國(guó)家級(jí)空管實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)與實(shí)踐

白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

國(guó)家級(jí)空管實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)與實(shí)踐

白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

空管實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)為契機(jī)，構(gòu)建了逐級(jí)加強(qiáng)的多層次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加強(qiáng)中心教師工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以地-空數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)，通過解析實(shí)時(shí)ADS-B報(bào)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(shì)展示。搭建了塔臺(tái)、進(jìn)近、區(qū)域管制聯(lián)合運(yùn)行的全流程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過基礎(chǔ)技能型實(shí)驗(yàn)、研究分析型實(shí)驗(yàn)以及綜合探索型實(shí)驗(yàn)提高了團(tuán)隊(duì)的工程實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái); 飛行數(shù)據(jù)

0 引 言

實(shí)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(huì)對(duì)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)造成直接影響。長(zhǎng)期以來，我校空管實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，形成了以實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備為支撐、教學(xué)與科研相互融合為牽引的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[2]，經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，空管實(shí)驗(yàn)中心于2012年底被教育部批準(zhǔn)為“十二五”國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，成為我國(guó)首家空管類國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心。

中心在多年的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

空管實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心結(jié)合多年教學(xué)、一線實(shí)習(xí)與科研經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、技能實(shí)踐、研究分析、綜合探索5個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以飛行服務(wù)、航空氣象的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；構(gòu)建出程序、雷達(dá)、塔臺(tái)三大管制訓(xùn)練平臺(tái)，并將協(xié)同運(yùn)行實(shí)踐、多跑道聯(lián)合運(yùn)行、空地交互數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)融入該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)集成的空管協(xié)同實(shí)踐平臺(tái)，并且以該平臺(tái)作為實(shí)踐教學(xué)的有力輔助，提供給學(xué)生基于“管制過程”的實(shí)踐體驗(yàn)[4]；管制訓(xùn)練平臺(tái)的實(shí)踐數(shù)據(jù)不僅用于學(xué)員成績(jī)的判定，同時(shí)可以為研究分析型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(xiǎn)、運(yùn)行效率等方面的評(píng)估研究；并將上述研究成果凝練形成綜合探索型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為協(xié)同運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)、空域調(diào)整分析評(píng)估、大面積延誤程序評(píng)估[5],空地間隔數(shù)據(jù)研究等重大研究項(xiàng)目的申請(qǐng)與完成奠定良好的基礎(chǔ)。

多層次、多維度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jí)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(jí)加強(qiáng)、“無縫”對(duì)接的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源體系架構(gòu)(見圖1)。

圖1 空管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)從業(yè)人員的實(shí)際工程能力要求很高[6]，為保證教師的工程實(shí)踐能力滿足行業(yè)要求，中心持續(xù)派出教師到國(guó)內(nèi)一線單位進(jìn)行為期3至6個(gè)月的行業(yè)實(shí)習(xí)[7]。各大實(shí)習(xí)單位包括中國(guó)民航總局，3大空管中心，7大地區(qū)空管局，以及機(jī)場(chǎng)、航空公司等。近年來累計(jì)派出教師國(guó)內(nèi)外實(shí)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(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)范圍涵蓋了空管、簽派、機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)、航空氣象等多個(gè)內(nèi)容。

圖2 中心教師赴外實(shí)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(bào)員、簽派員執(zhí)照。為了縮小教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作內(nèi)容之間的差距，打破課程建設(shè)相對(duì)滯后的局面[8]，中心每年從崗位一線聘請(qǐng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的管制人員來校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。近5年外聘國(guó)內(nèi)一線管制員數(shù)量累計(jì)超過100人次，法籍教師10人，累計(jì)授課16 080 h。

3 虛擬再現(xiàn)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境

3.1 地空、空空數(shù)據(jù)傳輸

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)堅(jiān)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(guó)際上最先進(jìn)的法國(guó)Euro-Cat雷達(dá)模擬系統(tǒng)[9]，以及ADS-B廣播式自動(dòng)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(shí)時(shí)導(dǎo)入雷達(dá)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于真實(shí)運(yùn)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(shì)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(shí)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(cè)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(yùn)用衛(wèi)星對(duì)航空器進(jìn)行定位[12]；傳統(tǒng)的導(dǎo)航、定位系統(tǒng)造價(jià)昂貴，而ADS-B自動(dòng)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(jià)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(yùn)用到了實(shí)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(shí)現(xiàn)的，中心對(duì)天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)的塔臺(tái)、進(jìn)近與區(qū)域管制中心的甚高頻信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)為整個(gè)地面站提供絕對(duì)時(shí)間參考。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈實(shí)驗(yàn)?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(gè)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(cè)工作站運(yùn)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(chǔ)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(chǔ)在硬盤空間內(nèi)；TSD態(tài)勢(shì)展示模塊負(fù)責(zé)顯示世界協(xié)調(diào)時(shí)、國(guó)家、地點(diǎn)坐標(biāo)查閱等功能。

