分析模拟自由飞行系统性能和适应性的技术

刘芳

民航东北地区空中交通管理局，辽宁 沈阳 110043

浅谈新县银河湾国际花园小区边坡治理工程设计

分析模拟自由飞行系统性能和适应性的技术

刘芳

民航东北地区空中交通管理局，辽宁 沈阳 110043

新自动技术被并入空中交通管理系统之前，需要经过大量的分析和验证。不但功能示范而且确定所有系统性能和可靠性都需要这种分析和验证。运行验证的危险和成本阻碍了它的正常使用。尤其是验证系统的适应性--强制蓄意发生严重的失误来确保它们能够合理的掌控。幸运的是，本篇论文描述了用于评估在终端区飞行时所使用的各种自动技术的性能和适应性而设计的模拟系统。它同样也提出了一些关于系统使用的初步结论。

飞机自动装置与性能模拟机；线程；拓扑

Abstract

before new automated technologies can be incorporated into the air—traffic-management system, they need to be analyzed and tested extensively. This analysis and testing is required not only to demonstrate functionality, but also to deterrmine overall system performance and dependability. The risks and costs of operational testing preclude its routine use, especially to test system survivablity where intentional serious failures will be forced to occur to ensure that they are handled properly. Fortunately, simulation provides a practical alternative. This paper describes a simulation system designed to assess the performance and survivability of various automated technologies in terminal area flight. It also presnts some preliminary results of the system’s use.

Keywords

Flight Automation & Performance Simulator(FLAPS);thread; topology;

1 FLAPS系统

1.1 结构

FLAPS是通过使用被称作RAPTOR的网络模拟装置系统所建立。RAPTOR提供的主要机能是对象的实施和他们之间的相互作用。对象是通过用户所提供的代码片段建立的程序, 然后这些程序再按照RAPTOR设计的线程被执行，每个对象建立一个线程。每个对象的线程可以确保每个对象都以真正并行的方式进行操作。因此在模型当中演示出在任意真实系统中固有的非确定性。

线程实施的另一个主要优势就是为所使用的模拟装置的实际硬件提供了充分的利用。由于线程是由操作系统进行分配，大部分模拟装置都拥有大量的线程（对象），所有现存的处理系统设备都尽可能地保持繁忙状态。

对象之间的相互作用通过内存信息传递来实施。任意对象都能够与其它的对象通过在目标对象的输入信息缓冲区进行交流。它便于快速计算。

在许多情况下，模拟机所需求的飞机组合的具体结构将统一标准。为了简化一些模拟装置的构建，FLAPS还具有一些额外的功能——它能产生必要的拓扑和与所需飞机数量刚好的相同文件建立链接。

1.2 空域

空域有三个主要的组成部分：机场、航路和飞机类型。这三项组合在一起使FLAPS软件用户模拟他们想要研究的任何空域的飞行。

1）机场：机场数据文件中输入机场组件详细规定了已标识进入空域的交接点，表明跑道空域边界的四个角。另外，跑道号和位置的格式以及作为表示机场跑道经验的飞机负载。结合这些参数为机场提供完整描述。

2）航路：机场文件设立交接点和跑道入口，而空中航路文件提供方法来规划从交接点到跑道的具体航路。如果用户没有模拟终端区，空中航路只定义了飞机需要遵循当飞机飞越空域时的路线。

3）飞机类型：定义了不同的飞机类型和他们的特征，像速度限制、尾流间隔要求等等。这些数据的使用是靠模拟管制按照具体的交通流量趋势来产生不同的飞机类型，把飞机不同的性能考虑在内用飞机的性能来模拟现实飞行。

1.3 模型控制

模型控制提供了一种机制，用户凭此通过FLAPS中的空域来管理飞机流量。模型控制把模拟参数文件输入进去——它定义了飞机的分布、交通荷载要求和全部模拟时间。模拟参数提供基础的框架——飞机类型、交接点的选择，每架飞机使用的跑道是由以参数文件中提供的概率为基础的组件随意产生的。

1.4 虚拟空域

当空域组件允许用户指定空域结构，空域结构的内部演示储存在虚拟空域组件里。坐标网格是为了标注指定空域里的交接点、汇聚点、跑道和航路。当飞机进入或离开某空域时，虚拟空域通过在坐标网格上标明他们的方位来追踪他们的航迹。飞机能够检索前后飞机的信息以及通过查询这个组件来确定是否违反间隔距离。因为数据需要各种各样的自动算法，空域中的所有飞机位置的部分历史航迹都储存在虚拟空域中。

