國家級空管實驗教學示范中心的建設與實踐

白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300)

國家級空管實驗教學示范中心的建設與實踐

白 鵬， 王 婕， 劉永欣， 張亞宜

(中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300)

空管實驗教學中心以國家級實驗教學示范中心建設為契機，構建了逐級加強的多層次實驗平臺，加強中心教師工程實踐能力的培養，以地-空數據鏈為基礎，通過解析實時ADS-B報文作為數據來源進行飛行數據安全性分析、管制模擬訓練及全維度飛行態勢展示。搭建了塔臺、進近、區域管制聯合運行的全流程實驗平臺，通過基礎技能型實驗、研究分析型實驗以及綜合探索型實驗提高了團隊的工程實踐能力及創新創業能力。

空管; 虛擬仿真; 地-空數據鏈; 全流程實驗平臺; 飛行數據

0 引 言

實踐教學作為空管專業人才培養的重要內容[1]，其教學效果會對學生的綜合能力培養造成直接影響。長期以來，我校空管實驗教學中心秉承“銳意創新，追求卓越”的教學理念，精心組織安排各類實驗教學課程，形成了以實驗教學平臺為基礎、實驗教學設備為支撐、教學與科研相互融合為牽引的實驗教學體系[2]，經過多年的建設與發展，空管實驗中心于2012年底被教育部批準為“十二五”國家級實驗教學示范中心，成為我國首家空管類國家級教學示范中心。

中心在多年的實踐建設過程中，以培養綜合性、專業性人才為導向[3]，走特色化辦學道路，有力推進了空管實驗教學改革，促進了空管應用人才的培養。

1 示范中心實驗平臺建設

空管實驗教學示范中心結合多年教學、一線實習與科研經驗，構建了基礎數據、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、航空氣象的運行數據作為實驗基礎；構建出程序、雷達、塔臺三大管制訓練平臺，并將協同運行實踐、多跑道聯合運行、空地交互數據鏈系統融入該平臺，實現了基于數據集成的空管協同實踐平臺，并且以該平臺作為實踐教學的有力輔助，提供給學生基于“管制過程”的實踐體驗[4]；管制訓練平臺的實踐數據不僅用于學員成績的判定，同時可以為研究分析型實驗平臺提供大量有效的訓練數據，從而進行人為因素、安全風險、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容，為協同運行綜合評價、空域調整分析評估、大面積延誤程序評估[5],空地間隔數據研究等重大研究項目的申請與完成奠定良好的基礎。

多層次、多維度實驗平臺建設以空管能力需求為導向、學生能力形成規律為依據、高仿真度等級為標尺，從整體上形成了與人才能力培養規律相一致的循序漸進、逐級加強、“無縫”對接的虛擬仿真實驗資源體系架構(見圖1)。

圖1 空管實驗平臺建設方案

2 注重教師工程能力培養

空管工作面向實際應用，對從業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要求，中心持續派出教師到國內一線單位進行為期3至6個月的行業實習[7]。各大實習單位包括中國民航總局，3大空管中心，7大地區空管局，以及機場、航空公司等。近年來累計派出教師國內外實習情況見圖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單位進行實習，實習范圍涵蓋了空管、簽派、機場現場、航空氣象等多個內容。

圖2 中心教師赴外實習情況

經過多年的努力，目前中心85%的教師擁有民航局頒發的管制員、情報員、簽派員執照。為了縮小教學內容與實際工作內容之間的差距，打破課程建設相對滯后的局面[8]，中心每年從崗位一線聘請實踐經驗豐富的管制人員來校進行實驗教學。近5年外聘國內一線管制員數量累計超過100人次，法籍教師10人，累計授課16 080 h。

3 虛擬再現真實的運行環境

3.1 地空、空空數據傳輸

實驗教學中心實驗設備建設堅持走引進先進設備與自主研發并重的道路，引進使用國際上最先進的法國Euro-Cat雷達模擬系統[9]，以及ADS-B廣播式自動相關監視系統的地面工作站，通過ADS-B系統將京津地區的空中交通數據實時導入雷達模擬系統，實現了基于真實運行數據的虛擬仿真訓練系統[10]；中心還將空地語音數據引出，結合甚高頻接收裝置，通過中心自主研發的空中交通態勢展示系統，將半徑為200 n mile內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行導航，根據導航系統的所處位置，可以將導航系統分為地基與星基兩類。傳統的地基導航與地基定位主要依靠NDB(無指向性無線電信標)、DME(無線電測距)、VOR(全向信標)與一次、二次雷達設備[11]；而星基導航則是運用衛星對航空器進行定位[12]；傳統的導航、定位系統造價昂貴，而ADS-B自動相關監視系統則是以廣播式的方法通過“問”和“答”的方式來進行定位，精度高、造價較低，構成了新一代導航系統的重要組成部分[13]，中心將ADS-B設備運用到了實踐教學的數據采集中。另外，飛行員與管制員之間的通信是通過VFR甚高頻系統實現的，中心對天津濱海國際機場的塔臺、進近與區域管制中心的甚高頻信號進行了采集。從而形成了完整的導航、定位、語音等多維度的數據鏈通信系統。

圖3 空地、空空數據鏈示意圖

3.2 數據鏈實驗訓練及分析

如圖4所示，外設的ADS-B天線與GPS接收器在經過信號加強之后，將接收到的航空器S模式應答機數據傳入地面站，RXU接收模塊負責通過RF接收器將航空器的飛行數據輸入至地面站，SPB模塊負責將RAW原始格式的飛行數據傳輸至局域網內，GTS同步模塊通過全球定位系統和衛星信號增強系統為整個地面站提供絕對時間參考。

