胡文娟

(四川川大智勝軟件股份有限公司　航空事業(yè)部，成都　610041)

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大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)研究與設(shè)計

胡文娟

(四川川大智勝軟件股份有限公司航空事業(yè)部，成都610041)

北斗系統(tǒng)的主動監(jiān)控和定位體制在通航領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)按照北斗通航服務(wù)支撐系統(tǒng)的工作模式模擬10萬架次通航飛行器，動態(tài)生成飛行航跡，將飛行軌跡信息和短報文信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到北斗通航數(shù)據(jù)服務(wù)中心，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈進行了大容量的通信收發(fā)處理，以驗證北斗系統(tǒng)的功能、性能、大容量通信能力等。采取該模擬仿真途徑既經(jīng)濟又可行，技術(shù)難點在于解決大容量數(shù)據(jù)并發(fā)處理技術(shù)、大容量的通航飛機的調(diào)度管理技術(shù)、動態(tài)建模技術(shù)、航跡仿真技術(shù)。文中對系統(tǒng)組成、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)作了簡要的闡述。該研究工作推動了北斗系統(tǒng)在通用航空的應(yīng)用，對促進通用航空發(fā)展具有重要作用。

模擬仿真;大容量調(diào)度管理;動態(tài)建模;航跡仿真;

隨著通航產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，未來通用航空器預計會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。北斗系統(tǒng)的主動監(jiān)控和定位體制在通航領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[1]，但北斗系統(tǒng)擴容后的收發(fā)體制和大容量通信能力是否滿足通用航空未來的發(fā)展需求需要進行驗證和評估。然而，在示范驗證中又不可能有如此大容量的通用航空器參與試驗驗證，為此，采用大容量飛行器模擬仿真技術(shù)來驗證和評估北斗系統(tǒng)擴容后的能力能否用于通用航空領(lǐng)域的監(jiān)視、管理和服務(wù)[2]，既經(jīng)濟又可行。

由于北斗系統(tǒng)擴容后的入站容量為500萬次/小時，并要求對低空通航飛行器的服務(wù)能力要大于10萬架次/天。因此，大容量飛行器模擬仿真技術(shù)必須能模擬1萬架次的飛行器同時飛行，按照北斗通航服務(wù)支撐系統(tǒng)的工作模式來模擬生成動態(tài)的飛行航跡，將飛行軌跡信息和短報文信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到北斗通航數(shù)據(jù)服務(wù)中心，來驗證北斗通航服務(wù)支撐系統(tǒng)的性能、功能、大容量通信能力等。大容量飛行器模擬仿真技術(shù)的難點在于大容量數(shù)據(jù)并發(fā)處理技術(shù)、大容量通航飛機的調(diào)度管理技術(shù)、動態(tài)建模技術(shù)、大容量航跡仿真技術(shù)等。

基于大容量數(shù)據(jù)并發(fā)處理技術(shù)調(diào)度管理大容量飛行器，根據(jù)飛行區(qū)域、起降點、飛行速度、飛行高度、飛行時間和起降時間等參數(shù)，動態(tài)模擬通航飛機的飛行航跡，保證1萬架次的飛行器同時飛行?；陲w行器模擬仿真技術(shù)來驗證北斗通航支撐服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)能力。

大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)對飛行器的位置信息進行模擬生成，能全面監(jiān)視模擬飛行器的飛行態(tài)勢，并進行仿真控制、仿真記錄和回放，將飛行軌跡信息和短報文信息按照北斗用戶卡的服務(wù)頻度，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到北斗通航數(shù)據(jù)服務(wù)中心，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈進行大容量的通信收發(fā)處理，從而驗證北斗通航支撐服務(wù)系統(tǒng)的可行性。

1　體系結(jié)構(gòu)

大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)的架構(gòu)可以劃分為硬件支撐平臺、軟件層和業(yè)務(wù)層3個層次:硬件支撐平臺是大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，包括主機、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲介質(zhì)；軟件層運行在軟件服務(wù)器之上，實現(xiàn)飛行航跡生成、空域飛行容量計算、仿真數(shù)據(jù)輸出等功能；業(yè)務(wù)層實現(xiàn)大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)功能，實現(xiàn)通航飛行態(tài)勢監(jiān)視、空域管理、飛行器管理、仿真控制、仿真記錄和回放等業(yè)務(wù)功能。大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)體系圖