虚拟空间组件提供了隐藏飞机活动细节的方法，因为当每架飞机显示出它的速度和飞行时间时就能提供了它的新位置。这使得未来的动力发动机更容易细化。虚拟空域提供了飞机的中心位置，它作为模拟装置的一部分可以申请交通信息并指出周围环境的状态，同时提供了抽象飞机活动机制。

1.5 进程

进程是指由RAPTOR基于拓扑文件创建的单个线程。目前在FLAPS中有两种主要线程类型：飞机性能和地面管制性能。飞机性能模拟了飞机的工作状态，而地面管制性能模拟了管制员的工作状态。

飞机性能：在拓扑文件中定义的每架飞机都与飞机性能有关。飞机性能的主要特性包括：（1）进入某个空域前等待从地面激活信息；（2）与周围的飞机和地面建立必要的通讯联系；（3）真正实施不同的自动算法，如自我间隔。因此，这种性能有责任把产生的速度咨询传输到虚拟空域来移动飞机。最后，这种性能也可以处理任何外部输出所需的数据。

1.6 地面管制性能

这种性能提供管制塔台或ATC中心管制特定空域所具备的所有性能。例如：为了实现自我间隔，地面管制有责任为飞机进入空域时提供序列号。

1.7 薄弱环节及其症候

FLAPS提供的主要特征之一是有能力验证单个算法以及整个系统的适应性。为允许验证它的适应性，FLAPS包含两个重要设备。第一个是有能力把具体的薄弱环节与系统中的具体对象联系起来。薄弱环节是指组件中有可能发生的潜在“问题”。第二个重要设备使得应用试验在模拟过程中具备产生症候的能力。值得注意的是使用的短语是“症候”，而不是“故障”。这种理念使得用户推出了源于故障的重要症候。因此，用户提供的易受影响的组件软件决定了它们所受的影响。

2 FLAPS 和自我间隔

由于FLAPS被研发成作为分析自由飞行运算的一个平台，系统通过研发特殊自我间隔的样板来评估。自我间隔是每一架飞机在没有地面管制的帮助下保持他们自身和其他航空器之间的间隔。

自我间隔算法：目前对自我间隔运算的研究操控板载单个飞机并提供有限的速度咨询。今天所考虑的包括在分布式空中地面交通管理概念中的基础算法是由Abbott研发的。Abbott的自我间隔的算法是基于timeto-go间隔的概念。time-to-go间隔背后的理念是对于每一架飞机按照预先定义的时间间隔的量来跟进前机。例如：如果预先定义的时间间隔为△，现在的时间为t，然后任何一架飞机在t时间时所在的位置应当和这架飞机在t-△时间时是相同的。

任何特定的飞机在t时间时和在预期的位置的差异被认为是距离误差。然而，当出现距离误差时飞机需要偏离名义速度更正此错误。自我间隔算法在偏离所允许的名义速度的量上设置了限制；正常的话，限制在10%的名义速度以内来保证飞机适当地偏离空域所规定的速度，这些限制有可能引起飞机难以达到间隔的要求。

自我间隔的方法可以用代数的方法来表示：

（2.1）速度=基础速度+速度误差；

（2.2）速度误差=0.01×Gain1×误差范围—Gain2×Delta加速度；

（2.3）范围误差=航空器位置—基础位置；

（2.4）Delta加速度=本机的加速度—其他航空器的加速度；

飞机来完成时间间隔的实际速度△通过2.1等式来计算。用计算机来计算速度的必备数据通过2.2，2.3和2.4等式的计算来提供。在等式2.1中基础速度是所给定航路的名义速度或是指当本机与其它航空器的时间间隔趋于△时的航空器速度。基础位置是在t-△时的交通位置或是基于最小间隔距离的目标位置。Gain1和Gain2，由Abbott确定的经验常数各自是2.5/英尺和2.5秒。

为了让飞机保持在名义速度周围的约束额定速度之内，需要实施对算法的检查。编码方程2.5应用于：

（2.5）如果（速度＞名义速度+偏离速度），速度=名义速度＋偏离速度；

如果（速度＜名义速度﹣偏离速度），速度=名义速度﹣偏离速度；

在飞行期间限制超过额定转速的最大的总偏差，该算法还对最大的速度变化限制在任何给定的速度命令内。这是保持平稳飞行，以提供合理的加速/减速。FLAPS模拟器通过使用公式2.6实现目的：

