基于空管模擬機與管制員指令的航跡推演仿真技術

摘" 要：該文介紹基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真技術，主要用于預測和模擬飛機飛行軌跡。該文詳細討論航跡推演的各類方法，包括轉彎推演、高度推演、速度推演及復合推演，并闡述其各自的實現原理。轉彎推演通過計算飛機的經緯度和航向來模擬轉彎過程，高度推演和速度推演則分別計算航跡點的高度和速度變化。在復合推演中，系統將多個單一推演結果組合，生成綜合性的航跡數據。這些技術為模擬空中交通管理和飛行訓練提供重要的技術支持。

關鍵詞：空管模擬機；管制員指令；航跡推演；管制指令推演；仿真

中圖分類號：V355" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0176-04

Abstract： This paper introduces a trajectory deduction simulation technology based on air traffic control simulators and controller instructions， which is mainly used to predict and simulate aircraft flight trajectories. This paper discusses in detail various methods of track deduction， including turning deduction， altitude deduction， speed deduction and composite deduction， and expounds their respective implementation principles. Turning simulation simulates the turning process by calculating the latitude， longitude and heading of the aircraft， and altitude simulation and speed simulation calculate the altitude and speed changes of the track points respectively. In composite deduction， the system combines multiple single deduction results to generate comprehensive track data. These technologies provide important technical support for simulated air traffic management and flight training.

Keywords： air traffic control simulator; controller command; trajectory deduction; control command deduction; simulation

管制員是空中交通管制系統的重要組成部分，對航空器的安全順利運行及乘客的利益和生命安全擔負著重要責任。世界各國對管制員的素質和能力都有很高的要求。在巨大安全壓力的繁重任務下，提高空中交通管制人員的素質和技能，從而增強空管系統的綜合保障能力，是需要研究探索的重要課題。空管模擬機是培訓管制員的重要工具，在模擬機訓練中，管制員可以進入逼真的管制指揮場景，在空管模擬機上可以實現豐富的空管典型場景模擬，基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真技術應運而生。該技術通過對飛行器在特定條件下的航跡進行模擬與預測，使管制學員能夠在虛擬環境中體驗和處理復雜的飛行場景，讓管制學員深刻領會到錯誤的管制指令將帶來嚴重的后果，為管制員安全意識和情景意識的養成創造了良好的條件，為飛行訓練和管制員培訓提供了重要的工具。

1" 功能介紹

航跡推演仿真是航空領域中用于預測和模擬飛機飛行軌跡的關鍵技術，根據一系列預設的約束條件，通過計算機仿真技術，預測飛機未來的飛行路徑，其核心在于計算一定時間間隔后的航跡點數據，包括時間、經緯度、航向、速度和高度等。管制模擬機作為管制員訓練的工具，可用于模擬各類一線管制真實場景，在管制模擬機的平臺上進行航跡推演仿真，既能達到真實性的要求，又能兼顧場景仿真的多樣性；管制模擬機數據的獲取較為便利，且相關數據未涉密，可廣泛應用于飛行訓練和管制員培訓。本文基于管制模擬機及管制員指令等約束，使管制教員和學員在模擬機案例復盤過程中，可對錄入的管制指令進行模擬仿真，推演模擬航空器對管制指令的執行情況，推演模擬航空器對管制指令的執行情況，分析不同管制決策對空管運行場景的影響。

在基于模擬機和管制員指令的航跡推演仿真中，航跡推演的類型主要根據管制員所發出的指令類別進行分類。通常，管制員的指令可分為航向指令、高度指令和速度指令。每種指令對應特定的航跡推演類型：航向指令對應轉彎推演，高度指令對應高度推演，速度指令對應速度推演。當管制員發出多個不同類別的指令時，這些指令可以組合起來，形成復合推演。復合推演能夠同時處理多個飛行參數的變化，如在執行轉彎的同時調整高度或速度，從而更加真實地模擬復雜飛行場景。

轉彎推演： 轉彎推演涉及飛機從當前航向轉彎至目標航向的過程。在這個過程中，管制員可能會明確指示飛機左轉或右轉至目標航向。但在某些情況下，管制員只會告知目標航向，而不指定轉向方向。此時，系統會自動計算最小轉角，以確定是左轉還是右轉，從而使飛機以最短路徑達到目標航向。

