机载移动端场面引导软件设计与仿真研究

为了减轻飞行员在繁忙机场场面运行的工作负荷,提升场面运行安全与效率,设计了一种基于移动电子设备运行的场面引导软件。其采用可扩展架构和模块化功能设计,通过无线通信网络与综合场面监视系统交联,实现场面引导功能。仿真测试表明,机载移动端场面引导软件能够为飞机在场面滑行操作提供路径引导信息和冲突告警提示,可提升运行效率和安全性,具有一定的使用价值。

民机驾驶舱场面引导功能分析与人机界面设计

未来空域密度日趋增大,需要先进的场面移动目标引导和控制系统技术来提高机场运行效率,降低事故率。文章瞄准航空系统组块升级机场场面运行下的民机驾驶舱场面引导功能,首先描述机场场面运行的总体概念,对场面引导的数据交互和机载功能架构进行分析;然后基于所梳理的显示控制功能清单,设计场面引导的人机界面,完成从顶至下的民机驾驶舱场面引导功能的初步设计过程;最后经过CSUQ、QUIS、界面综合评价量表3份问卷的评估及焦点小组讨论,证明该界面设计合理,具备实用性。

面向冲突避免的航空器场面滑行引导方法

为避免大型高密度机场航空器之间可能发生的冲突,提出了一种基于混杂系统结构的滑行引导方案.建立了航空器滑行连续动力学模型和航空器在滑行道直线段、交叉口运行的离散事件动态系统模型,通过场面运行观测器建立了连续状态到离散状态的映射.采用禁止状态线性不等式约束和禁止状态逻辑互斥约束,描述场面运行模型应遵循的控制规范,并给出满足控制规范的离散控制器设计方法.最后建立了运行模型中可控变迁的使能状态到场面冲突控制策略的映射.通过助航灯光沙盘控制系统的验证表明,该滑行引导方法能及时对可能冲突的航空器采取恰当的控制策略,并实时生成航空器滑行操纵指令,能有效避免航空器滑行冲突.

基于事件驱动型传感器网络的场面目标跟踪方法

针对传统机场场面监视手段的固有缺陷,为避免在机场发生航空器/车辆入侵跑道,将事件驱动型传感器网络引入到场面目标监视中,研究了1种基于灰色序列输入扩张状态观测器的场面目标跟踪方法。该方法采用灰色模型对速度序列进行建模,弱化了原始速度序列随机干扰的影响,并结合目标运动模型辨识理论设计了1类扩张状态观测器观测系统状态,实现了场面运动目标跟踪与模型参数辨识,应用仿真算例对模型和方法进行了验证,x轴速度误差峰值不超过2.6m/s,该方法具有所需数据少、预测精度高和无需先验信息的特点。

A-SMGCS滑行道交叉口引导灯控制指令决策方法

为实现A-SMGCS(先进机场场面引导与控制系统)中滑行道交叉口引导灯控制指令的自动决策,提出了一种基于Petri网的控制决策方法.首先应用Petri网构建交叉口运行动态模型,并建立相应的标识控制规范.然后,针对航空器在交叉口资源占用冲突,利用动态模型的优先控制使能变迁来决策引导灯指令,以控制航空器在交叉口的运行顺序,并给出对变迁进行优先控制使能选择的充要条件和遴选算法;构造有色监视器对模型的标识控制规范遵循情况进行监视,并结合优先控制使能变迁遴选算法提出引导灯控制指令决策算法.最后,通过算例说明了交叉口引导灯控制决策方法的有效性.

基于FlightGear的A-SMGCS场面活动三维仿真

针对A-SMGCS系统场面活动三维仿真问题,提出一种以开源模拟飞行器FlightGear为场景仿真平台,以实时ADS-B监视数据为驱动,以Linux为操作平台的机场场面活动三维仿真系统设计新方法。仿真系统按照实际机场模型进行机场布局设计,飞机、航站楼、塔台三维建模,地形数据生成,对真实机场环境进行了完整建模。由于ADS-B监视数据缺少飞机姿态信息,提出一种根据位置数据推算出姿态信息的新方法。首先把ADS-B监视数据进行航迹卡尔曼滤波,然后根据飞机前后两个位置的空间连线矢量计算飞行姿态。通过FlightGear多机网络数据接口导入飞机定位数据与姿态数据驱动飞机模型运动,实现了对飞机运动的六自由度仿真。仿真结果表明,该系统能逼真、准确再现真实机场飞机实时活动情况。由于完全基于开源软件设计,该系统低成本实现了对场面活动的实时三维仿真。

