基于空管模擬機與管制員指令的航跡推演仿真技術(shù)

摘" 要：該文介紹基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真技術(shù)，主要用于預測和模擬飛機飛行軌跡。該文詳細討論航跡推演的各類方法，包括轉(zhuǎn)彎推演、高度推演、速度推演及復合推演，并闡述其各自的實現(xiàn)原理。轉(zhuǎn)彎推演通過計算飛機的經(jīng)緯度和航向來模擬轉(zhuǎn)彎過程，高度推演和速度推演則分別計算航跡點的高度和速度變化。在復合推演中，系統(tǒng)將多個單一推演結(jié)果組合，生成綜合性的航跡數(shù)據(jù)。這些技術(shù)為模擬空中交通管理和飛行訓練提供重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：空管模擬機；管制員指令；航跡推演；管制指令推演；仿真

中圖分類號：V355" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0176-04

Abstract： This paper introduces a trajectory deduction simulation technology based on air traffic control simulators and controller instructions， which is mainly used to predict and simulate aircraft flight trajectories. This paper discusses in detail various methods of track deduction， including turning deduction， altitude deduction， speed deduction and composite deduction， and expounds their respective implementation principles. Turning simulation simulates the turning process by calculating the latitude， longitude and heading of the aircraft， and altitude simulation and speed simulation calculate the altitude and speed changes of the track points respectively. In composite deduction， the system combines multiple single deduction results to generate comprehensive track data. These technologies provide important technical support for simulated air traffic management and flight training.

Keywords： air traffic control simulator; controller command; trajectory deduction; control command deduction; simulation

管制員是空中交通管制系統(tǒng)的重要組成部分，對航空器的安全順利運行及乘客的利益和生命安全擔負著重要責任。世界各國對管制員的素質(zhì)和能力都有很高的要求。在巨大安全壓力的繁重任務下，提高空中交通管制人員的素質(zhì)和技能，從而增強空管系統(tǒng)的綜合保障能力，是需要研究探索的重要課題?？展苣M機是培訓管制員的重要工具，在模擬機訓練中，管制員可以進入逼真的管制指揮場景，在空管模擬機上可以實現(xiàn)豐富的空管典型場景模擬，基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真技術(shù)應運而生。該技術(shù)通過對飛行器在特定條件下的航跡進行模擬與預測，使管制學員能夠在虛擬環(huán)境中體驗和處理復雜的飛行場景，讓管制學員深刻領(lǐng)會到錯誤的管制指令將帶來嚴重的后果，為管制員安全意識和情景意識的養(yǎng)成創(chuàng)造了良好的條件，為飛行訓練和管制員培訓提供了重要的工具。

1" 功能介紹

航跡推演仿真是航空領(lǐng)域中用于預測和模擬飛機飛行軌跡的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)一系列預設(shè)的約束條件，通過計算機仿真技術(shù)，預測飛機未來的飛行路徑，其核心在于計算一定時間間隔后的航跡點數(shù)據(jù)，包括時間、經(jīng)緯度、航向、速度和高度等。管制模擬機作為管制員訓練的工具，可用于模擬各類一線管制真實場景，在管制模擬機的平臺上進行航跡推演仿真，既能達到真實性的要求，又能兼顧場景仿真的多樣性；管制模擬機數(shù)據(jù)的獲取較為便利，且相關(guān)數(shù)據(jù)未涉密，可廣泛應用于飛行訓練和管制員培訓。本文基于管制模擬機及管制員指令等約束，使管制教員和學員在模擬機案例復盤過程中，可對錄入的管制指令進行模擬仿真，推演模擬航空器對管制指令的執(zhí)行情況，推演模擬航空器對管制指令的執(zhí)行情況，分析不同管制決策對空管運行場景的影響。

