[發明專利]自由飛行模擬仿真平臺

有效

• 申請號: 201410280719.5
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104020681B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 張兆寧;賈愛萍;劉珍;高俊英;盧婷婷;王莉莉;盧飛;程韜;李才華
• 申請（專利權）人: 中國民航大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司 12105
• 代理人: 莫琪

1.自由飛行模擬仿真平臺，其特征在于，包括模擬設置系統，數據信息系統、權限設置系統；實景模擬系統；

????所述模擬設置系統由飛行環境模塊、模擬速率模塊和飛行參數模塊構成；

飛行環境模塊包括對通信導航監視性能(Communication?Navigation?Surveillance,?CNS)及空中防撞系統(Traffic?Collision?Avoidance?System,?TCAS)的進行設置的功能；由于通信導航監視對飛行定位誤差的影響，需要將CNS性能即所需通信性能(Required?Communication?Performance,?RCP)、所需導航性能(Required?Navigation?Performance,?RNP)、所需監視性能(Required?Surveillance?Performance,?RSP)中影響飛機位置最直接的因素量化；本系統利用評價指標體系將CNS性能影響設置為?????????????????????????????????????????????????=75種不同的權重值，設置不同的權重值對飛機的定位誤差影響不同，按用戶當前設置結果，將數據進行權重分析，將誤差結果傳回給飛機，則飛機按照當前含有誤差的位置報告進行飛行；利用可靠性評價指標體系將TCAS的可靠性進行專家打分后進行評估得到參數0.9630；

????通信導航監視性能分為所需通信性能RCP、所需導航性能RNP、所需監視性能RSP，根據國際民航組織(International?Civil?Aviation?Organization,?ICAO)的規定，詳細說明如下：

?所需導航性能RNP是指在某一空域或某一條航路上，能夠保證飛機在空域飛行的95％時間內達到期望導航性能的精確性數值；目前已經定義的幾種RNP類型，精確性單位為nmile；性能參數中精確性是導致飛機位置偏航的直接因素，所以在本系統中主要考慮由RNP精確性導致的飛機定位誤差；

表1?RNP類型

所需通信性能RCP是以性能參數處理時間、連續性、可用性和完整性來描述的；國際民航組織(International?Civil?Aviation?Organization,?ICAO)建議的RCP類型，處理時間單位為：秒，其他三個參數單位為：概率/飛行小時；通信性能主要依賴于通信處理時間；所以在本模擬仿真平臺中主要考慮RCP處理時間導致的飛機定位誤差；

表2?RCP類型

所需監視性能RSP是在特定的精確度和刷新率條件下，得到航空器的位置、速度和目的的能力，它的性能要求可以用精確性即刷新率和反應時間、可用性、完整性、連續性來描述；而監視的精確性是導致飛機位置偏航的直接因素，所以在本模擬仿真平臺中主要考慮由RSP的精確性即刷新率、反應時間導致的飛機定位誤差；

表3?RSP類型

????所述模擬速率模塊包括對模擬速率進行設置的功能；模擬速率設置為1-10倍的任意整數值，操作過程通過直接填入數字，或者滑動滾動條實現對模擬速率的設置，點擊“確定”，完成對模擬速率的設置；

????飛行參數模塊包括對間隔標準的相關參數如飛機放行間隔，水平安全間距和垂直安全間距進行設置的功能、模式選擇的設置的功能；

飛行參數這個功能模塊是整個自由飛行模擬仿真平臺的核心功能模塊，由于空域內的容量限制，首先需要對間隔標準的相關參數如飛機放行間隔，水平安全間距和垂直安全間距進行設置，基于現行非自由飛行的相關數據如飛機放行間隔、水平安全間距、垂直安全間距基礎上，默認值飛機放行間隔、水平安全間距、垂直安全間距分別為30km，15km，300m，當然用戶在模擬仿真時為了自身研究需要可以任意更改這些值；??????

