白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

國家級空管實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)與實踐

白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

空管實驗教學(xué)中心以國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)為契機(jī)，構(gòu)建了逐級加強(qiáng)的多層次實驗平臺，加強(qiáng)中心教師工程實踐能力的培養(yǎng)，以地-空數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)，通過解析實時ADS-B報文作為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)安全性分析、管制模擬訓(xùn)練及全維度飛行態(tài)勢展示。搭建了塔臺、進(jìn)近、區(qū)域管制聯(lián)合運行的全流程實驗平臺，通過基礎(chǔ)技能型實驗、研究分析型實驗以及綜合探索型實驗提高了團(tuán)隊的工程實踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

空管; 虛擬仿真; 地-空數(shù)據(jù)鏈; 全流程實驗平臺; 飛行數(shù)據(jù)

0 引 言

實踐教學(xué)作為空管專業(yè)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容[1]，其教學(xué)效果會對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)造成直接影響。長期以來，我校空管實驗教學(xué)中心秉承“銳意創(chuàng)新，追求卓越”的教學(xué)理念，精心組織安排各類實驗教學(xué)課程，形成了以實驗教學(xué)平臺為基礎(chǔ)、實驗教學(xué)設(shè)備為支撐、教學(xué)與科研相互融合為牽引的實驗教學(xué)體系[2]，經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，空管實驗中心于2012年底被教育部批準(zhǔn)為“十二五”國家級實驗教學(xué)示范中心，成為我國首家空管類國家級教學(xué)示范中心。

中心在多年的實踐建設(shè)過程中，以培養(yǎng)綜合性、專業(yè)性人才為導(dǎo)向[3]，走特色化辦學(xué)道路，有力推進(jìn)了空管實驗教學(xué)改革，促進(jìn)了空管應(yīng)用人才的培養(yǎng)。

1 示范中心實驗平臺建設(shè)

空管實驗教學(xué)示范中心結(jié)合多年教學(xué)、一線實習(xí)與科研經(jīng)驗，構(gòu)建了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、技能實踐、研究分析、綜合探索5個層次的實驗平臺，以飛行服務(wù)、航空氣象的運行數(shù)據(jù)作為實驗基礎(chǔ)；構(gòu)建出程序、雷達(dá)、塔臺三大管制訓(xùn)練平臺，并將協(xié)同運行實踐、多跑道聯(lián)合運行、空地交互數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)融入該平臺，實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)集成的空管協(xié)同實踐平臺，并且以該平臺作為實踐教學(xué)的有力輔助，提供給學(xué)生基于“管制過程”的實踐體驗[4]；管制訓(xùn)練平臺的實踐數(shù)據(jù)不僅用于學(xué)員成績的判定，同時可以為研究分析型實驗平臺提供大量有效的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行人為因素、安全風(fēng)險、運行效率等方面的評估研究；并將上述研究成果凝練形成綜合探索型的實驗內(nèi)容，為協(xié)同運行綜合評價、空域調(diào)整分析評估、大面積延誤程序評估[5],空地間隔數(shù)據(jù)研究等重大研究項目的申請與完成奠定良好的基礎(chǔ)。

多層次、多維度實驗平臺建設(shè)以空管能力需求為導(dǎo)向、學(xué)生能力形成規(guī)律為依據(jù)、高仿真度等級為標(biāo)尺，從整體上形成了與人才能力培養(yǎng)規(guī)律相一致的循序漸進(jìn)、逐級加強(qiáng)、“無縫”對接的虛擬仿真實驗資源體系架構(gòu)(見圖1)。

圖1 空管實驗平臺建設(shè)方案

2 注重教師工程能力培養(yǎng)

空管工作面向?qū)嶋H應(yīng)用，對從業(yè)人員的實際工程能力要求很高[6]，為保證教師的工程實踐能力滿足行業(yè)要求，中心持續(xù)派出教師到國內(nèi)一線單位進(jìn)行為期3至6個月的行業(yè)實習(xí)[7]。各大實習(xí)單位包括中國民航總局，3大空管中心，7大地區(qū)空管局，以及機(jī)場、航空公司等。近年來累計派出教師國內(nèi)外實習(xí)情況見圖2，中心目前擁有專任教師106人，其中近85%的教師近8年曾赴一線空管相關(guān)單位進(jìn)行實習(xí)，實習(xí)范圍涵蓋了空管、簽派、機(jī)場現(xiàn)場、航空氣象等多個內(nèi)容。

