大容量飞行器模拟仿真系统研究与设计

胡文娟

(四川川大智胜软件股份有限公司　航空事业部，成都　610041)



大容量飞行器模拟仿真系统研究与设计

胡文娟

(四川川大智胜软件股份有限公司航空事业部，成都610041)

北斗系统的主动监控和定位体制在通航领域具有明显的优势。大容量飞行器模拟仿真系统按照北斗通航服务支撑系统的工作模式模拟10万架次通航飞行器，动态生成飞行航迹，将飞行轨迹信息和短报文信息通过网络发送到北斗通航数据服务中心，在网络数据链进行了大容量的通信收发处理，以验证北斗系统的功能、性能、大容量通信能力等。采取该模拟仿真途径既经济又可行，技术难点在于解决大容量数据并发处理技术、大容量的通航飞机的调度管理技术、动态建模技术、航迹仿真技术。文中对系统组成、工作原理和关键技术作了简要的阐述。该研究工作推动了北斗系统在通用航空的应用，对促进通用航空发展具有重要作用。

模拟仿真;大容量调度管理;动态建模;航迹仿真;

随着通航产业的日益发展，未来通用航空器预计会呈现爆发式增长。北斗系统的主动监控和定位体制在通航领域具有明显的优势[1]，但北斗系统扩容后的收发体制和大容量通信能力是否满足通用航空未来的发展需求需要进行验证和评估。然而，在示范验证中又不可能有如此大容量的通用航空器参与试验验证，为此，采用大容量飞行器模拟仿真技术来验证和评估北斗系统扩容后的能力能否用于通用航空领域的监视、管理和服务[2]，既经济又可行。

由于北斗系统扩容后的入站容量为500万次/小时，并要求对低空通航飞行器的服务能力要大于10万架次/天。因此，大容量飞行器模拟仿真技术必须能模拟1万架次的飞行器同时飞行，按照北斗通航服务支撑系统的工作模式来模拟生成动态的飞行航迹，将飞行轨迹信息和短报文信息通过网络发送到北斗通航数据服务中心，来验证北斗通航服务支撑系统的性能、功能、大容量通信能力等。大容量飞行器模拟仿真技术的难点在于大容量数据并发处理技术、大容量通航飞机的调度管理技术、动态建模技术、大容量航迹仿真技术等。

基于大容量数据并发处理技术调度管理大容量飞行器，根据飞行区域、起降点、飞行速度、飞行高度、飞行时间和起降时间等参数，动态模拟通航飞机的飞行航迹，保证1万架次的飞行器同时飞行。基于飞行器模拟仿真技术来验证北斗通航支撑服务系统的服务能力。

大容量飞行器模拟仿真系统对飞行器的位置信息进行模拟生成，能全面监视模拟飞行器的飞行态势，并进行仿真控制、仿真记录和回放，将飞行轨迹信息和短报文信息按照北斗用户卡的服务频度，通过网络发送到北斗通航数据服务中心，在网络数据链进行大容量的通信收发处理，从而验证北斗通航支撑服务系统的可行性。

1　体系结构

大容量飞行器模拟仿真系统的架构可以划分为硬件支撑平台、软件层和业务层3个层次:硬件支撑平台是大容量飞行器模拟仿真系统的硬件基础，包括主机、网络资源和存储介质；软件层运行在软件服务器之上，实现飞行航迹生成、空域飞行容量计算、仿真数据输出等功能；业务层实现大容量飞行器模拟仿真系统的所有业务功能，实现通航飞行态势监视、空域管理、飞行器管理、仿真控制、仿真记录和回放等业务功能。大容量飞行器模拟仿真系统体系结构如图1所示。