另外需要在計算機屏幕窗口界面進行模式選擇的設置，如果選擇“自行設置”模式，模擬時則自定義設置飛機的飛行路徑，其中包括飛機的高度、所在空域的入口、出口及速度范圍；

該模式可滿足用戶對特定情況下自由飛行模擬的需要，如果未選擇“自行設置”模式，則模擬時系統將采用隨機的飛行路徑，其中包括飛機的高度、所在空域的入口、出口及速度范圍，以上設置完成后在計算機屏幕窗口界面點擊“確定”完成飛行參數的設置；

所述數據信息系統由統計信息模塊和生成后臺日志模塊構成；

統計信息模塊包括對模擬仿真的過程中得到相關數據進行統計的功能；

在模擬仿真的過程中，用戶通過點擊功能菜單欄上的“統計信息”以實時查看截止當前時刻，此次模擬的相關統計數據；這些統計數據包括此次模擬已經運行的時間、模擬出現的飛機總數、撞毀的飛機總數、采取上升下降進行避讓的飛機總數和采取改變航向超速越過前面飛機的飛機總數；

????生成后臺日志模塊包括后臺日志分為兩部分，第一部分是實景模擬時每兩分鐘產生的一個總結日志，存放在按序列編號的文本中，通過每兩分鐘統計一次數據避免由于數據過于龐大而產生的內存泄露問題，該日志中記錄內容包括：每架飛機的初始坐標，發生沖突后采取何種避讓措施，以及程序模擬運行的時間，每架飛機的飛行總小時數；

所述權限設置系統包括用戶注冊模塊；用戶注冊模塊用于注冊、驗證用戶使用權限；

所述實景模擬系統包括實景模擬模塊；實景模擬模塊包括觀察實景模擬中每架飛機的飛行情況的功能；

所述自由飛行模擬仿真平臺的實現方法，包括如下步驟：

步驟1)?設計飛行規則：在實景模擬模塊中，利用速度乘以時間等于距離這個核心思想建立飛機飛行過程模型：

首先利用速度乘以時間等于距離這個公式，其中：為距離，為速度，?為時間，求出飛機在自由飛行空域內的飛行距離；

其次得到飛機運動的航向，將航向余弦值和正弦值分別乘以飛機在自由飛行空域內的飛行距離，就得到了飛機在軸和軸方向上移動的距離,；

式中為飛機的飛行距離，為飛機在飛機在軸上移動的距離，飛機在軸上移動的距離；

然后就得到飛機在空域內的坐標的橫坐標和縱坐標，其中，；

利用類PlaneSatusUpdate即飛機實時狀態更新，實現對飛機在空域內坐標的更新；針對本模擬仿真平臺，首先給定一片自由飛行的空域，設定空域范圍是2000km×2000km×6km,空域的長度范圍是2000km，寬度范圍是2000km，高度范圍是7000m—13000m，飛行路徑即選定這片空域的入口和出口后，飛機采取直線飛行，當遇到飛行沖突后實施避讓措施，若避讓成功脫離沖突后，飛機重新規劃路徑選擇離出口最近的直線飛行路徑飛行，若避讓不成功沒有脫離沖突，則飛機撞毀；

飛行規則設計如下：

設定空域范圍是2000km×2000km×6km，高度范圍是7000m—13000m，空域入口出口的分布設在每一層上；設第一到七層分別為7000m、8000m、9000m、10000m、11000m、12000m、13000m；

1、每一層左邊的入口A、B、C、D飛行路徑的選擇；

(1)、可選擇相鄰三層(右邊)的出口E、F、G、H，即

第一層7000m的入口A₁?，B₁?，C₁?，D₁可選第一、二、三層7000m、8000m、9000m的出口E、F、G、H

即{E₁?，F₁?，G₁?，H_1?，E₂?，F₂?，G₂?，H₂?，E₃?，F₃?，G₃?，H₃}；

第二層8000m的入口A₂?，B_2??，C₂?，D₂可選第一、二、三層7000m、8000m、9000m的出口E、F、G、H

即{E₁?，F₁?，G₁?，H₁?，E₂?，F₂?，G₂?，H₂?，E₃?，F₃?，G₃?，H₃}；

第三層9000m的入口A₃?，B_3??，C₃?，D₃可選第二、三、四層8000m、9000m、10000m的出口E、F、G、H

即{?E₂?，F₂?，G₂?，H₂?，E₃?，F₃?，G₃?，H₃?，E₄?，F₄?，G₄?，H₄}；

......