2　系統(tǒng)設(shè)計

大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)由飛行航跡生成子系統(tǒng)、飛行態(tài)勢監(jiān)視子系統(tǒng)、飛行器管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、空域管理子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

1)飛行航跡生成子系統(tǒng)包括北斗信息發(fā)送模塊和飛行航跡的模擬生成模塊：北斗信息發(fā)送模塊完成北斗RDSS定位、短報文、位置報告、RNSS定位的協(xié)議打包及發(fā)送；飛行航跡模擬生成模塊仿真通航飛機的起飛到降落的全過程，快速仿真飛行軌跡，根據(jù)飛行區(qū)域、起降點、飛行時間、起降時間，動態(tài)建模通航飛機的飛行航跡，模擬好飛行器的模型后，再同時并發(fā)生成飛行模擬信息。

圖2　大容量飛行器模擬仿真系統(tǒng)

2)飛行態(tài)勢監(jiān)視子系統(tǒng)包括地圖操作模塊和飛行態(tài)勢監(jiān)視模塊：地圖操作模塊完成對地圖的加載、卸載、放大、縮小、平移等功能；飛行態(tài)勢監(jiān)視模塊實現(xiàn)通航飛機的位置在數(shù)字地圖上的標繪功能，完成在地圖上飛行態(tài)勢的顯示。

3)飛行器管理子系統(tǒng)包括：①通航飛機加裝機載北斗終端的屬性管理，例如北斗終端的北斗用戶卡的服務(wù)頻度和通信等級；②全空域的通航飛機數(shù)量、飛行速度范圍、飛行高度范圍、通航飛機的飛行間隔、通航飛機的歸屬北斗航空服務(wù)站等參數(shù)的管理；③以及大容量飛行器的綜合調(diào)度管理。

4)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括仿真飛行軌跡數(shù)據(jù)的記錄、仿真控制、仿真回放、大數(shù)據(jù)量并發(fā)處理等功能。仿真記錄功能實現(xiàn)將仿真的飛行軌跡數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便仿真事后回放功能；仿真控制包括仿真的啟動、暫停、停止等功能；仿真回放能選擇某一時間段，對通航飛機進行回放控制和地圖上飛行態(tài)勢的顯示。

5)空域管理子系統(tǒng)包括空域劃分、空域最大容量、空域容量生成算法等功能?？沼虻膭澐职▓A形區(qū)域、矩形區(qū)域、扇形區(qū)域、多邊形區(qū)域等多種類型劃分，通過在地圖上繪制和手動輸入坐標點的方式生成，按照空域設(shè)定的容量來動態(tài)生成飛行航跡。

仿真飛行航跡的設(shè)計主要包括4個方面。①區(qū)域內(nèi)容量：按照低空飛行器每天大于10萬架次的總?cè)萘窟M行仿真設(shè)計，模擬同時飛行的飛行器的數(shù)量1萬架次;②空中分隔：模擬的飛行器與前導飛行器在空間或時間上保持距離，并實現(xiàn)精確的間距[3];③服務(wù)頻度：模擬通航飛機的入站頻度按照通航飛行器設(shè)置的北斗用戶卡的頻度和通信等級等參數(shù)設(shè)計[4];④區(qū)域劃分：可以按照全國范圍內(nèi)的空域進行模擬，均勻分布飛機航跡點，也可以按照飛行服務(wù)站的分區(qū)域進行分布，設(shè)置通航飛行器的分布密度。

3　關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)10萬架次飛行器的仿真，關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)大容量數(shù)據(jù)并發(fā)處理。