图1　大容量飞行器模拟仿真系统体系图

2　系统设计

大容量飞行器模拟仿真系统由飞行航迹生成子系统、飞行态势监视子系统、飞行器管理子系统、数据处理子系统、空域管理子系统组成，如图2所示。

1)飞行航迹生成子系统包括北斗信息发送模块和飞行航迹的模拟生成模块：北斗信息发送模块完成北斗RDSS定位、短报文、位置报告、RNSS定位的协议打包及发送；飞行航迹模拟生成模块仿真通航飞机的起飞到降落的全过程，快速仿真飞行轨迹，根据飞行区域、起降点、飞行时间、起降时间，动态建模通航飞机的飞行航迹，模拟好飞行器的模型后，再同时并发生成飞行模拟信息。

图2　大容量飞行器模拟仿真系统

2)飞行态势监视子系统包括地图操作模块和飞行态势监视模块：地图操作模块完成对地图的加载、卸载、放大、缩小、平移等功能；飞行态势监视模块实现通航飞机的位置在数字地图上的标绘功能，完成在地图上飞行态势的显示。

3)飞行器管理子系统包括：①通航飞机加装机载北斗终端的属性管理，例如北斗终端的北斗用户卡的服务频度和通信等级；②全空域的通航飞机数量、飞行速度范围、飞行高度范围、通航飞机的飞行间隔、通航飞机的归属北斗航空服务站等参数的管理；③以及大容量飞行器的综合调度管理。

4)数据处理子系统包括仿真飞行轨迹数据的记录、仿真控制、仿真回放、大数据量并发处理等功能。仿真记录功能实现将仿真的飞行轨迹数据存储到数据库中，以便仿真事后回放功能；仿真控制包括仿真的启动、暂停、停止等功能；仿真回放能选择某一时间段，对通航飞机进行回放控制和地图上飞行态势的显示。

5)空域管理子系统包括空域划分、空域最大容量、空域容量生成算法等功能。空域的划分包括圆形区域、矩形区域、扇形区域、多边形区域等多种类型划分，通过在地图上绘制和手动输入坐标点的方式生成，按照空域设定的容量来动态生成飞行航迹。

仿真飞行航迹的设计主要包括4个方面。①区域内容量：按照低空飞行器每天大于10万架次的总容量进行仿真设计，模拟同时飞行的飞行器的数量1万架次;②空中分隔：模拟的飞行器与前导飞行器在空间或时间上保持距离，并实现精确的间距[3];③服务频度：模拟通航飞机的入站频度按照通航飞行器设置的北斗用户卡的频度和通信等级等参数设计[4];④区域划分：可以按照全国范围内的空域进行模拟，均匀分布飞机航迹点，也可以按照飞行服务站的分区域进行分布，设置通航飞行器的分布密度。

3　关键技术

实现10万架次飞行器的仿真，关键技术如下。

1)大容量数据并发处理。

仿真系统采用支持多线程互斥的两级缓冲多队列数据结构，避免低速的数据缓冲方式，提高北斗信息的发送速度和效率，以便发送北斗信息时的流量控制。采用多线程技术对大容量的飞行器进行控制，利用线程同步有效解决了数据冲突问题。采用线程池和数据库连接池技术，使仿真系统在低耗情况下高效率运作，提高系统的异步并发性和大数据的实时性。

2)大容量通航飞机的调度管理。

大容量通航飞机的调度管理技术采用线程弹性伸缩策略和动态资源调度机制，设立运行池、冷却池和空闲池[5]，通过仿真系统的资源利用情况来动态分配资源。

①运行池。所有正在使用的线程都属于运行池中的资源，新的应用请求会分发给这些资源处理。当系统的资源利用率和持续时间超过阈值，运行池向冷却池申请启动新的线程分担应用服务，以保证应用服务质量。当线程长期处于闲置状态，没有处理应用请求任务时，则将线程释放至冷却池中。

②冷却池。当运行池中的一个线程作为集群的闲置资源被“释放”时，为了保证响应时间，系统并不立刻真正释放它，而是将其放入节点的冷却池中。若在冷却过程中运行池需要新增资源时，该线程会立刻被“重用”，从冷却池转入到运行池。当超过冷却时间后，该线程会被节点自动释放，其资源被回收到空闲池中。