(1)數(shù)據(jù)鏈分析。通過空管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接口層，將Asterix飛行數(shù)據(jù)引入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解析CAT 21的數(shù)據(jù)并通過UAP規(guī)范導(dǎo)入空管實(shí)驗(yàn)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(gè)byte，表示數(shù)據(jù)鏈含有ADS-B報(bào)文；

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

ADS-B報(bào)文的解析中，重要的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括：

I021/032：日時(shí)精確度；

I021/095：速度精確度；

I021/110：預(yù)定軌跡(航空器4D預(yù)計(jì)軌跡)；

I021/145：大氣壓高度；

I021/170：目標(biāo)呼號(hào)；

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(gè)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(bào)文，其中標(biāo)記出的段落，記錄了東方航空2298航班某一時(shí)刻的飛行狀態(tài)信息。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。ADS-B的報(bào)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(bào)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)接口層導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展飛行數(shù)據(jù)分析或?qū)崟r(shí)展示。其中：飛行數(shù)據(jù)分析/模擬實(shí)驗(yàn)可以將任何時(shí)刻的真實(shí)飛行數(shù)據(jù)導(dǎo)入空管模擬設(shè)備，通過計(jì)劃編輯模塊，將數(shù)據(jù)傳送至其他4個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)安全性分析，或者真實(shí)飛行過程片段截取模擬訓(xùn)練；實(shí)時(shí)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(shí)的管制場(chǎng)景，完成了國(guó)內(nèi)空管實(shí)驗(yàn)室實(shí)景展現(xiàn)的零的突破。

4 全流程聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

4.1 全流程聯(lián)合運(yùn)行環(huán)境

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

圖6 聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境

航空器在不同的運(yùn)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(tái)管制員需要管理跑道間隔、尾流間隔、場(chǎng)面交通、放行許可、推出倒車等事項(xiàng)；在航空器離場(chǎng)爬升階段，進(jìn)近管制員需要依據(jù)離場(chǎng)程序，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(tái)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(yùn)行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不僅保證了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的高仿真度，同時(shí)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(tái)管制和雷達(dá)管制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

在滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，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(píng)估、北京南苑機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估等多個(gè)重要的科研任務(wù)，使中心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究與實(shí)際評(píng)估緊密結(jié)合。

4.2 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升

中心依托國(guó)家級(jí)空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在自主研發(fā)的塔臺(tái)、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(tái)，學(xué)生通過該平臺(tái)不僅可以設(shè)計(jì)航空器的飛行計(jì)劃，進(jìn)行管制模擬訓(xùn)練，同時(shí)還可以在平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行流量的預(yù)測(cè)與驗(yàn)證，空域結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的最終落地提供有力支撐。

筆者及團(tuán)隊(duì)教師帶領(lǐng)學(xué)生于2014、2015年度申報(bào)中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，接連獲得天津市二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1次的好成績(jī)，代表天津入圍全國(guó)總決賽。團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)元素；同時(shí)，高水平比賽的路演也提高了團(tuán)隊(duì)的組織與表達(dá)能力，對(duì)教師和學(xué)生的培養(yǎng)起到了積極的推動(dòng)作用。

5 結(jié) 語

示范中心的建設(shè)涉及面廣，任務(wù)量大，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過多年的刻苦努力，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、全流程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備自主研發(fā)、全視景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)等方面取得了一些好的經(jīng)驗(yàn)和成績(jī)。但在國(guó)際航空業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，我國(guó)由民航大國(guó)到民航強(qiáng)國(guó)的強(qiáng)烈需求下，中心需要繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)改革，堅(jiān)持走特色化建設(shè)道路，圍繞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、虛擬仿真實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)室開放、實(shí)驗(yàn)資源共享等幾個(gè)方面繼續(xù)探索，不斷增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐培養(yǎng)能力，早日將中心建設(shè)成為國(guó)內(nèi)一流，國(guó)際有較大影響力的空管實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金資助(U1533117)；2014年中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽資助；2015年中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽資助；2016年中國(guó)民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基金

白 鵬(1984-)，男，河北張家口人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：交通運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)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