重新拉起轉入爬升的過程。飛機在著陸前有一個決斷高度，在飛機下降到這一高度時，仍不具備著陸條件時，就應加大油門復飛，然后再次進行著陸，這一過程同起飛、著陸的全過程是一樣的。每個機場都會根據各自情況制定相應的復飛程序。一般的復飛程序是拉起爬升到一定高度轉向飛到某個固定導航臺并且繼續爬升到指定高度，然后聯系進近。

復飛模型建立如下：

1.       接到復飛指令后，調用起飛模型進行爬升計算

2.       爬升到一定高度，調用航路模型計算根據固定導航臺位置確定轉彎航向和轉彎半徑，并且繼續爬升。

3.       到達固定高度后繼續調用航路模型，按照給定的固定導航臺飛行進入五邊。

4.       到達五邊之后調用著陸模型繼續降落。

3  空中飛行模塊的連接

3.1     狀態的劃分

為了使管制員了解飛機所處的飛行階段，和對飛行航班的各種統計，以便于流量統計和容量評估，同時為了程序的靈活性和擴展性使其能夠滿足大型復雜機場的各種特殊需求，在程序中加入狀態機制，系統空中計算部分各個模塊之間的連接采用基于狀態的轉換機制。

塔臺管制仿真系統通過狀態區分飛機所處的飛行階段和所進行的飛行程序，通過狀態的改變控制飛機進行飛行程序的改變，通過狀態調用相應的模塊進行計算。根據目前塔臺管制仿真系統所需功能，將飛機空中運動部分的狀態分為如下：

起飛部分：分為起飛滑跑和起飛，這兩個狀態的判斷條件是決斷速度v1，主要是用于中斷起飛特情的實現，當在決斷速度之前進行中斷起飛后，狀態進入中斷起飛。而在決斷速度之后無法進行中斷起飛，如果強制中斷起飛，飛機將滑出跑道。

著陸部分：分為切入五邊和著陸兩個狀態，當飛機從標準進場程序切入五邊對正跑道后，狀態轉變為切入五邊。當飛機到達最后進近定位點（FAF）后建立盲降進入著陸狀態。

航路飛行部分：包括標準進離場程序，航路飛行，等待，偏置飛行狀態。

特情部分：分為復飛，起落航線飛行，低空通場。

3.2     狀態的連接

因為需要知道飛機現在所處的飛行模式，所以通過添加狀態標識來對飛機各種狀態進行區分，而飛機各種狀態之間不是孤立的離散的，而是連續的。所以需要通過狀態轉換條件對狀態轉移進行判斷，同時狀態之間的轉換也不是任意，狀態之間的轉移關系如下圖所示。

圖表 2狀態轉化圖

4仿真

針對波音737機型，給出復飛和起落航線的仿真時間速度圖和時間高度圖，其中時間是以秒為單位，高度是以米為單位，速度是以公里/小時為單位。數據記錄步長是1秒。當飛機高度在144米時，管制員給出復飛指令，飛機開始復飛。復飛的仿真數據共記錄了79秒，當飛機爬升到920米之后要轉彎聯系進近，不再記錄數據。起落航線仿真時間為531秒，起落航線高度為400秒。

圖表 3復飛速度圖

圖表 4復飛高度圖

圖表 5起落航線速度圖

圖表 6起落航線高度圖

5結論

通過添加空中特殊飛行模式，塔臺模擬系統很好的仿真了真實機場的一些特情，使得管制員培訓更加靈活和多樣化。同時通過基于復雜適應系統的積木機制的建模形式，和基于狀態的模型轉換機制，減少了計算復雜度，提高了程序的重復利用率和程序的靈活性，使得程序運行很流暢可以達到60幀每秒，下圖是視景界面顯示圖。

圖表 7視景效果圖

塔臺仿真系統通過建立特殊飛行模型，達到了模擬機場特情的目的，使該系統更加真實，同時在管制員培訓方面也更加靈活實用。本系統已經在管制員教學，機場容量評估中投入使用，達到了預期的效果。

參考文獻

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作者簡介：

劉剛（1984-），男（漢族），內蒙古錫林浩特人，碩士研究生，主要研究方向：空中交通管理自動化及仿真技術。09864