国家级空管实验教学示范中心的建设与实践

白 鹏， 王 婕， 刘永欣， 张亚宜

(中国民航大学 空中交通管理学院，天津 300300)

国家级空管实验教学示范中心的建设与实践

白 鹏， 王 婕， 刘永欣， 张亚宜

(中国民航大学 空中交通管理学院，天津 300300)

空管实验教学中心以国家级实验教学示范中心建设为契机，构建了逐级加强的多层次实验平台，加强中心教师工程实践能力的培养，以地-空数据链为基础，通过解析实时ADS-B报文作为数据来源进行飞行数据安全性分析、管制模拟训练及全维度飞行态势展示。搭建了塔台、进近、区域管制联合运行的全流程实验平台，通过基础技能型实验、研究分析型实验以及综合探索型实验提高了团队的工程实践能力及创新创业能力。

空管; 虚拟仿真; 地-空数据链; 全流程实验平台; 飞行数据

0 引 言

实践教学作为空管专业人才培养的重要内容[1]，其教学效果会对学生的综合能力培养造成直接影响。长期以来，我校空管实验教学中心秉承“锐意创新，追求卓越”的教学理念，精心组织安排各类实验教学课程，形成了以实验教学平台为基础、实验教学设备为支撑、教学与科研相互融合为牵引的实验教学体系[2]，经过多年的建设与发展，空管实验中心于2012年底被教育部批准为“十二五”国家级实验教学示范中心，成为我国首家空管类国家级教学示范中心。

中心在多年的实践建设过程中，以培养综合性、专业性人才为导向[3]，走特色化办学道路，有力推进了空管实验教学改革，促进了空管应用人才的培养。

1 示范中心实验平台建设

空管实验教学示范中心结合多年教学、一线实习与科研经验，构建了基础数据、技能实践、研究分析、综合探索5个层次的实验平台，以飞行服务、航空气象的运行数据作为实验基础；构建出程序、雷达、塔台三大管制训练平台，并将协同运行实践、多跑道联合运行、空地交互数据链系统融入该平台，实现了基于数据集成的空管协同实践平台，并且以该平台作为实践教学的有力辅助，提供给学生基于“管制过程”的实践体验[4]；管制训练平台的实践数据不仅用于学员成绩的判定，同时可以为研究分析型实验平台提供大量有效的训练数据，从而进行人为因素、安全风险、运行效率等方面的评估研究；并将上述研究成果凝练形成综合探索型的实验内容，为协同运行综合评价、空域调整分析评估、大面积延误程序评估[5],空地间隔数据研究等重大研究项目的申请与完成奠定良好的基础。

多层次、多维度实验平台建设以空管能力需求为导向、学生能力形成规律为依据、高仿真度等级为标尺，从整体上形成了与人才能力培养规律相一致的循序渐进、逐级加强、“无缝”对接的虚拟仿真实验资源体系架构(见图1)。

图1 空管实验平台建设方案

2 注重教师工程能力培养

空管工作面向实际应用，对从业人员的实际工程能力要求很高[6]，为保证教师的工程实践能力满足行业要求，中心持续派出教师到国内一线单位进行为期3至6个月的行业实习[7]。各大实习单位包括中国民航总局，3大空管中心，7大地区空管局，以及机场、航空公司等。近年来累计派出教师国内外实习情况见图2，中心目前拥有专任教师106人，其中近85%的教师近8年曾赴一线空管相关单位进行实习，实习范围涵盖了空管、签派、机场现场、航空气象等多个内容。

图2 中心教师赴外实习情况

经过多年的努力，目前中心85%的教师拥有民航局颁发的管制员、情报员、签派员执照。为了缩小教学内容与实际工作内容之间的差距，打破课程建设相对滞后的局面[8]，中心每年从岗位一线聘请实践经验丰富的管制人员来校进行实验教学。近5年外聘国内一线管制员数量累计超过100人次，法籍教师10人，累计授课16 080 h。

3 虚拟再现真实的运行环境

3.1 地空、空空数据传输

实验教学中心实验设备建设坚持走引进先进设备与自主研发并重的道路，引进使用国际上最先进的法国Euro-Cat雷达模拟系统[9]，以及ADS-B广播式自动相关监视系统的地面工作站，通过ADS-B系统将京津地区的空中交通数据实时导入雷达模拟系统，实现了基于真实运行数据的虚拟仿真训练系统[10]；中心还将空地语音数据引出，结合甚高频接收装置，通过中心自主研发的空中交通态势展示系统，将半径为200 n mile内的空中交通流量情况引入实践课程。

