基于航空器运行意图的信息交互方法

马 兰，张 锐

（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

基于航空器运行意图的信息交互方法

马 兰，张 锐

（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

引入航空器意图描述语言（ALDL）的概念，将航空器运行意图编译生成意图描述语言指令数据，将指令数据输入到航迹仿真模型中的逻辑控制程序，实现仿真模型中AIDL指令数据的输入环节，完善航空器运行意图的信息交互方法。利用航迹仿真模型获得AIDL指令下的航迹数据，与实际雷达航迹进行对比分析，验证AIDL语言在数据信息传递中的准确性和有效性。

AIDL；轨迹预测方程；信息交互

目前管制信息的传输主要是通过话音进行通信，而通信设备的好坏以及信号的强弱会直接影响到通信传输的准确程度，随着新航线系统CNC/ATM数据链技术日益成熟，既有的管制模式将会由单一的陆空通话发展为以数据链信息传递为主、陆空通话为辅的管制模式，管制系统中的科技应用会有更大的发展[1]。

本文研究借鉴了航空器意图语言的信息编码优势，将生成的AIDL指令数据编译为航迹仿真模型中的stateflow逻辑控制程序，实现AIDL指令数据与matlab仿真模型之间的程序接口，利用航迹仿真模型获得AIDL指令下的航迹数据，与实际雷达航迹进行对比分析，验证AIDL语言在数据信息传递中的准确性和有效性。

1 航空器意图描述语言

航空器意图描述语言[2]是一种以 XML为基础的可操作的计算机语言，可以将飞行意图和管制意图等多种信息用标准化的语言统一描述，实现基于意图的航空器运行信息的标准化。航空器意图描述语言，利用航迹预测过程的物理模型和数学公式，结合正则语言法则，使用32个基本语言指令和指令组合语法，将航空器飞行意图进行语言编码，生成可执行的计算机语言集合。将这些代码输入到运行系统，实现标准化的数据交换模式高精确度的地空通信。

1.1 航空器运动学方程

AIDL是通过一组航空器运动学方程来定义的，运用这些运动方程来描述航空器运动和飞行操作。航空器航迹的位置通常使用惯性坐标系的3个坐标表示：横向坐标（x），纵向坐标（y），高度（h）；描述航空器的飞行姿态角：飞行迎角（α），倾斜角（θ）。考虑了风的影响因素，在航空器运动学方程的基础上对航迹计算模型进行改进[3]，动力学方程为

其中：v为航空器真空速；m为航空器的质量；T为推力；D为阻力；L为升力；α为航空器迎角；θ为爬升角角；Vw为风速；F为燃油消耗率。

1.2 航空器运行状态变量与AIDL指令的对应联系

将航空器的运动方程改写为状态方程的形式，航空器的每个运动及意图都对应一个状态量的改变，通过所改变的状态量找出影响的运动方程来进行计算。对式（1）～式（5）进行改写，得到如下方程

其中：E为影响航空器运动方程中变量计算的气象因素，E内的4个变量分别表示压力、温度、重力加速度和风速；δLG、δHL、δSB分别表示影响航空器运动的3个构型变量：起落架、增升装置和减速刹车装置。AIDL状态模块包括对应的推力、速度、爬升角、航向角和飞行高度等。在航空器飞行过程中，对AIDL指令与飞行参数逐一对应，根据预设的动作改变开始和结束时间来控制运行执行。意图语言是实现将上述命令信息编码，提供编码格式，32个基础指令码，不同的飞行命令需要不同的命令码组合来定义[4]。

航空器运动学模型公式与AIDL指令对应关系说明：式（6）中关于速度的计算公式，变量分别是速度命令、爬升角度、航空器迎角、升力大小、起落架、增升装置、减速板、气象因素和时间。关于速度变化的编组：1，3，7，8，12，13，对应的指令控制类型是：油门控制、速度控制、水平方向速度引导、垂直方向速度引导、减速板设置、起落架设置，如表1所示。所以设定一个完整的速度命令涉及飞机的推力控制、升阻力控制、姿态角度不同引起的水平和垂直方向的速度、速度设定。航空器运动状态方程各状态变量对应的AIDL指令中不同的指令组合，要求做到尽可能完整描述。

表1 AIDL指令的分组与相关状态变量Tab.1 Classification and relevant state variables of AIDL commands