(2.6) 如果速度（速度误差>的车速限制）错误=车速限制

如果速度（速度误差<车速限制）错误=车速限制

这些方程相结合，提供了一个自我间距算法的实施。伴随着这种算法分析功能，它的实施也被用于评估FLAPS模拟器。

对自我间距算法的重要观察发现之一是，根据每个模拟装置随机产生的交通分布的不同，冲突的数量差别很大。另一个观测发现是指在监视显示器时，由于速度的限制，飞机无法以足够快的速度来避免冲突的发生，一旦飞机加速就会超过范围错误。在算法中做一些修改，提前使速度减小来应付这种情况的发生。此外，速度修改以外的技术可以用来帮助实现正确的间距。例如，使用横向机动，会增加或减少路径的长度，必要时将有助于控制间距。自动飞行管理仍能有长足的发展，可以开发出更好的解决方法。

这种分析有助于对间距的算法的初步了解，又能对FLAPS的能力进行探索研究。FLAPS很容易实现该算法并能简单定义具体航班和交通概况。FLAPS是一个有用的平台，用于测试各种自由飞行算法。

3 结语

飞行自动化性能模拟器为不同的飞行管理自动化计算程序的仿真建模提供了一个平台。然后将这些模型用来测试单个计算程序的功能性，可行性，性能和适应性。它还提供了一个简单的方法在逼真的环境中来实施和评估多个自动化的互动，例如：自我间距和汇聚。FLAPS的主要优势包括：准确地反映不同空域的能力，模拟任意数量的飞机，根据时间控制空域内飞机密度，显示不同飞机类型以及其局限性，和各种各样的模拟系统故障。

FLAPS生存性分析的能力，是一个中央设施。一旦自动化系统被普遍使用，就要求该系统在所有情况下适用。软件的性质就是这样，很容易错过在测试过程中的重大案件，特别是涉及与其他外部系统的相互作用的情况下。假设有外部和内部元件失误，它提供了一个独特的能力——对此进行研究所产生算法的行为能力。

为了提供这个系统的初步评价，研发了自我间距算法的模型。自我间距算法定义为在终端区域内从一个切入点到跑道之间的某个固定航径上飞行飞机的间距。目前，它并不适用于汇聚或多个跑道。算法分析的初步结果表明，由于在单一航线上飞机之间的冲突率很高，所以需要进一步提高模拟算法。

[1] September 2001, APO Data System, Federal Aviation Administration, http://www.apo.data.faa.gov/faatafall.htm

[2] September 2001, Free Flight , Federal Aviation Administration, http://ffp1.ffa.gov.

[3] Abbott, Terence, 2001, Advanced Speed Control Law for Airborne, In-Trail Separation, Hampton, VA,Distributed Air/Ground Traffic Management Research Intiative, NASA’s Langley Research Center.

[4] Knight, John, Kevin Sullivan, 2000, On the Definition of Survivability, University of Virginia,Department of Computer Science, Technical Report CS-TR-33-00， http://www.cs.virginia.edu/~jck/publications/tech.report.2000.33.pdf

[5] Jun 2001, Raptor Simulator, Survivability Research Group, University of Virginia, http://www.cs.virginia.edu/~survive/raptor.

[6] Rowe, Brian, 2002, design and Implementation of a Display Device for Models of Free Flight Algorithms, Senior Thesis, School of Engineering and Applied Science, University of Virginia.

[7] NASA Langley Reaearch Center, 2000, Distributed Air/Ground Traffic Management Concept Element 11 Research Plan, Hampton, VA, Distributed Air/Ground Traffic Management Reaearch Initiative.

Simulation Technology for free flight System Performance and Survivability Analysis

Liu Fang
Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation in Northeast,Liaoning,Shenyang,110043

浅谈新县银河湾国际花园小区边坡治理工程设计

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.017

刘芳 作者单位：民航东北空中交通管理局

单位地址：沈阳桃仙机场东北空中交通管理局航管楼管制中心雷达模拟机室 出生年月：1974年2月5日 性别：女 学历：大学本科 职称：中级工程师。