基于航空器運行意圖的信息交互方法

馬 蘭，張 銳

（中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300）

基于航空器運行意圖的信息交互方法

馬 蘭，張 銳

（中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300）

引入航空器意圖描述語言（ALDL）的概念，將航空器運行意圖編譯生成意圖描述語言指令數據，將指令數據輸入到航跡仿真模型中的邏輯控制程序，實現仿真模型中AIDL指令數據的輸入環節，完善航空器運行意圖的信息交互方法。利用航跡仿真模型獲得AIDL指令下的航跡數據，與實際雷達航跡進行對比分析，驗證AIDL語言在數據信息傳遞中的準確性和有效性。

AIDL；軌跡預測方程；信息交互

目前管制信息的傳輸主要是通過話音進行通信，而通信設備的好壞以及信號的強弱會直接影響到通信傳輸的準確程度，隨著新航線系統CNC/ATM數據鏈技術日益成熟，既有的管制模式將會由單一的陸空通話發展為以數據鏈信息傳遞為主、陸空通話為輔的管制模式，管制系統中的科技應用會有更大的發展[1]。

本文研究借鑒了航空器意圖語言的信息編碼優勢，將生成的AIDL指令數據編譯為航跡仿真模型中的stateflow邏輯控制程序，實現AIDL指令數據與matlab仿真模型之間的程序接口，利用航跡仿真模型獲得AIDL指令下的航跡數據，與實際雷達航跡進行對比分析，驗證AIDL語言在數據信息傳遞中的準確性和有效性。

1 航空器意圖描述語言

航空器意圖描述語言[2]是一種以 XML為基礎的可操作的計算機語言，可以將飛行意圖和管制意圖等多種信息用標準化的語言統一描述，實現基于意圖的航空器運行信息的標準化。航空器意圖描述語言，利用航跡預測過程的物理模型和數學公式，結合正則語言法則，使用32個基本語言指令和指令組合語法，將航空器飛行意圖進行語言編碼，生成可執行的計算機語言集合。將這些代碼輸入到運行系統，實現標準化的數據交換模式高精確度的地空通信。

1.1 航空器運動學方程

AIDL是通過一組航空器運動學方程來定義的，運用這些運動方程來描述航空器運動和飛行操作。航空器航跡的位置通常使用慣性坐標系的3個坐標表示：橫向坐標（x），縱向坐標（y），高度（h）；描述航空器的飛行姿態角：飛行迎角（α），傾斜角（θ）。考慮了風的影響因素，在航空器運動學方程的基礎上對航跡計算模型進行改進[3]，動力學方程為

其中：v為航空器真空速；m為航空器的質量；T為推力；D為阻力；L為升力；α為航空器迎角；θ為爬升角角；Vw為風速；F為燃油消耗率。

1.2 航空器運行狀態變量與AIDL指令的對應聯系

將航空器的運動方程改寫為狀態方程的形式，航空器的每個運動及意圖都對應一個狀態量的改變，通過所改變的狀態量找出影響的運動方程來進行計算。對式（1）～式（5）進行改寫，得到如下方程

其中：E為影響航空器運動方程中變量計算的氣象因素，E內的4個變量分別表示壓力、溫度、重力加速度和風速；δLG、δHL、δSB分別表示影響航空器運動的3個構型變量：起落架、增升裝置和減速剎車裝置。AIDL狀態模塊包括對應的推力、速度、爬升角、航向角和飛行高度等。在航空器飛行過程中，對AIDL指令與飛行參數逐一對應，根據預設的動作改變開始和結束時間來控制運行執行。意圖語言是實現將上述命令信息編碼，提供編碼格式，32個基礎指令碼，不同的飛行命令需要不同的命令碼組合來定義[4]。

航空器運動學模型公式與AIDL指令對應關系說明：式（6）中關于速度的計算公式，變量分別是速度命令、爬升角度、航空器迎角、升力大小、起落架、增升裝置、減速板、氣象因素和時間。關于速度變化的編組：1，3，7，8，12，13，對應的指令控制類型是：油門控制、速度控制、水平方向速度引導、垂直方向速度引導、減速板設置、起落架設置，如表1所示。所以設定一個完整的速度命令涉及飛機的推力控制、升阻力控制、姿態角度不同引起的水平和垂直方向的速度、速度設定。航空器運動狀態方程各狀態變量對應的AIDL指令中不同的指令組合，要求做到盡可能完整描述。

表1 AIDL指令的分組與相關狀態變量Tab.1 Classification and relevant state variables of AIDL commands

2 信息交互方法設計

運用AIDL來實現信息交互的過程[5]，如圖1所示。管制員輸入的管制意圖信息，按照AIDL編寫法則，生成AIDL指令數據，AIDL指令數據通過數據傳輸通道，發送到機載設備系統。飛行員對航空器進行操作時，機載設備將執行操作編譯為AIDL指令數據，將指令傳遞給管制員，再由管制員進行意圖分析，若執行指令正確，管制員就不再發布指令干預。

圖1 AIDL數據信息交互圖Fig.1 AIDL data information interaction

2.1 航空器運行意圖的信息交互方法步驟

1）按照AIDL編譯方法，將運行意圖信息編譯生成AIDL指令數據；判斷當前的AIDL指令是否合法，如果合法執行編譯，如果不合法則需要審核管制意圖信息的正確性；

2）設計Matlab仿真模型與AIDL指令數據輸入之間的接口程序，將AIDL指令的數值賦予仿真模型的參數，建立仿真模型的邏輯控制程序，實現使用AIDL指令控制航跡仿真的進程；

