摘要：隨著航空運(yùn)輸體量提升，空域中的航空器密度隨之增長(zhǎng)。為保障日益繁忙的航空運(yùn)輸活動(dòng)安全與效率，空中交通管理系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化水平正迅速提升，同時(shí)這也對(duì)航空器態(tài)勢(shì)感知能力與高精細(xì)度航跡管理能力提出了更高的要求，使其具備更高的智能化與網(wǎng)絡(luò)化水平，從而與地面系統(tǒng)構(gòu)成一體化的空中交通運(yùn)行體系。與之對(duì)應(yīng)的，由異構(gòu)多元的相關(guān)方構(gòu)成的空中交通運(yùn)行體系向以其為對(duì)象的仿真與驗(yàn)證研宄能力提出了更高的要求，需從體系架構(gòu)的維度進(jìn)行描述與探宄。本文聚焦綜合監(jiān)視應(yīng)用背景，建立所需空中交通運(yùn)行架構(gòu)模型，并設(shè)計(jì)了一套面向綜合監(jiān)視應(yīng)用的分布式仿真系統(tǒng)，可支持包含地面管制系統(tǒng)、航空器、氣象等元素的空中交通運(yùn)行仿真與復(fù)雜場(chǎng)景下機(jī)載綜合監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)功能與性能仿真驗(yàn)證。該系統(tǒng)可在分布式的環(huán)境下運(yùn)行并具備擴(kuò)展和平行仿真能力。關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)視；空中交通；空管航電；分布式仿真引言隨著新冠病毒疫苗普及與全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，交通運(yùn)輸尤其是空中交通運(yùn)輸體量正逐步恢復(fù)到疫情前的水平，并保持著繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[13]。經(jīng)過(guò)短暫的緩和期后，關(guān)于如何保障繁忙空中交通活動(dòng)安全與效率的問(wèn)題再次引起了從局方到空管服務(wù)方、航空公司和研宄機(jī)構(gòu)等各方面的關(guān)注。其中，伴隨著計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域的發(fā)展以及5G技術(shù)的推廣，空中交通管理系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化水平正迅速提高效的新一代空中交通運(yùn)行概念也對(duì)航空器態(tài)勢(shì)感知與高精度航跡等靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的非合作客觀環(huán)境因素的約束與影響[4氣為了探宄空地協(xié)同運(yùn)行的各參與方和環(huán)境因素的空中交通活動(dòng)仿真以及復(fù)雜場(chǎng)在后續(xù)的章節(jié)中，本文首先介紹了新一代空中交通運(yùn)行體系概念；在章節(jié)2中，進(jìn)一步介紹了機(jī)載綜合監(jiān)視應(yīng)用的研究情況；在章節(jié)3中，文章說(shuō)明了用于開(kāi)展綜合監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)驗(yàn)證的分布式空管航電仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)；在章節(jié)4中作出總結(jié)與展望。1、新一代空中交通運(yùn)行體系概述新一代空中交通運(yùn)行體系是面向基于航跡、適應(yīng)多變氣象條件、滿足高密度空域環(huán)境、支持空域交通沖突管理、覆蓋繁忙機(jī)場(chǎng)多跑道高密度起降需求，提供飛行效率和飛行安全的空中交通運(yùn)行體系M。面對(duì)未來(lái)高密度的交通運(yùn)行環(huán)境，現(xiàn)有空中交通管理模式會(huì)導(dǎo)致地面空管人員的工作負(fù)荷增加。新一代空中交通運(yùn)行體系提出了飛機(jī)參與空中交通管理的概念。在地面空管許可的條件下，部分對(duì)飛機(jī)自身的運(yùn)行空管工作授權(quán)給飛機(jī)，形成分布式的空中交通管理模式，地面空管更多關(guān)注空域的整體態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)群體的綜合管制，而飛機(jī)在保證安全的前提下，負(fù)責(zé)管理影響自身運(yùn)行因素的處置，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身運(yùn)行的空管服務(wù)。