圖2 中心教師赴外實習(xí)情況

經(jīng)過多年的努力，目前中心85%的教師擁有民航局頒發(fā)的管制員、情報員、簽派員執(zhí)照。為了縮小教學(xué)內(nèi)容與實際工作內(nèi)容之間的差距，打破課程建設(shè)相對滯后的局面[8]，中心每年從崗位一線聘請實踐經(jīng)驗豐富的管制人員來校進(jìn)行實驗教學(xué)。近5年外聘國內(nèi)一線管制員數(shù)量累計超過100人次，法籍教師10人，累計授課16 080 h。

3 虛擬再現(xiàn)真實的運行環(huán)境

3.1 地空、空空數(shù)據(jù)傳輸

實驗教學(xué)中心實驗設(shè)備建設(shè)堅持走引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備與自主研發(fā)并重的道路，引進(jìn)使用國際上最先進(jìn)的法國Euro-Cat雷達(dá)模擬系統(tǒng)[9]，以及ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)的地面工作站，通過ADS-B系統(tǒng)將京津地區(qū)的空中交通數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入雷達(dá)模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于真實運行數(shù)據(jù)的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)[10]；中心還將空地語音數(shù)據(jù)引出，結(jié)合甚高頻接收裝置，通過中心自主研發(fā)的空中交通態(tài)勢展示系統(tǒng)，將半徑為200 n mile內(nèi)的空中交通流量情況引入實踐課程。

如圖3所示，航空器在飛行過程中需要進(jìn)行導(dǎo)航，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的所處位置，可以將導(dǎo)航系統(tǒng)分為地基與星基兩類。傳統(tǒng)的地基導(dǎo)航與地基定位主要依靠NDB(無指向性無線電信標(biāo))、DME(無線電測距)、VOR(全向信標(biāo))與一次、二次雷達(dá)設(shè)備[11]；而星基導(dǎo)航則是運用衛(wèi)星對航空器進(jìn)行定位[12]；傳統(tǒng)的導(dǎo)航、定位系統(tǒng)造價昂貴，而ADS-B自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)則是以廣播式的方法通過“問”和“答”的方式來進(jìn)行定位，精度高、造價較低，構(gòu)成了新一代導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分[13]，中心將ADS-B設(shè)備運用到了實踐教學(xué)的數(shù)據(jù)采集中。另外，飛行員與管制員之間的通信是通過VFR甚高頻系統(tǒng)實現(xiàn)的，中心對天津濱海國際機(jī)場的塔臺、進(jìn)近與區(qū)域管制中心的甚高頻信號進(jìn)行了采集。從而形成了完整的導(dǎo)航、定位、語音等多維度的數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)。

圖3 空地、空空數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)疽鈭D

3.2 數(shù)據(jù)鏈實驗訓(xùn)練及分析

如圖4所示，外設(shè)的ADS-B天線與GPS接收器在經(jīng)過信號加強(qiáng)之后，將接收到的航空器S模式應(yīng)答機(jī)數(shù)據(jù)傳入地面站，RXU接收模塊負(fù)責(zé)通過RF接收器將航空器的飛行數(shù)據(jù)輸入至地面站，SPB模塊負(fù)責(zé)將RAW原始格式的飛行數(shù)據(jù)傳輸至局域網(wǎng)內(nèi)，GTS同步模塊通過全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星信號增強(qiáng)系統(tǒng)為整個地面站提供絕對時間參考。

圖4 實時數(shù)據(jù)鏈實驗?zāi)M及分析系統(tǒng)示意圖

在地面站獲取到原始格式的飛行數(shù)據(jù)后，地面站提供了4個主要的功能模塊及相應(yīng)的接口[14]，TSC系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)日志、遠(yuǎn)程操作授權(quán)及檢測工作站運行狀態(tài)；RDAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將收集到的RAW型原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至Asterix類型；RRS數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以ASCII或者二進(jìn)制文件的形式存儲在硬盤空間內(nèi)；TSD態(tài)勢展示模塊負(fù)責(zé)顯示世界協(xié)調(diào)時、國家、地點坐標(biāo)查閱等功能。