基于VDL-4技术的机场场面车辆管理系统研究

介绍了VDL-4数据链通信技术与GPS定位技术,并利用其设计了一套实用化的机场场面车辆管理系统。分析了该系统中的车载终端系统采用GPS+航位推算(DR)+地图匹配(MM)技术不仅可以提高系统的定位精度,而且也可以提高抗GPS遮挡能力。由于VDL-4数据链符合ADS-B技术标准,也便于将该系统扩展到飞机上应用,实现统一的场面管理。

基于4D轨迹的机载端滑行引导算法

针对繁忙机场航空器场面滑行效率低、延误大的问题,提出一种基于4D轨迹的场面滑行引导算法。首先根据机场结构建立机场拓扑模型;然后对传统Dijkstra算法进行改进,在考虑路段翼展约束和转弯约束的情况下,为航空器规划一条最优滑行路径,并根据管制设定的所需到达时间(RTA)为所有轨迹点分配相应的RTA,从而得到一条目标4D滑行轨迹;最后,航空器在速度引导算法指引下实现对4D轨迹的追踪。速度引导算法是以航空器平顺滑行为目标,根据航空器当前的运动状态,以航空器性能、速度、RTA为约束,动态计算出最优的滑行参考速度,从而实现精准的4D轨迹追踪。仿真实验结果表明,机载端滑行引导算法能为航空器提供一条合理平顺的滑行轨迹,并能在参考速度的引导下高效准时地到达终点。

A-SMGCS滑行道冲突预测与避免控制

针对先进机场场面引导与控制系统(Advanced surface movement guidance and control system,A-SMGCS)滑行道冲突预测与避免控制,提出基于事件反馈的闭环控制框架,并重点解决对头冲突预测与避免控制问题。建立滑行道受控着色Petri网模型。提出航空器可控滑行路段概念,并给出其对应子模型的生成规则。利用子模型中环路和环路链,给出无对头冲突的充分必要条件。提出对头冲突避免控制策略,以及适合实时控制的对头冲突预测与避免控制算法。算例表明本文能根据场面状态及时识别对头冲突并实现冲突避免。

基于DEDS的A-SMGCS航空器动态滑行路径规划

为实现先进场面引导与控制系统中航空器动态滑行路径规划,建立了基于静态路径规划、动态路径规划和实时路径更新的总体框架。依据跑道、滑行道和停机坪使用规则建立基于Petri网的场面活动模型及线性不等式约束的活动控制规范,给出了当前规划航空器在满足与场面其他滑行航空器不冲突条件下的极大代数状态方程,并将静态预选路径作为可行解对滑行路径进行动态优化。针对滑行中出现的时间偏差,采用时间窗调整或再规划策略更新路径。仿真实例结果表明,动态路径规划从战术上避免滑行冲突,减少航空器的等待时间,显著提高了场面交通容量。

A-SMGCS中的航迹关联设计与实现

针对民航先进场面引导与控制系统(A-SMGCS)下的多传感器航迹关联融合问题,提出一种快速的航迹关联方法。该方法与基于分布式的联邦卡尔曼滤波相结合,构成一种稳定可靠的系统结构,并结合场面监视传感器特性,达到效率与精度的平衡。仿真实验结果表明,该关联方法是有效可行的,且具有较高的精度和处理效率。

多点定位混叠信号的盲分离

将盲分离算法应用到多点定位系统的抗干扰处理中,介绍了对多点定位的干扰形式和混叠情况,分析了分离混叠信号的物理依据和相应的方法,阐述了盲分离算法的原理和白化方法。采用盲分离领域的快速固定点算法分离和重构信号,结合多点定位系统的特点作了相应改进,给出了详细的步骤。仿真结果表明,快速固定点算法能够有效分离多点定位系统的S模式混叠信号,获得了较高的成功率。