高度推演： 高度推演是指飛機從當前高度調整至目標高度的過程。該過程可能涉及飛機上升到更高的高度，或者下降到更低的高度。無論是爬升還是下降，系統都需要根據管制員的指令精確地控制飛機的高度變化，確保飛行安全。

速度推演： 速度推演涵蓋了飛機速度的調整過程，具體表現為從當前速度加速到目標速度，或者減速到目標速度。根據管制員的指令，飛機需要在飛行過程中進行速度調整，以適應空域條件或飛行任務的要求。

復合推演：復合推演是由多個單一推演組合而成的復雜推演過程。當管制員接連下達2個或更多的單一推演指令時，系統會將這些指令組合起來，形成復合推演。例如，管制員可能先指示飛機左轉至某個航向，然后緊接著要求爬升至某個高度。在這種情況下，系統會同時處理航向和高度的變化，以生成符合要求的推演航跡。

2" 實現原理

2.1" 空管模擬機數據引接

本文所用的數據包括管制學員在空管模擬機上訓練所產生的數據，主要包括飛機的航跡數據及一些基礎數據。基礎數據是指在空管模擬訓練過程中保持不變的、靜態的數據集，這些數據在整個訓練過程中不會發生變化，主要用于構建模擬環境的基本框架，包括航線、航路及管制扇區等空域情況。數據采用離線導入或手動配置的形式。航跡數據使用UDP組播的形式進行實時采集。在管制學員練習運行過程中，這些數據會實時發送至引接程序中，反映飛機在模擬機中的實際運行狀態。航跡數據包括多項信息，其結構為組號、時間、航班個數N和航班信息（N×44）的形式。其中，組號用于標識數據包的來源，即模擬機席位，時間記錄了航跡數據生成時間，確保模擬環境的時間同步。每個航班信息以44節的數據包形式組織，包含多個關鍵數據項，如航班的計劃號、航班呼號、尾流等級、當前經緯度、飛行高度和地速等，為后續的基于空管模擬機和管制員指令的航跡推演仿真提供數據基礎，見表1。

2.2" 轉彎推演

轉彎推演的實現主要通過計算航跡點的經緯度和航向完成，高度和速度通常沿用已有數據或保持不變。關鍵參數包括轉彎時的飛機傾角和從水平滾轉到設定傾角的時間，這些參數確保推測過程的精確性。為了抽象出飛機轉彎推演算法，轉彎推演將飛機執行轉彎劃分為3個過程，分別是轉彎前段、轉彎中段及轉彎后段。轉彎前段又根據飛機推演點的姿態劃分為正向段、回正段及順向段。定義如下。

1）轉彎前段：這個階段是飛機傾角從初始狀態逐漸過渡到預定的轉彎坡度的過程。在轉彎前段，根據飛機的姿態，進一步細分為3個子階段。

正向段：飛機以直線飛行的姿態進入轉彎前段，意味著此時飛機尚未開始轉彎，航跡是直線的。

回正段：在這一階段，飛機以逆轉向的姿態進入轉彎前段，這通常發生在飛機從先前的轉彎中恢復水平狀態之前，需要通過回正段將飛機的飛行傾角逐漸恢復到水平狀態。

順向段：飛機以正轉向的姿態進入轉彎前段，此時飛機的轉向與即將執行的轉彎方向一致，直接進入下一步的傾角調整。

2）轉彎中段：在這一階段，飛機已經達到了設定的轉彎坡度，轉彎中段的關鍵特征是飛機以恒定的傾角和航向進行轉彎。此時，飛機的轉彎路徑呈現為穩定的圓弧形，航跡點的經緯度和航向在計算中按照固定的角速度進行更新。

3）轉彎后段：這個階段標志著轉彎的結束，飛機傾角逐漸從轉彎坡度滾轉回正到水平0°。在轉彎后段，飛機逐漸退出轉彎，航向趨向穩定，最終進入直線飛行狀態。這一階段的計算重點是平滑過渡，確保飛機在退出轉彎后能夠順利回到直線飛行的軌道上。

以一個正在轉彎的飛機進行逆向轉彎的推演為例，該過程需要經歷“回正段”，將飛機的飛行傾角恢復到水平狀態，然后再進入“轉彎前段”建立新的轉彎坡度，隨后的轉彎將進入“轉彎中段”并持續按照該坡度轉彎，最終進入“轉彎后段”，在此階段，飛機將逐漸將傾角回到水平。通過這一過程，轉彎推演得以精確模擬飛機的實際轉彎動態，如圖1所示。