(1)數(shù)據(jù)鏈分析。通過空管實驗系統(tǒng)接口層，將Asterix飛行數(shù)據(jù)引入實驗平臺，解析CAT 21的數(shù)據(jù)并通過UAP規(guī)范導(dǎo)入空管實驗接口層[15]。數(shù)據(jù)鏈的布局如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)鏈格式布局

CAT 21占用1個byte，表示數(shù)據(jù)鏈含有ADS-B報文；

LEN 占用2個byte，表示CAT和LEN字段占用的所有字節(jié)數(shù)；

ADS-B報文的解析中，重要的數(shù)據(jù)項包括：

I021/032：日時精確度；

I021/095：速度精確度；

I021/110：預(yù)定軌跡(航空器4D預(yù)計軌跡)；

I021/145：大氣壓高度；

I021/170：目標(biāo)呼號；

I021/150：目標(biāo)空速；

I021/152：磁航向；

這里以目標(biāo)空速為例，做一次具體解析。該參數(shù)占用2個byte，結(jié)構(gòu)見表2。

表2 目標(biāo)空速數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Bit-16 (IM) = 0 空速=IAS(儀表空速)；

= 1 空速=馬赫；

Bits-15/1 空速(IAS或馬赫)

若為IAS,LSB=2-14n mile/s；

若為馬赫，LSB=0.001；

圖5是截取出的部分ADS-B報文，其中標(biāo)記出的段落，記錄了東方航空2298航班某一時刻的飛行狀態(tài)信息。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。ADS-B的報文坐標(biāo)是大地地心坐標(biāo)，而雷達(dá)模擬設(shè)備坐標(biāo)則選取的是雷達(dá)模擬極坐標(biāo)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型是首先進(jìn)行大地地心坐標(biāo)至大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，之后將大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系，最終由地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成為雷達(dá)模擬極坐標(biāo)系。

圖5 ADS-B報文示意圖

地球極半徑與地球半徑之比的平方為

e=0.993 305 46

分別用λ、φ、H表示航空器所處經(jīng)度、緯度和高度，則可得出大地直角坐標(biāo)系[16]：

(1)

(2)

(3)

式中:

大地直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系，以雷達(dá)模擬顯示原點為

(4)

(5)

(6)

式中:

最后完成雷達(dá)極坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(r,a,e),r代表斜距，a代表方位角，e代表俯仰角。公式如下：

(7)

(8)

(9)

在完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，可以通過實驗接口層導(dǎo)入實驗系統(tǒng)，開展飛行數(shù)據(jù)分析或?qū)崟r展示。其中：飛行數(shù)據(jù)分析/模擬實驗可以將任何時刻的真實飛行數(shù)據(jù)導(dǎo)入空管模擬設(shè)備，通過計劃編輯模塊，將數(shù)據(jù)傳送至其他4個功能模塊，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)安全性分析，或者真實飛行過程片段截取模擬訓(xùn)練；實時展示模塊通過加入甚高頻通信的音頻數(shù)據(jù)，配合視景展示，可以全維度還原真實的管制場景，完成了國內(nèi)空管實驗室實景展現(xiàn)的零的突破。

4 全流程聯(lián)合運行實驗環(huán)境及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

4.1 全流程聯(lián)合運行環(huán)境

圖6所示為全流程聯(lián)合運行環(huán)境示意。中心在保證實驗環(huán)境高仿真度的前提下，自主研發(fā)了三大管制的實驗設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上開放軟件平臺接口，消除數(shù)據(jù)孤島，打破傳統(tǒng)的獨立訓(xùn)練模式，實現(xiàn)了塔臺、進(jìn)近、區(qū)域三大管制方式的無縫對接。