第七層13000m的入口A₇?，B_7??，C₇?，D₇可選第五、六、七層11000m、12000m、13000m的出口E、F、G、H

即{?E₅?，F₅?，G₅?，H₅?，E₆?，F₆?，G₆?，H₆?，E₇?，F₇?，G₇?，H₇}；

(2)、可選擇同層的(側邊)的出口H、I、J、K、M、L，即

第一層7000m的入口A₁?，B₁?，C₁?，D₁可選第一層的出口H₁?，I₁?，J₁?，K₁?，L₁?，M₁

即{H₁?，I₁?，J₁?，K₁?，L₁?，M₁}；

第二層8000m的入口A₂?，B_2??，C₂?，D₂可選第二層的出口H₂?，I₂?，J₂?，K₂?，L₂?，M₂

即{H₂?，I₂?，J₂?，K₂?，L₂?，M₂}；

……

第七層13000m的入口A₇?，B_7??，C₇?，D₇可選第七層的出口H₇?，I₇?，J₇?，K₇?，L₇?，M₇

即{H₇?，I₇?，J₇?，K₇?，L₇?，M₇}；

2、每一層側邊的入口H、I、J、K、M、L只能選擇同層(右邊)的出口E、F、G、H，即

第一層7000m的入口H₁?，I₁?，J₁?，K₁?，L₁?，M₁可選出口E₁?，F₁?，G₁?，H₁

即{E₁?，F₁?，G₁?，H₁}；

第二層8000m的入口H₂?，I₂?，J₂?，K₂?，L₂?，M₂可選出口E₂?，F₂?，G₂?，H₂

即{E₂?，F₂?，G₂?，H₂}；

......

第七層13000m的入口H₇?，I₇?，J₇?，K₇?，L₇?，M₇可選出口E₇?，F₇?，G₇?，H₇

即{E₇?，F₇?，G₇?，H₇}；

步驟2)?沖突避讓規則的設計

自由飛行下，飛機的沖突避讓規則設計如下：

在實景模擬模塊中，通過飛機的運動方程得到飛機的航向，計算航向夾角的大小，判斷屬于哪種相遇情況；并得到飛機的坐標（），，（分別為兩架飛機的橫坐標，分別為兩架飛機的縱坐標）求出兩架飛機的水平間距、垂直間距（分別為兩架飛機的垂直坐標），再分別判斷這兩種間距是否滿足小于或者等于模擬所設定的水平安全間距及垂直安全間距，如果滿足則不采取任何措施，如果不滿足則采取不同的沖突避讓措施；

兩架飛機交叉相遇

兩架飛機在同一高度交叉飛行(包含有同向交叉飛行，逆向交叉飛行，90度交叉飛行)時，當距離小于“水平安全間距”時，從駕駛艙左側看到另一架飛機時應當下降高度進行避讓，從駕駛艙右側看到另一架飛機時應當上升高度進行避讓，直到兩個飛機相距垂直方向的距離大于?“垂直安全間距”，重新規劃路徑，飛向出口；

2、兩架飛機追趕相遇

兩架飛機在同一高度中沿同一航線飛行時，當后面的飛機與前面的飛機之間的距離小于“水平安全間距”時，向右轉30度實施超越避讓措施，當兩個飛機距離為500米時，再向左轉30度，在與原航線平行的航線上飛，直到兩機之間的距離大于“水平安全間距”時，重新規劃路徑，飛向出口；

3、兩架飛機不同高度的相遇

當兩架飛機在垂直方向上的距離小于“垂直安全間距”時，處于低高度的飛機下降高度進行避讓，處于高高度的飛機上升高度進行避讓，直到兩個飛機相距垂直方向的距離大于?“垂直安全間距”時，重新規劃路徑，飛向出口。