轉彎可以簡單理解為飛機以特定的轉彎半徑繞著一個固定點，以一定的轉彎率進行旋轉。然而，轉彎的實際過程比這種簡單描述復雜得多。轉彎半徑與飛機的傾角和速度密切相關，而在整個轉彎過程中，這2個因素都可能發生變化。由于傾角和速度的動態變化，飛機的轉彎軌跡雖然接近于圓弧曲線，但實際上并非完美的圓弧，而是稍有偏差的曲線路徑。轉彎半徑和轉彎率的計算方法如圖2所示，通過這些計算可以更精確地描述飛機的轉彎過程和軌跡特點。推演路徑如圖3所示。

2.3" 高度推演

高度推演的核心是計算航跡點的高度，而航跡點的航向和速度通常沿用已有的實際航跡數據或保持不變。對于航跡點的經緯度，通常是沿用已有的實際航跡數據，或者在保持航向不變的情況下向前推算。在高度推演中，設置了4個關鍵參數：用于爬升的上升率和上升率建立時間，以及用于下降的下降率和下降率建立時間。這些參數確保高度調整過程的精確模擬，無論是飛機爬升還是下降，都能夠根據設定的速率和時間，逐步達到目標高度。同轉彎推演類似，分為爬升前段、爬升中段及爬升后段，如圖4所示。

2.4" 速度推演

速度推演指的是飛機從當前速度加速到目標速度或減速到目標速度的過程，其主要任務是計算航跡點的速度。在此過程中，航跡點的高度通常沿用已有的實際航跡數據或保持不變。對于航跡點的經緯度和航向，通常通過推測飛行距離從實際航跡中獲取，或者在航向不變的情況下向前推算。速度推演中設置了2個關鍵參數：加速用時和減速用時，分別表示飛機從當前速度達到目標速度所需的時間。其計算公式為

2.5" 復合推演

復合推演是通過將2個或2個以上的單一推演組合在一起形成的綜合性推演方法。在每個單一推演過程中，系統分別計算航跡點的相關數據，如經緯度、航向、高度和速度，而復合推演的任務則是從這些單一推演結果及實際航跡數據中提取和組合各個航跡點的數據，以生成完整的航跡。

在復合推演中，各個單一推演所計算的航跡點數據在組合時需遵循一定的約定原則，以確保最終的航跡點數據準確反映飛機的飛行狀態。這些原則包括如下幾點。

轉彎推演的優先性：如果復合推演中包含轉彎推演，那么航跡點的經緯度和航向應由轉彎推演的結果來決定。這是因為轉彎推演對飛機的路徑變化有直接影響，準確的經緯度和航向對于反映真實的轉彎軌跡至關重要。

高度推演的優先性：在復合推演中，如果包含高度推演，則航跡點的高度應由高度推演的結果決定。高度推演的作用是精確計算飛機的爬升或下降過程，因此在復合推演中，高度數據的準確性直接影響飛行的安全性和軌跡的可靠性。

速度推演的優先性：如果復合推演中有速度推演，則航跡點的速度應取自速度推演的結果。速度推演的重要性在于它直接關系到飛機在空中的動力學表現，影響著飛機的飛行效率和操作響應，因此在復合推演中，速度數據必須精確反映飛機的實際加速或減速過程。

通過嚴格遵循這些組合原則，復合推演能夠有效整合各個單一推演的結果，生成符合飛行實際的航跡點數據，確保推演過程的可靠性和準確性，為航空模擬和飛行控制提供重要的技術支持。

3" 推廣應用

航跡推演仿真技術具有較大的推廣前景，主要體現在以下2個方面。

1）隨著對空管運行精細化要求，管制單位、航空公司、相關監管部門都需要能實現航跡推演功能的技術，來輔助對空管運行場景的復盤，實現管制指令對空管運行影響的評估。

2）通過對空管運行過程進行推演仿真，對實際運行情況進行直觀模擬，可為管制員、飛行員在航空運行保障培訓中提供強有力的支持，在空管系統、中小機場管制單位、航空公司等培訓領域具有廣闊的應用推廣潛力。

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