圖6 聯(lián)合運行實驗環(huán)境

航空器在不同的運行階段需要進(jìn)行不同的管制程序，航空器在放行、滑行至起飛的階段，塔臺管制員需要管理跑道間隔、尾流間隔、場面交通、放行許可、推出倒車等事項；在航空器離場爬升階段，進(jìn)近管制員需要依據(jù)離場程序，實時調(diào)整航空器的高度、速度、航向，以保證航空器的雷達(dá)間隔；在航空器巡航階段，區(qū)域管制員需要依據(jù)高空空域，航路航線，實時調(diào)整航空器之間的雷達(dá)間隔以保證空域安全；航空器下降、進(jìn)近階段，進(jìn)近管制員需要根據(jù)使用跑道使用等因素，分配航空器進(jìn)近次序，引導(dǎo)航空器梯度下降，截獲航向道與下滑道；最終塔臺管制員根據(jù)跑道情況，下達(dá)降落許可，完成航空器的滑行至停機(jī)入位。在聯(lián)合運行的實驗環(huán)境中，不僅保證了實驗環(huán)境的高仿真度，同時還可以提高學(xué)員的管制移交與接收能力，增強(qiáng)學(xué)員的空域整體安全保障能力。圖6中的下部即為中心自主研發(fā)的塔臺管制和雷達(dá)管制實驗設(shè)備。

在滿足實驗教學(xué)的同時，上述設(shè)備還完成了西安管制空域扇區(qū)空中交通服務(wù)容量評估、北京南苑機(jī)場容量評估等多個重要的科研任務(wù)，使中心的實驗設(shè)備研究與實際評估緊密結(jié)合。

4.2 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升

中心依托國家級空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，在自主研發(fā)的塔臺、雷達(dá)管制模擬系統(tǒng)上建立了基于航空器4D航跡的接口平臺，學(xué)生通過該平臺不僅可以設(shè)計航空器的飛行計劃，進(jìn)行管制模擬訓(xùn)練，同時還可以在平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行流量的預(yù)測與驗證，空域結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的最終落地提供有力支撐。

筆者及團(tuán)隊教師帶領(lǐng)學(xué)生于2014、2015年度申報中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，接連獲得天津市二等獎、三等獎各1次的好成績，代表天津入圍全國總決賽。團(tuán)隊成員在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)最高規(guī)格的比賽中，不僅提高了專業(yè)設(shè)計能力、軟件研發(fā)能力，更深刻理解了產(chǎn)品目標(biāo)定位、商業(yè)推廣、銷售模式等諸多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)必備的知識元素；同時，高水平比賽的路演也提高了團(tuán)隊的組織與表達(dá)能力，對教師和學(xué)生的培養(yǎng)起到了積極的推動作用。

5 結(jié) 語

示范中心的建設(shè)涉及面廣，任務(wù)量大，實驗教學(xué)中心通過多年的刻苦努力，在虛擬實驗環(huán)境、全流程實驗設(shè)計、實驗設(shè)備自主研發(fā)、全視景實驗平臺建設(shè)等方面取得了一些好的經(jīng)驗和成績。但在國際航空業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，我國由民航大國到民航強(qiáng)國的強(qiáng)烈需求下，中心需要繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)改革，堅持走特色化建設(shè)道路，圍繞實驗平臺建設(shè)、虛擬仿真實踐、實驗室開放、實驗資源共享等幾個方面繼續(xù)探索，不斷增強(qiáng)實驗教學(xué)示范中心的產(chǎn)學(xué)研與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提高中心的工程實踐培養(yǎng)能力，早日將中心建設(shè)成為國內(nèi)一流，國際有較大影響力的空管實驗教學(xué)中心。

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Construction and Practice of the Air Traffic Management National Experimental Teaching Demonstration Center

BAIPeng,WANGJie,LIUYongxin,ZHANGYayi

(College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The paper presented the experience of the air traffic management National Experimental Teaching Demonstration Center, constructed multi-level experimental platform to strengthen the training of teachers’ engineering practice ability. The real time ADS-B message was used as the source of the data, to build the security analysis of flight data, the air traffic control simulation training and the full dimension air traffic system demonstration based on these flight data. A coordinated operation experimental platform which including the tower control, approach control and area control was constructed. The practice of basic skills type of experiment, research and analysis experiment and comprehensive exploratory experiment improved the team’s innovation and entrepreneurship ability.

air traffic management; virtual reality; aircraft communication addressing and reporting; whole process experiment platform; flight data

2016-06-22

國家自然科學(xué)基金委員會-中國民航局民航聯(lián)合研究基金資助(U1533117)；2014年中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽資助；2015年中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽資助；2016年中國民航大學(xué)實驗創(chuàng)新基金

白 鵬(1984-)，男，河北張家口人，碩士，實驗師，主要研究方向：交通運輸、實驗管理、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。

Tel.：13920240907;E-mail：342126260@qq.com

U 8;G 482

A

1006-7167(2017)02-0157-05