在基于模擬機和管制員指令的航跡推演仿真中，航跡推演的類型主要根據(jù)管制員所發(fā)出的指令類別進行分類。通常，管制員的指令可分為航向指令、高度指令和速度指令。每種指令對應特定的航跡推演類型：航向指令對應轉(zhuǎn)彎推演，高度指令對應高度推演，速度指令對應速度推演。當管制員發(fā)出多個不同類別的指令時，這些指令可以組合起來，形成復合推演。復合推演能夠同時處理多個飛行參數(shù)的變化，如在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎的同時調(diào)整高度或速度，從而更加真實地模擬復雜飛行場景。

轉(zhuǎn)彎推演： 轉(zhuǎn)彎推演涉及飛機從當前航向轉(zhuǎn)彎至目標航向的過程。在這個過程中，管制員可能會明確指示飛機左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)至目標航向。但在某些情況下，管制員只會告知目標航向，而不指定轉(zhuǎn)向方向。此時，系統(tǒng)會自動計算最小轉(zhuǎn)角，以確定是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，從而使飛機以最短路徑達到目標航向。

高度推演： 高度推演是指飛機從當前高度調(diào)整至目標高度的過程。該過程可能涉及飛機上升到更高的高度，或者下降到更低的高度。無論是爬升還是下降，系統(tǒng)都需要根據(jù)管制員的指令精確地控制飛機的高度變化，確保飛行安全。

速度推演： 速度推演涵蓋了飛機速度的調(diào)整過程，具體表現(xiàn)為從當前速度加速到目標速度，或者減速到目標速度。根據(jù)管制員的指令，飛機需要在飛行過程中進行速度調(diào)整，以適應空域條件或飛行任務的要求。

復合推演：復合推演是由多個單一推演組合而成的復雜推演過程。當管制員接連下達2個或更多的單一推演指令時，系統(tǒng)會將這些指令組合起來，形成復合推演。例如，管制員可能先指示飛機左轉(zhuǎn)至某個航向，然后緊接著要求爬升至某個高度。在這種情況下，系統(tǒng)會同時處理航向和高度的變化，以生成符合要求的推演航跡。

2" 實現(xiàn)原理

2.1" 空管模擬機數(shù)據(jù)引接

本文所用的數(shù)據(jù)包括管制學員在空管模擬機上訓練所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，主要包括飛機的航跡數(shù)據(jù)及一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是指在空管模擬訓練過程中保持不變的、靜態(tài)的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)在整個訓練過程中不會發(fā)生變化，主要用于構(gòu)建模擬環(huán)境的基本框架，包括航線、航路及管制扇區(qū)等空域情況。數(shù)據(jù)采用離線導入或手動配置的形式。航跡數(shù)據(jù)使用UDP組播的形式進行實時采集。在管制學員練習運行過程中，這些數(shù)據(jù)會實時發(fā)送至引接程序中，反映飛機在模擬機中的實際運行狀態(tài)。航跡數(shù)據(jù)包括多項信息，其結(jié)構(gòu)為組號、時間、航班個數(shù)N和航班信息（N×44）的形式。其中，組號用于標識數(shù)據(jù)包的來源，即模擬機席位，時間記錄了航跡數(shù)據(jù)生成時間，確保模擬環(huán)境的時間同步。每個航班信息以44節(jié)的數(shù)據(jù)包形式組織，包含多個關(guān)鍵數(shù)據(jù)項，如航班的計劃號、航班呼號、尾流等級、當前經(jīng)緯度、飛行高度和地速等，為后續(xù)的基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，見表1。

2.2" 轉(zhuǎn)彎推演

轉(zhuǎn)彎推演的實現(xiàn)主要通過計算航跡點的經(jīng)緯度和航向完成，高度和速度通常沿用已有數(shù)據(jù)或保持不變。關(guān)鍵參數(shù)包括轉(zhuǎn)彎時的飛機傾角和從水平滾轉(zhuǎn)到設(shè)定傾角的時間，這些參數(shù)確保推測過程的精確性。為了抽象出飛機轉(zhuǎn)彎推演算法，轉(zhuǎn)彎推演將飛機執(zhí)行轉(zhuǎn)彎劃分為3個過程，分別是轉(zhuǎn)彎前段、轉(zhuǎn)彎中段及轉(zhuǎn)彎后段。轉(zhuǎn)彎前段又根據(jù)飛機推演點的姿態(tài)劃分為正向段、回正段及順向段。定義如下。