傳統(tǒng)以功能為導(dǎo)向的航電系統(tǒng)包括通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和指示與記錄等功能劃分的子系統(tǒng)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中的主要工作集中在功能領(lǐng)域，航電系統(tǒng)產(chǎn)品為機(jī)組提供支持飛機(jī)個(gè)體獨(dú)立運(yùn)行所需的通信功能、導(dǎo)航功能、航路引導(dǎo)、飛機(jī)航行以及機(jī)載設(shè)備運(yùn)行的基本信息。機(jī)組利用這些信息配合地面系統(tǒng)形成對(duì)飛機(jī)個(gè)體運(yùn)行的管理。在未來(lái)復(fù)雜空域環(huán)境運(yùn)行條件下，航空器需要與運(yùn)行相關(guān)的利益方進(jìn)行機(jī)載綜合監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)是基于綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)的由機(jī)載航空電子essWarningSystem)應(yīng)用等[8]。此外，綜合利用氣象信息采取的航跡優(yōu)化與協(xié)商等應(yīng)用正成為機(jī)載綜合監(jiān)視應(yīng)用研究的熱點(diǎn)[9]。航跡優(yōu)化問(wèn)題[1°]。Wickramasinghe等人提出了一種基于氣象信息的高效航空運(yùn)輸系統(tǒng)的飛行軌跡優(yōu)化方法[111。以共享后，自由空域飛行將有望實(shí)現(xiàn)[13]。本文以綜合利用空中與地面融合的氣象探測(cè)信息與空中交通態(tài)深入研宄。境要素的分布式仿真環(huán)境，以驗(yàn)證綜合監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)的功能與性能。機(jī)載端與地面端的氣象探測(cè)信息綜合與共享，建立全空域?qū)崟r(shí)氣象態(tài)勢(shì)感知與基于氣象信息的航跡協(xié)商能力。因此，本文建立的空中交通運(yùn)行架構(gòu)模型包含的組成元素有裝備綜合監(jiān)視系統(tǒng)的航空器、地面氣象站、空中交通管制單位、航空公司運(yùn)行中心、全系統(tǒng)信息管理以及氣象激勵(lì)。假設(shè)運(yùn)行場(chǎng)景的范圍僅考慮巡航階段，因此運(yùn)行架構(gòu)模型排除了機(jī)場(chǎng)和終端區(qū)管制單位元素。驗(yàn)證場(chǎng)景所需的空中交通運(yùn)行架構(gòu)模型框架如圖1所示?；谏鲜黾軜?gòu)元素，以活動(dòng)圖的形式直觀描述驗(yàn)證場(chǎng)景，并提取出場(chǎng)景中涉及的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)交互。如圖2所示，氣象站探測(cè)到異常天氣，通過(guò)SWIM將融合的氣象態(tài)勢(shì)信息共享給航空器與地面管制單位，航空器根據(jù)融合態(tài)勢(shì)信息作出改航規(guī)劃與申請(qǐng)，運(yùn)控中心系統(tǒng)根據(jù)融合的交通態(tài)勢(shì)信息審核繞航空器航空器探測(cè)對(duì)流天氣信息信息信息軌跡計(jì)劃意閣航跡信息審核繞飛執(zhí)行協(xié)商接牧飛行意圖審核繞飛氣象因素周邊氣象站圖2運(yùn)行場(chǎng)景活動(dòng)圖2系統(tǒng)概述根據(jù)基于氣象信息的綜合利用場(chǎng)景所建立的空中交通運(yùn)行架構(gòu)的功能與性能。該仿真系統(tǒng)基于IEEE1516e標(biāo)準(zhǔn)與一致性、擴(kuò)展性、可靠性原則，采用HLA架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。仿真系統(tǒng)由基于標(biāo)準(zhǔn)的仿真服務(wù)總線與若干分布的仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成。仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)自身的信息通信要求由仿真對(duì)象模型(SOM)描述，,而仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)間所有共享信息的描述，包括被共享的對(duì)象、其屬性和交互則由聯(lián)邦對(duì)象模型(FOM)規(guī)范。在仿真運(yùn)行過(guò)程中，各仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng)(RTI)即仿真服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)交互操作。采用HLA架構(gòu)的分布式仿真系統(tǒng)具有互聯(lián)互通、靈活可組的優(yōu)勢(shì)。可根據(jù)不同的驗(yàn)證場(chǎng)景要求，靈活地組合仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)搭建不同的仿真驗(yàn)證環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)功能模塊與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的復(fù)用，從而避免產(chǎn)生大量重復(fù)開(kāi)發(fā)與調(diào)試工作負(fù)荷。