基于多智能体系统的飞机滑行路径规划

为解决先进场面活动引导与控制系统中的飞机滑行初始路径规划问题,提出一种基于多智能体系统(multi-agent system,MAS)仿真的方法实现飞机在场面上任意起始点到目的地的最短路径规划.首先,针对传统的有向图模型对机场场面运行刻画不足的问题,提出滑行资源图模型对机场控制区进行建模,既能对机场控制区进行高效建模又使模型不过于复杂.其次,设计最短路径规划多智能体系统,通过飞机Agent在资源节点Agent的繁殖能力与对资源的独占属性限制,实现对资源节点遍历并同时又保证每个节点最多被访问一次;最后,利用Anylogic实现机场场面初始路径规划多智能体仿真系统开发.仿真结果表明,设计的多智能体系统不但能快速计算出最短路径,且路径规划过程直观可视,算法复杂度与Dijkstra算法相同,满足初始路径规划要求.

NOVA场监系统与FIPS系统的数据连接问题分析

广州白云国际机场塔台使用的NOVAA-SMGCS高级场面监视引导与控制系统和FIPS航班信息处理系统是重要的空中交通管制设备,两个系统之间分别通过单接口进行数据互联。若两个系统之间出现问题,会直接影响航班计划等业务,管制将无法正常使用场监系统,造成安全隐患。通过分析两个系统的互联结构,对现存的接口问题提出了解决对策。

基于EHPN的A-SMGCS机场滑行道运行控制建模

针对先进机场场面引导与控制系统(A-SMGCS)中滑行道运行控制建模,提出一种基于扩展层次Petri网(EHPN)的建模方法。将滑行道分为交叉口和直线段模块,然后对模块内部的航空器行为进行封装,形成基于扩展Petri网的过程层通用模块,并进一步采用同步合成技术建立过程层模型。利用面向Agent的着色赋时Petri网建立决策层通用模块,同时将场面运行控制知识与模块的库所和变迁集成,增强模型的智能决策能力。采用某机场12h滑行道运行数据进行了仿真试验。研究结果表明:基于EHPN模型的仿真,其直线段和交叉口冲突次数分别为6次和11次,滑行道系统总延误为346s,与SIMMOD仿真模型效果相近,因此,该建模方法有效。

基于Petri网的A-SMGCS航空器滑行路由指派

依据A-SMGCS(先进机场场面引导与控制系统)三阶段路由规划策略提出一种基于Petri网的航空器滑行路由指派方法.首先给出一种场面运行时间窗约束Petri网模型构造算法,以及一种基于不变状态的行为演变算法,实现以航空器滑行冲突避免为目标的可行滑行路由求解;其次利用单亲遗传算法、以可行路由解作为初始种群,设计一种新的换位变异混合算子,实现以滑行成本最少为目标的滑行路由指派;最后基于Anylogic平台将所给路由指派方法与实际场面管制中固定路由指派方法进行对比.研究表明,所给方法收敛性良好,能减少航班平均滑行时间和机位推出延误.

基于空闲时间窗和多Agent的A-SMGCS航空器滑行路由规划

先进场面活动引导与控制系统(A-SMGCS)中的航空器滑行路由规划是一个典型NP难题。为解决航空器滑行路由规划的优化性和计算量之间的矛盾,提出一种基于空闲时间窗的路由规划方法,并利用多Agent系统(MAS)进行算法求解。首先,建立滑行资源图以对场面滑行区进行建模。其次,按照航班计划为航空器设置滑行优先级,并按优先级顺序依次规划路由,后规划的路由不破坏已有路由,即利用滑行路段的空闲时间窗进行规划。每次只需为一架航空器规划滑行路由,降低了问题的求解难度;通过搜索空闲时间窗获得路由使场面交通均衡分布,保证了路由规划的整体优化性。分析了空闲时间窗特性,指出空闲时间窗的可达性条件和避免同步资源交换冲突的条件。最后,设计MAS,把建立、维护和搜索空闲时间窗图的复杂集中式求解过程简化为通过路由管理Agent,航空器Agent和资源节点Agent相互协作实现对场面路由规划问题的分布式求解。仿真结果表明,设计的MAS能够快速找到空闲时间窗中的最优解;与固定预选滑行路径算法相比,航空器的平均滑行时间显著减少,最多可以节省19.6%的滑行时间。