3）用Matlab建立航空器航跡仿真模型，計算飛行軌跡[6]主要是實現意圖信息—AIDL指令集合—仿真輸入參數的過程；

4）仿真結果的輸出，檢驗飛行狀態是否按照預設意圖改變。

圖2給出了數據信息交互及航跡計算的流程圖。

圖2 基于AIDL的信息交互流程圖Fig.2 Information interaction flow chart based on AIDL

2.2 邏輯控制程序

將航空器運行中起飛爬升段、巡航段和下降著陸的運行意圖信息按照AIDL語言法則進行編譯，配置適當的指令數據，獲得表2中的AIDL指令程序表示。

表2 航跡運行意圖的AIDL指令表示Tab.2 AIDL commands of trajectory operation intention

將AIDL指令數據輸入Matlab程序中，將指令中數值賦予模型中的參數變量，通過stateflow設計仿真模型的航向角邏輯控制程序和航跡爬升角度邏輯控制程序，如圖3和圖4所示。

圖3 航向角邏輯控制程序Fig.3 Logical control process of heading angle

圖4 航跡爬升角度邏輯控制程序Fig.4 Logical control process of flight climbing angle

圖3和圖4的邏輯控制程序可以嵌入到Matlab航跡仿真模型中，在仿真實例中直接運用這兩個邏輯控制程序，實現基于AIDL指令數據的航跡仿真進程控制。

3 算例仿真

航班神鹿5160由海口/美蘭機場飛往廣州/白云機場，所執飛的航空器機型為A320中機型，通過FlightAware提取獲得航空器狀態，包括：航空器坐標信息、高度、地速、航向等，實驗數據如表3所示。

表3 航空器信息Tab.3 Aircraft information

使用AIDL語言將上述航跡特征點的航空器意圖按照正則語法表示；設計與Matlab的程序接口[7]，通過航空器運動學模型進行仿真實驗，獲得仿真結果圖，如圖5所示。

表4 標示整條航跡的特征點數據Tab.4 Data of total trajectory waypoint

圖5 航跡立體空間圖Fig.5 Space figure of flight trajectory

圖5中，實際航跡是神鹿5190航班執行由海口美蘭到廣州白云的飛行計劃的實際雷達航跡，仿真航跡是使用AIDL指令控制航空器運行的仿真航跡。兩條折線在局部有些偏差，是由于仿真模型中風的影響，航跡趨勢是相同，可證明AIDL指令語言在航空器仿真運行中具有實用性。

4 結語

本文引入了航空器意圖描述語言的概念，利用AIDL的發展將航空器運行意圖編譯生成AIDL指令數據，將指令中數值賦予模型中的參數變量，通過stateflow設計仿真模型的航向角邏輯控制程序和航跡爬升角度邏輯控制程序，實現了航空器意圖信息與仿真模型之間的銜接設計，完善了航空器運行意圖的信息交互方法。通過仿真實驗獲得了AIDL指令控制下的仿真航跡，與實際雷達數據進行對比分析，兩種的航跡趨勢是相同，AIDL指令語言在航空器仿真運行中具有實用性和在數據信息傳遞中的準確性。

[1]伊 群.美國新一代空中交通管理系統運行概念[J].中國民用航空. 2007(80):27-31.

[2]LOPEZ-LEONES J,VILAPLANA M A,GALLO E,et al.The Aircraft Intent Description Language：A Key Enabler For Air-Groud Synchronization in Trajectory-based Operations,Boeing[C]//Research&Technology Europe,Madrid（Spain）IEEE/AIAA 26th Digital Avionics Systems Conference,2007，7：1.D.4-1-1.D.4-12.

[3]王 琦.面向對象的空中交通進程仿真技術及應用 [D].天津:中國民航大學,2008.

[4]GALLO E,NAVARRO F A.Advanced Aircraft Performance Modeling for ATM：BADA 4.0 Results[C]//Research&Technology Europe,Madrid（Spain）IEEE/AIAA 25th Digital Avionics Systems Conference,2006.

[5]馬 蘭,程一琳,林 鶯.基于AIDL的氣象模型4D航跡預測[J].航空計算技術,2012,42(6):1-4,12.

[6]王 超.飛行程序運行評估的理論與方法研究[M].北京:航空工業出版社,2014.

[7]張 威.Stateflow邏輯系統建模[M].西安:西安電子科技大學,2007.

（責任編輯：黃 月）

Information interaction method based on aircraft operation intention

MA Lan,ZHANG Rui
（Air Traffic Management College,CAUC,Tianjin 300300,China）

AIDL is introduced in order to compile the aircraft operation intention and to generate AIDL instruction data.The logic control programs are implemented by using the data of AIDL instructions to complete the input part of the simulation model and to improve the aircraft information interaction method.The simulation trajectory is obtained under AIDL instructions.Compared with the actual radar track,it is verified that AIDL is more accurate and effective in data transmission.

AIDL;trajectory prediction equation;information interaction

V355

：A

：1674－5590（2016）06－0006－04

2016-03-10；

：2016-04-20

：國家自然科學基金項目（U1333116）

馬蘭（1966—），女，天津人，副教授，博士，研究方向為交通運輸規劃、空管信息處理等.