如图3所示，航空器在飞行过程中需要进行导航，根据导航系统的所处位置，可以将导航系统分为地基与星基两类。传统的地基导航与地基定位主要依靠NDB(无指向性无线电信标)、DME(无线电测距)、VOR(全向信标)与一次、二次雷达设备[11]；而星基导航则是运用卫星对航空器进行定位[12]；传统的导航、定位系统造价昂贵，而ADS-B自动相关监视系统则是以广播式的方法通过“问”和“答”的方式来进行定位，精度高、造价较低，构成了新一代导航系统的重要组成部分[13]，中心将ADS-B设备运用到了实践教学的数据采集中。另外，飞行员与管制员之间的通信是通过VFR甚高频系统实现的，中心对天津滨海国际机场的塔台、进近与区域管制中心的甚高频信号进行了采集。从而形成了完整的导航、定位、语音等多维度的数据链通信系统。

图3 空地、空空数据链示意图

3.2 数据链实验训练及分析

如图4所示，外设的ADS-B天线与GPS接收器在经过信号加强之后，将接收到的航空器S模式应答机数据传入地面站，RXU接收模块负责通过RF接收器将航空器的飞行数据输入至地面站，SPB模块负责将RAW原始格式的飞行数据传输至局域网内，GTS同步模块通过全球定位系统和卫星信号增强系统为整个地面站提供绝对时间参考。

图4 实时数据链实验模拟及分析系统示意图

在地面站获取到原始格式的飞行数据后，地面站提供了4个主要的功能模块及相应的接口[14]，TSC系统控制模块负责收集系统日志、远程操作授权及检测工作站运行状态；RDAC数据转换模块负责将收集到的RAW型原始数据转换至Asterix类型；RRS数据存储模块负责将数据以ASCII或者二进制文件的形式存储在硬盘空间内；TSD态势展示模块负责显示世界协调时、国家、地点坐标查阅等功能。

(1)数据链分析。通过空管实验系统接口层，将Asterix飞行数据引入实验平台，解析CAT 21的数据并通过UAP规范导入空管实验接口层[15]。数据链的布局如表1所示。

表1 数据链格式布局

CAT 21占用1个byte，表示数据链含有ADS-B报文；

LEN 占用2个byte，表示CAT和LEN字段占用的所有字节数；

ADS-B报文的解析中，重要的数据项包括：

I021/032：日时精确度；

I021/095：速度精确度；

I021/110：预定轨迹(航空器4D预计轨迹)；

I021/145：大气压高度；

I021/170：目标呼号；

I021/150：目标空速；

I021/152：磁航向；

这里以目标空速为例，做一次具体解析。该参数占用2个byte，结构见表2。

表2 目标空速数据结构

Bit-16 (IM) = 0 空速=IAS(仪表空速)；

= 1 空速=马赫；

Bits-15/1 空速(IAS或马赫)

若为IAS,LSB=2-14n mile/s；

若为马赫，LSB=0.001；

图5是截取出的部分ADS-B报文，其中标记出的段落，记录了东方航空2298航班某一时刻的飞行状态信息。

(2)坐标转换模型。ADS-B的报文坐标是大地地心坐标，而雷达模拟设备坐标则选取的是雷达模拟极坐标，坐标转换的模型是首先进行大地地心坐标至大地直角坐标转换，之后将大地直角坐标转换为地方坐标系，最终由地方坐标系转换成为雷达模拟极坐标系。

图5 ADS-B报文示意图

地球极半径与地球半径之比的平方为

e=0.993 305 46

分别用λ、φ、H表示航空器所处经度、纬度和高度，则可得出大地直角坐标系[16]：

(1)

(2)

(3)

式中:

大地直角坐标系转换为地方坐标系，以雷达模拟显示原点为

(4)

(5)

(6)

式中:

最后完成雷达极坐标系的转换(r,a,e),r代表斜距，a代表方位角，e代表俯仰角。公式如下：

(7)

(8)

(9)

在完成坐标转换后，可以通过实验接口层导入实验系统，开展飞行数据分析或实时展示。其中：飞行数据分析/模拟实验可以将任何时刻的真实飞行数据导入空管模拟设备，通过计划编辑模块，将数据传送至其他4个功能模块，实现飞行数据安全性分析，或者真实飞行过程片段截取模拟训练；实时展示模块通过加入甚高频通信的音频数据，配合视景展示，可以全维度还原真实的管制场景，完成了国内空管实验室实景展现的零的突破。