仿真系統(tǒng)采用支持多線程互斥的兩級緩沖多隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免低速的數(shù)據(jù)緩沖方式，提高北斗信息的發(fā)送速度和效率，以便發(fā)送北斗信息時的流量控制。采用多線程技術(shù)對大容量的飛行器進行控制，利用線程同步有效解決了數(shù)據(jù)沖突問題。采用線程池和數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)，使仿真系統(tǒng)在低耗情況下高效率運作，提高系統(tǒng)的異步并發(fā)性和大數(shù)據(jù)的實時性。

2)大容量通航飛機的調(diào)度管理。

大容量通航飛機的調(diào)度管理技術(shù)采用線程彈性伸縮策略和動態(tài)資源調(diào)度機制，設(shè)立運行池、冷卻池和空閑池[5]，通過仿真系統(tǒng)的資源利用情況來動態(tài)分配資源。

①運行池。所有正在使用的線程都屬于運行池中的資源，新的應(yīng)用請求會分發(fā)給這些資源處理。當系統(tǒng)的資源利用率和持續(xù)時間超過閾值，運行池向冷卻池申請啟動新的線程分擔應(yīng)用服務(wù)，以保證應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量。當線程長期處于閑置狀態(tài)，沒有處理應(yīng)用請求任務(wù)時，則將線程釋放至冷卻池中。

②冷卻池。當運行池中的一個線程作為集群的閑置資源被“釋放”時，為了保證響應(yīng)時間，系統(tǒng)并不立刻真正釋放它，而是將其放入節(jié)點的冷卻池中。若在冷卻過程中運行池需要新增資源時，該線程會立刻被“重用”，從冷卻池轉(zhuǎn)入到運行池。當超過冷卻時間后，該線程會被節(jié)點自動釋放，其資源被回收到空閑池中。

③空閑池。它是節(jié)點的空閑資源收集站?；谡{(diào)度管理技術(shù)，實現(xiàn)資源的有效利用，綜合調(diào)度管理10萬架次通航飛機模擬飛行，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和連續(xù)運行。

3)動態(tài)建模和大容量航跡仿真。

現(xiàn)實中飛機的航跡是復雜多變的，但均可分解為直線飛行、進入拉升、上升飛行、改平、轉(zhuǎn)彎飛行、進入俯沖和俯沖飛行等過程[6]。

將通航飛機的機動過程分為直線、上升(俯沖)和轉(zhuǎn)彎3種飛行過程[7]。其中，直線飛行過程包括勻速和加速兩種情況；轉(zhuǎn)彎包括右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)；上升飛行包括進入上升、爬升和改平；而俯沖過程

則可以看作是上升飛行的逆過程。這些都可以在程序中通過對加速度值的更改來設(shè)置[8]。飛機的飛行軌跡由這3種飛行過程組合而成。

將飛行過程歸類劃分，對各典型軌跡分別建模，每一種模型對應(yīng)著相應(yīng)的一種或幾種飛行過程。建立3個模塊，分別是爬升飛行模、進入爬升飛行模塊和轉(zhuǎn)彎飛行模塊。其中，爬升飛行模塊包括直線飛行、爬升、俯沖3個飛行階段；進入爬升模塊包括進入爬升、進入俯沖兩個飛行階段[8]；轉(zhuǎn)彎飛行模塊包括左盤旋和右盤旋兩個階段。飛機飛行航跡仿真技術(shù)計算出整條飛行航跡的地面坐標、速度、加速度，可以按照設(shè)定的飛行軌跡進行飛行模擬。

4　結(jié)束語

大容量模擬仿真系統(tǒng)采用大容量數(shù)據(jù)并發(fā)處理技術(shù)、大容量的通航飛機的調(diào)度管理技術(shù)、動態(tài)建模和大容量航跡仿真技術(shù)，實現(xiàn)10萬架次飛行器的仿真，從而能夠驗證和評估北斗系統(tǒng)擴容后的收發(fā)體制和大容量通信能力是否滿足通用航空未來的發(fā)展需求。本文對系統(tǒng)組成、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)作了簡要的闡述。該研究工作推動了北斗在通用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，對促進通用航空發(fā)展具有重要作用。

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[8]張勇.一種飛行演示器的上升段軌跡優(yōu)化及仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，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,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導航、通用航空等方面的研究。

TP319

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.024