1）轉(zhuǎn)彎前段：這個階段是飛機傾角從初始狀態(tài)逐漸過渡到預定的轉(zhuǎn)彎坡度的過程。在轉(zhuǎn)彎前段，根據(jù)飛機的姿態(tài)，進一步細分為3個子階段。

正向段：飛機以直線飛行的姿態(tài)進入轉(zhuǎn)彎前段，意味著此時飛機尚未開始轉(zhuǎn)彎，航跡是直線的。

回正段：在這一階段，飛機以逆轉(zhuǎn)向的姿態(tài)進入轉(zhuǎn)彎前段，這通常發(fā)生在飛機從先前的轉(zhuǎn)彎中恢復水平狀態(tài)之前，需要通過回正段將飛機的飛行傾角逐漸恢復到水平狀態(tài)。

順向段：飛機以正轉(zhuǎn)向的姿態(tài)進入轉(zhuǎn)彎前段，此時飛機的轉(zhuǎn)向與即將執(zhí)行的轉(zhuǎn)彎方向一致，直接進入下一步的傾角調(diào)整。

2）轉(zhuǎn)彎中段：在這一階段，飛機已經(jīng)達到了設(shè)定的轉(zhuǎn)彎坡度，轉(zhuǎn)彎中段的關(guān)鍵特征是飛機以恒定的傾角和航向進行轉(zhuǎn)彎。此時，飛機的轉(zhuǎn)彎路徑呈現(xiàn)為穩(wěn)定的圓弧形，航跡點的經(jīng)緯度和航向在計算中按照固定的角速度進行更新。

3）轉(zhuǎn)彎后段：這個階段標志著轉(zhuǎn)彎的結(jié)束，飛機傾角逐漸從轉(zhuǎn)彎坡度滾轉(zhuǎn)回正到水平0°。在轉(zhuǎn)彎后段，飛機逐漸退出轉(zhuǎn)彎，航向趨向穩(wěn)定，最終進入直線飛行狀態(tài)。這一階段的計算重點是平滑過渡，確保飛機在退出轉(zhuǎn)彎后能夠順利回到直線飛行的軌道上。

以一個正在轉(zhuǎn)彎的飛機進行逆向轉(zhuǎn)彎的推演為例，該過程需要經(jīng)歷“回正段”，將飛機的飛行傾角恢復到水平狀態(tài)，然后再進入“轉(zhuǎn)彎前段”建立新的轉(zhuǎn)彎坡度，隨后的轉(zhuǎn)彎將進入“轉(zhuǎn)彎中段”并持續(xù)按照該坡度轉(zhuǎn)彎，最終進入“轉(zhuǎn)彎后段”，在此階段，飛機將逐漸將傾角回到水平。通過這一過程，轉(zhuǎn)彎推演得以精確模擬飛機的實際轉(zhuǎn)彎動態(tài)，如圖1所示。

轉(zhuǎn)彎可以簡單理解為飛機以特定的轉(zhuǎn)彎半徑繞著一個固定點，以一定的轉(zhuǎn)彎率進行旋轉(zhuǎn)。然而，轉(zhuǎn)彎的實際過程比這種簡單描述復雜得多。轉(zhuǎn)彎半徑與飛機的傾角和速度密切相關(guān)，而在整個轉(zhuǎn)彎過程中，這2個因素都可能發(fā)生變化。由于傾角和速度的動態(tài)變化，飛機的轉(zhuǎn)彎軌跡雖然接近于圓弧曲線，但實際上并非完美的圓弧，而是稍有偏差的曲線路徑。轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎率的計算方法如圖2所示，通過這些計算可以更精確地描述飛機的轉(zhuǎn)彎過程和軌跡特點。推演路徑如圖3所示。