2 信息交互方法设计

运用AIDL来实现信息交互的过程[5]，如图1所示。管制员输入的管制意图信息，按照AIDL编写法则，生成AIDL指令数据，AIDL指令数据通过数据传输通道，发送到机载设备系统。飞行员对航空器进行操作时，机载设备将执行操作编译为AIDL指令数据，将指令传递给管制员，再由管制员进行意图分析，若执行指令正确，管制员就不再发布指令干预。

图1 AIDL数据信息交互图Fig.1 AIDL data information interaction

2.1 航空器运行意图的信息交互方法步骤

1）按照AIDL编译方法，将运行意图信息编译生成AIDL指令数据；判断当前的AIDL指令是否合法，如果合法执行编译，如果不合法则需要审核管制意图信息的正确性；

2）设计Matlab仿真模型与AIDL指令数据输入之间的接口程序，将AIDL指令的数值赋予仿真模型的参数，建立仿真模型的逻辑控制程序，实现使用AIDL指令控制航迹仿真的进程；

3）用Matlab建立航空器航迹仿真模型，计算飞行轨迹[6]主要是实现意图信息—AIDL指令集合—仿真输入参数的过程；

4）仿真结果的输出，检验飞行状态是否按照预设意图改变。

图2给出了数据信息交互及航迹计算的流程图。

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

2.2 逻辑控制程序

将航空器运行中起飞爬升段、巡航段和下降着陆的运行意图信息按照AIDL语言法则进行编译，配置适当的指令数据，获得表2中的AIDL指令程序表示。

表2 航迹运行意图的AIDL指令表示Tab.2 AIDL commands of trajectory operation intention

将AIDL指令数据输入Matlab程序中，将指令中数值赋予模型中的参数变量，通过stateflow设计仿真模型的航向角逻辑控制程序和航迹爬升角度逻辑控制程序，如图3和图4所示。

图3 航向角逻辑控制程序Fig.3 Logical control process of heading angle

图4 航迹爬升角度逻辑控制程序Fig.4 Logical control process of flight climbing angle

图3和图4的逻辑控制程序可以嵌入到Matlab航迹仿真模型中，在仿真实例中直接运用这两个逻辑控制程序，实现基于AIDL指令数据的航迹仿真进程控制。

3 算例仿真

航班神鹿5160由海口/美兰机场飞往广州/白云机场，所执飞的航空器机型为A320中机型，通过FlightAware提取获得航空器状态，包括：航空器坐标信息、高度、地速、航向等，实验数据如表3所示。

表3 航空器信息Tab.3 Aircraft information

使用AIDL语言将上述航迹特征点的航空器意图按照正则语法表示；设计与Matlab的程序接口[7]，通过航空器运动学模型进行仿真实验，获得仿真结果图，如图5所示。

表4 标示整条航迹的特征点数据Tab.4 Data of total trajectory waypoint

图5 航迹立体空间图Fig.5 Space figure of flight trajectory

图5中，实际航迹是神鹿5190航班执行由海口美兰到广州白云的飞行计划的实际雷达航迹，仿真航迹是使用AIDL指令控制航空器运行的仿真航迹。两条折线在局部有些偏差，是由于仿真模型中风的影响，航迹趋势是相同，可证明AIDL指令语言在航空器仿真运行中具有实用性。

4 结语

本文引入了航空器意图描述语言的概念，利用AIDL的发展将航空器运行意图编译生成AIDL指令数据，将指令中数值赋予模型中的参数变量，通过stateflow设计仿真模型的航向角逻辑控制程序和航迹爬升角度逻辑控制程序，实现了航空器意图信息与仿真模型之间的衔接设计，完善了航空器运行意图的信息交互方法。通过仿真实验获得了AIDL指令控制下的仿真航迹，与实际雷达数据进行对比分析，两种的航迹趋势是相同，AIDL指令语言在航空器仿真运行中具有实用性和在数据信息传递中的准确性。

[1]伊 群.美国新一代空中交通管理系统运行概念[J].中国民用航空. 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.面向对象的空中交通进程仿真技术及应用 [D].天津:中国民航大学,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]马 兰,程一琳,林 莺.基于AIDL的气象模型4D航迹预测[J].航空计算技术,2012,42(6):1-4,12.

[6]王 超.飞行程序运行评估的理论与方法研究[M].北京:航空工业出版社,2014.

[7]张 威.Stateflow逻辑系统建模[M].西安:西安电子科技大学,2007.

（责任编辑：黄 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

：国家自然科学基金项目（U1333116）

马兰（1966—），女，天津人，副教授，博士，研究方向为交通运输规划、空管信息处理等.