圖4 實時數據鏈實驗模擬及分析系統示意圖

在地面站獲取到原始格式的飛行數據后，地面站提供了4個主要的功能模塊及相應的接口[14]，TSC系統控制模塊負責收集系統日志、遠程操作授權及檢測工作站運行狀態；RDAC數據轉換模塊負責將收集到的RAW型原始數據轉換至Asterix類型；RRS數據存儲模塊負責將數據以ASCII或者二進制文件的形式存儲在硬盤空間內；TSD態勢展示模塊負責顯示世界協調時、國家、地點坐標查閱等功能。

(1)數據鏈分析。通過空管實驗系統接口層，將Asterix飛行數據引入實驗平臺，解析CAT 21的數據并通過UAP規范導入空管實驗接口層[15]。數據鏈的布局如表1所示。

表1 數據鏈格式布局

CAT 21占用1個byte，表示數據鏈含有ADS-B報文；

LEN 占用2個byte，表示CAT和LEN字段占用的所有字節數；

ADS-B報文的解析中，重要的數據項包括：

I021/032：日時精確度；

I021/095：速度精確度；

I021/110：預定軌跡(航空器4D預計軌跡)；

I021/145：大氣壓高度；

I021/170：目標呼號；

I021/150：目標空速；

I021/152：磁航向；

這里以目標空速為例，做一次具體解析。該參數占用2個byte，結構見表2。

表2 目標空速數據結構

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，其中標記出的段落，記錄了東方航空2298航班某一時刻的飛行狀態信息。

(2)坐標轉換模型。ADS-B的報文坐標是大地地心坐標，而雷達模擬設備坐標則選取的是雷達模擬極坐標，坐標轉換的模型是首先進行大地地心坐標至大地直角坐標轉換，之后將大地直角坐標轉換為地方坐標系，最終由地方坐標系轉換成為雷達模擬極坐標系。

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表示航空器所處經度、緯度和高度，則可得出大地直角坐標系[16]：

(1)

(2)

(3)

式中:

大地直角坐標系轉換為地方坐標系，以雷達模擬顯示原點為

(4)

(5)

(6)

式中:

最后完成雷達極坐標系的轉換(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)

在完成坐標轉換后，可以通過實驗接口層導入實驗系統，開展飛行數據分析或實時展示。其中：飛行數據分析/模擬實驗可以將任何時刻的真實飛行數據導入空管模擬設備，通過計劃編輯模塊，將數據傳送至其他4個功能模塊，實現飛行數據安全性分析，或者真實飛行過程片段截取模擬訓練；實時展示模塊通過加入甚高頻通信的音頻數據，配合視景展示，可以全維度還原真實的管制場景，完成了國內空管實驗室實景展現的零的突破。

4 全流程聯合運行實驗環境及創新創業

4.1 全流程聯合運行環境

圖6所示為全流程聯合運行環境示意。中心在保證實驗環境高仿真度的前提下，自主研發了三大管制的實驗設備，并在此基礎上開放軟件平臺接口，消除數據孤島，打破傳統的獨立訓練模式，實現了塔臺、進近、區域三大管制方式的無縫對接。

圖6 聯合運行實驗環境

航空器在不同的運行階段需要進行不同的管制程序，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，進近管制員需要依據離場程序，實時調整航空器的高度、速度、航向，以保證航空器的雷達間隔；在航空器巡航階段，區域管制員需要依據高空空域，航路航線，實時調整航空器之間的雷達間隔以保證空域安全；航空器下降、進近階段，進近管制員需要根據使用跑道使用等因素，分配航空器進近次序，引導航空器梯度下降，截獲航向道與下滑道；最終塔臺管制員根據跑道情況，下達降落許可，完成航空器的滑行至停機入位。在聯合運行的實驗環境中，不僅保證了實驗環境的高仿真度，同時還可以提高學員的管制移交與接收能力，增強學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的塔臺管制和雷達管制實驗設備。

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

4.2 創新創業能力提升

中心依托國家級空管運行規劃與安全技術重點實驗室，在自主研發的塔臺、雷達管制模擬系統上建立了基于航空器4D航跡的接口平臺，學生通過該平臺不僅可以設計航空器的飛行計劃，進行管制模擬訓練，同時還可以在平臺基礎上進行飛行流量的預測與驗證，空域結構的設計與優化，為學生創新創業項目的最終落地提供有力支撐。

筆者及團隊教師帶領學生于2014、2015年度申報中國創新創業大賽，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。團隊成員在創新創業最高規格的比賽中，不僅提高了專業設計能力、軟件研發能力，更深刻理解了產品目標定位、商業推廣、銷售模式等諸多創新創業必備的知識元素；同時，高水平比賽的路演也提高了團隊的組織與表達能力，對教師和學生的培養起到了積極的推動作用。

5 結 語

示范中心的建設涉及面廣，任務量大，實驗教學中心通過多年的刻苦努力，在虛擬實驗環境、全流程實驗設計、實驗設備自主研發、全視景實驗平臺建設等方面取得了一些好的經驗和成績。但在國際航空業迅猛發展的背景下，我國由民航大國到民航強國的強烈需求下，中心需要繼續推進技術改革，堅持走特色化建設道路，圍繞實驗平臺建設、虛擬仿真實踐、實驗室開放、實驗資源共享等幾個方面繼續探索，不斷增強實驗教學示范中心的產學研與創新創業能力，提高中心的工程實踐培養能力，早日將中心建設成為國內一流，國際有較大影響力的空管實驗教學中心。

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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

國家自然科學基金委員會-中國民航局民航聯合研究基金資助(U1533117)；2014年中國創新創業大賽資助；2015年中國創新創業大賽資助；2016年中國民航大學實驗創新基金

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、創新創業。

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

U 8;G 482

A

1006-7167(2017)02-0157-05