2.3" 高度推演

高度推演的核心是計算航跡點的高度，而航跡點的航向和速度通常沿用已有的實際航跡數(shù)據(jù)或保持不變。對于航跡點的經(jīng)緯度，通常是沿用已有的實際航跡數(shù)據(jù)，或者在保持航向不變的情況下向前推算。在高度推演中，設(shè)置了4個關(guān)鍵參數(shù)：用于爬升的上升率和上升率建立時間，以及用于下降的下降率和下降率建立時間。這些參數(shù)確保高度調(diào)整過程的精確模擬，無論是飛機爬升還是下降，都能夠根據(jù)設(shè)定的速率和時間，逐步達到目標高度。同轉(zhuǎn)彎推演類似，分為爬升前段、爬升中段及爬升后段，如圖4所示。

2.4" 速度推演

速度推演指的是飛機從當前速度加速到目標速度或減速到目標速度的過程，其主要任務是計算航跡點的速度。在此過程中，航跡點的高度通常沿用已有的實際航跡數(shù)據(jù)或保持不變。對于航跡點的經(jīng)緯度和航向，通常通過推測飛行距離從實際航跡中獲取，或者在航向不變的情況下向前推算。速度推演中設(shè)置了2個關(guān)鍵參數(shù)：加速用時和減速用時，分別表示飛機從當前速度達到目標速度所需的時間。其計算公式為

2.5" 復合推演

復合推演是通過將2個或2個以上的單一推演組合在一起形成的綜合性推演方法。在每個單一推演過程中，系統(tǒng)分別計算航跡點的相關(guān)數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度、航向、高度和速度，而復合推演的任務則是從這些單一推演結(jié)果及實際航跡數(shù)據(jù)中提取和組合各個航跡點的數(shù)據(jù)，以生成完整的航跡。

在復合推演中，各個單一推演所計算的航跡點數(shù)據(jù)在組合時需遵循一定的約定原則，以確保最終的航跡點數(shù)據(jù)準確反映飛機的飛行狀態(tài)。這些原則包括如下幾點。

轉(zhuǎn)彎推演的優(yōu)先性：如果復合推演中包含轉(zhuǎn)彎推演，那么航跡點的經(jīng)緯度和航向應由轉(zhuǎn)彎推演的結(jié)果來決定。這是因為轉(zhuǎn)彎推演對飛機的路徑變化有直接影響，準確的經(jīng)緯度和航向?qū)τ诜从痴鎸嵉霓D(zhuǎn)彎軌跡至關(guān)重要。

高度推演的優(yōu)先性：在復合推演中，如果包含高度推演，則航跡點的高度應由高度推演的結(jié)果決定。高度推演的作用是精確計算飛機的爬升或下降過程，因此在復合推演中，高度數(shù)據(jù)的準確性直接影響飛行的安全性和軌跡的可靠性。

速度推演的優(yōu)先性：如果復合推演中有速度推演，則航跡點的速度應取自速度推演的結(jié)果。速度推演的重要性在于它直接關(guān)系到飛機在空中的動力學表現(xiàn)，影響著飛機的飛行效率和操作響應，因此在復合推演中，速度數(shù)據(jù)必須精確反映飛機的實際加速或減速過程。

通過嚴格遵循這些組合原則，復合推演能夠有效整合各個單一推演的結(jié)果，生成符合飛行實際的航跡點數(shù)據(jù)，確保推演過程的可靠性和準確性，為航空模擬和飛行控制提供重要的技術(shù)支持。

3" 推廣應用

航跡推演仿真技術(shù)具有較大的推廣前景，主要體現(xiàn)在以下2個方面。

1）隨著對空管運行精細化要求，管制單位、航空公司、相關(guān)監(jiān)管部門都需要能實現(xiàn)航跡推演功能的技術(shù)，來輔助對空管運行場景的復盤，實現(xiàn)管制指令對空管運行影響的評估。

2）通過對空管運行過程進行推演仿真，對實際運行情況進行直觀模擬，可為管制員、飛行員在航空運行保障培訓中提供強有力的支持，在空管系統(tǒng)、中小機場管制單位、航空公司等培訓領(lǐng)域具有廣闊的應用推廣潛力。

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