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)面向綜合監(jiān)視應(yīng)用的分布式空管航電仿真系統(tǒng)需包含運(yùn)行架構(gòu)模型的各參與方元素，且需支持架構(gòu)模型中所描述的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)交互因此，系統(tǒng)應(yīng)包含載有綜合監(jiān)視系統(tǒng)的航空器仿真系統(tǒng)、地面氣象站仿真系統(tǒng)、空中交通管制單位仿真系統(tǒng)、航空公司運(yùn)行中心仿真系統(tǒng)，以及氣象激勵(lì)源仿真系統(tǒng)5個(gè)仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)。上述仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)驗(yàn)證場(chǎng)景要求進(jìn)行實(shí)例化并分布連接至仿真服務(wù)總線。此外，為模擬全系統(tǒng)信息管理功能，在仿真服務(wù)總線中嵌入了基于SWIM概念的航空信息交互規(guī)則。除業(yè)務(wù)系統(tǒng)外，仿真系統(tǒng)還應(yīng)包含總控服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與可視化服務(wù)。包含上述必要仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)和仿真服務(wù)的分布式空管航電仿真系統(tǒng)基本形態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。航空公司運(yùn)行航空公司運(yùn)行中心仿真系統(tǒng)地面氣象站氣象激勵(lì)源航空器根據(jù)驗(yàn)證場(chǎng)景要求，可在分布式仿真系統(tǒng)中接入更多實(shí)例化的仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)。也可將針對(duì)某一驗(yàn)證場(chǎng)景的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和仿真服務(wù)組合整體實(shí)例化接入仿真服務(wù)總線，開(kāi)展平行運(yùn)行的多場(chǎng)景仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，提高仿真驗(yàn)證研宄效率。上述兩種形態(tài)的分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖4和圖5所示。航空器基礎(chǔ)載體航空器基礎(chǔ)載體航電能力載荷領(lǐng)域能力載荷基于元模型設(shè)計(jì)，由基礎(chǔ)載體與可配置的能力載荷構(gòu)成，支持自動(dòng)化航行，支持空地、空空交互，支持萬(wàn)架以上交通仿真場(chǎng)景燃油、排放引導(dǎo)、導(dǎo)航監(jiān)視、通信圖4實(shí)例化的仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)總線設(shè)計(jì)的分布式仿真系統(tǒng)中的航空器仿真系統(tǒng)采用了由航空器基礎(chǔ)載航空器載體與功能載荷解耦，系統(tǒng)可按模塊組合，提高了靈活性；②可在相同的航空器載體上搭載不同的功能載荷模塊，從而可在一致的平臺(tái)上驗(yàn)證不同機(jī)載綜合監(jiān)視應(yīng)用算法的功能與性能，保障了仿真結(jié)果的可靠性；③載體與載荷采用了標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)框架與交互接口，研究人員可專(zhuān)注于本領(lǐng)域的功能算法研宄，減輕了開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)并降低人為因素干擾。采用載體和載荷雙層結(jié)構(gòu)的航空器仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所航空公司運(yùn)行中心仿真系統(tǒng)化服務(wù)氣象激勵(lì)源平臺(tái)服務(wù)總線SWIM地面氣象站化服務(wù)仿真系統(tǒng)其中，航空器基礎(chǔ)載體負(fù)責(zé)解算航空器運(yùn)動(dòng)參數(shù)并根據(jù)場(chǎng)景要求調(diào)用相應(yīng)的功能載荷。航電能力載荷負(fù)責(zé)為航空器仿真系統(tǒng)提供通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、引導(dǎo)等功能；領(lǐng)域能力載荷