③空闲池。它是节点的空闲资源收集站。基于调度管理技术，实现资源的有效利用，综合调度管理10万架次通航飞机模拟飞行，保证系统稳定和连续运行。

3)动态建模和大容量航迹仿真。

现实中飞机的航迹是复杂多变的，但均可分解为直线飞行、进入拉升、上升飞行、改平、转弯飞行、进入俯冲和俯冲飞行等过程[6]。

将通航飞机的机动过程分为直线、上升(俯冲)和转弯3种飞行过程[7]。其中，直线飞行过程包括匀速和加速两种情况；转弯包括右转和左转；上升飞行包括进入上升、爬升和改平；而俯冲过程

则可以看作是上升飞行的逆过程。这些都可以在程序中通过对加速度值的更改来设置[8]。飞机的飞行轨迹由这3种飞行过程组合而成。

将飞行过程归类划分，对各典型轨迹分别建模，每一种模型对应着相应的一种或几种飞行过程。建立3个模块，分别是爬升飞行模、进入爬升飞行模块和转弯飞行模块。其中，爬升飞行模块包括直线飞行、爬升、俯冲3个飞行阶段；进入爬升模块包括进入爬升、进入俯冲两个飞行阶段[8]；转弯飞行模块包括左盘旋和右盘旋两个阶段。飞机飞行航迹仿真技术计算出整条飞行航迹的地面坐标、速度、加速度，可以按照设定的飞行轨迹进行飞行模拟。

4　结束语

大容量模拟仿真系统采用大容量数据并发处理技术、大容量的通航飞机的调度管理技术、动态建模和大容量航迹仿真技术，实现10万架次飞行器的仿真，从而能够验证和评估北斗系统扩容后的收发体制和大容量通信能力是否满足通用航空未来的发展需求。本文对系统组成、工作原理和关键技术作了简要的阐述。该研究工作推动了北斗在通用航空领域的应用，对促进通用航空发展具有重要作用。

[1]吕伟，朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007，23 (3):29-32.

[2]尧丰，韩松臣，朱新平.低空空域综合管理系统软件架构研究[J].武汉理工大学学报，信息与管理工程版.2010，32(2)：258-260.

[3]金沙舟.通用航空飞行服务站系统设计和低空综合监视仿真研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院，2012.

[4]孙超奇，宋秉龙，贾斌，等.基于北斗二代的车辆监控系统研究与应用[J].科协论坛，2012(10):77-78.

[5]武静.云计算平台调度管理技术研究与实现[D].成都:电子科技大学，2013.

[6]刘超，赵燕平，杨位钦.飞机飞行轨迹仿真系统的设计[J].测试技术学报，1996，10(2/3)：223-227.

[7]冯为荣，王俊璞，田蔚风.飞机飞行轨迹仿真系统设计与实现[J].计算机仿真，2010，27(12):47-50.

[8]张勇.一种飞行演示器的上升段轨迹优化及仿真研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012.

Simulation Study and Design of Simulation System of Large Capacity Aircraft

HU Wenjuan

(Aviation Division,Wisesoft Co.，Ltd，Chengdu 610041，China)

Initiative monitoring and positioning system of Beidou system have obvious advantages in the field of general aviation.The system in accordance with the Beidou general aviation service supporting system model simulates 100 000 sorties general aviation aircraft，dynamically generates flight path，the flight path information and short message is sent through the network to the Beidou general aviation data service center，communication transceiver large capacity of processing in the network data link.And it is difficult to verify the system function，the performance，the large capacity communication ability，and the simulation approach is both economical and feasible.The technical difficulty is to solve the large capacity data concurrent processing technology，large capacity of general aviation aircraft scheduling management technology，dynamic modeling technology，and track simulation technology.In this paper，the system composition，working principle and key technology are expounded briefly.The research work has promoted Beidou application in general aviation and the development of general aviation.

simulation; large capacity of scheduling management; dynamic modeling;

2014-09-02；修改日期: 2014-11-10

胡文娟(1980-),女,硕士,工程师,主要从事卫星通信、卫星导航、通用航空等方面的研究。

TP319

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.024