4 全流程联合运行实验环境及创新创业

4.1 全流程联合运行环境

图6所示为全流程联合运行环境示意。中心在保证实验环境高仿真度的前提下，自主研发了三大管制的实验设备，并在此基础上开放软件平台接口，消除数据孤岛，打破传统的独立训练模式，实现了塔台、进近、区域三大管制方式的无缝对接。

图6 联合运行实验环境

航空器在不同的运行阶段需要进行不同的管制程序，航空器在放行、滑行至起飞的阶段，塔台管制员需要管理跑道间隔、尾流间隔、场面交通、放行许可、推出倒车等事项；在航空器离场爬升阶段，进近管制员需要依据离场程序，实时调整航空器的高度、速度、航向，以保证航空器的雷达间隔；在航空器巡航阶段，区域管制员需要依据高空空域，航路航线，实时调整航空器之间的雷达间隔以保证空域安全；航空器下降、进近阶段，进近管制员需要根据使用跑道使用等因素，分配航空器进近次序，引导航空器梯度下降，截获航向道与下滑道；最终塔台管制员根据跑道情况，下达降落许可，完成航空器的滑行至停机入位。在联合运行的实验环境中，不仅保证了实验环境的高仿真度，同时还可以提高学员的管制移交与接收能力，增强学员的空域整体安全保障能力。图6中的下部即为中心自主研发的塔台管制和雷达管制实验设备。

在满足实验教学的同时，上述设备还完成了西安管制空域扇区空中交通服务容量评估、北京南苑机场容量评估等多个重要的科研任务，使中心的实验设备研究与实际评估紧密结合。

4.2 创新创业能力提升

中心依托国家级空管运行规划与安全技术重点实验室，在自主研发的塔台、雷达管制模拟系统上建立了基于航空器4D航迹的接口平台，学生通过该平台不仅可以设计航空器的飞行计划，进行管制模拟训练，同时还可以在平台基础上进行飞行流量的预测与验证，空域结构的设计与优化，为学生创新创业项目的最终落地提供有力支撑。

笔者及团队教师带领学生于2014、2015年度申报中国创新创业大赛，接连获得天津市二等奖、三等奖各1次的好成绩，代表天津入围全国总决赛。团队成员在创新创业最高规格的比赛中，不仅提高了专业设计能力、软件研发能力，更深刻理解了产品目标定位、商业推广、销售模式等诸多创新创业必备的知识元素；同时，高水平比赛的路演也提高了团队的组织与表达能力，对教师和学生的培养起到了积极的推动作用。

5 结 语

示范中心的建设涉及面广，任务量大，实验教学中心通过多年的刻苦努力，在虚拟实验环境、全流程实验设计、实验设备自主研发、全视景实验平台建设等方面取得了一些好的经验和成绩。但在国际航空业迅猛发展的背景下，我国由民航大国到民航强国的强烈需求下，中心需要继续推进技术改革，坚持走特色化建设道路，围绕实验平台建设、虚拟仿真实践、实验室开放、实验资源共享等几个方面继续探索，不断增强实验教学示范中心的产学研与创新创业能力，提高中心的工程实践培养能力，早日将中心建设成为国内一流，国际有较大影响力的空管实验教学中心。

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Construction and Practice of the Air Traffic Management National Experimental Teaching Demonstration Center

BAIPeng,WANGJie,LIUYongxin,ZHANGYayi

(College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The paper presented the experience of the air traffic management National Experimental Teaching Demonstration Center, constructed multi-level experimental platform to strengthen the training of teachers’ engineering practice ability. The real time ADS-B message was used as the source of the data, to build the security analysis of flight data, the air traffic control simulation training and the full dimension air traffic system demonstration based on these flight data. A coordinated operation experimental platform which including the tower control, approach control and area control was constructed. The practice of basic skills type of experiment, research and analysis experiment and comprehensive exploratory experiment improved the team’s innovation and entrepreneurship ability.

air traffic management; virtual reality; aircraft communication addressing and reporting; whole process experiment platform; flight data

2016-06-22

国家自然科学基金委员会-中国民航局民航联合研究基金资助(U1533117)；2014年中国创新创业大赛资助；2015年中国创新创业大赛资助；2016年中国民航大学实验创新基金

白 鹏(1984-)，男，河北张家口人，硕士，实验师，主要研究方向：交通运输、实验管理、创新创业。

Tel.：13920240907;E-mail：342126260@qq.com

U 8;G 482

A

1006-7167(2017)02-0157-05