CN101535846A - 空中湍流位置系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于计算从天线平台到湍气流区域的距离的系统和方法。所述方法，确定在响应于入射电磁能的天线处沿着经湍气流区域的路径行进的干扰图案的接收传播中的、与时移相对应的相关滞后值。基于所述相关滞后值，所述方法计算从天线平台到湍气流区域的距离，并且发出指示该距离的警告。

Description

空中湍流位置系统和方法

技术领域

本发明通常涉及飞行器安全测量，更具体地涉及用于测量湍流(turbulence)位置的系统。

背景技术

晴空湍流(CAT，clear air turbulence)由于大量的不同因素而发生在典型的喷气式飞机巡航姿态，所述因素包括：射流的位置、对流层顶(tropopause)边界的位置、局部(localized)恶劣天气(包括雷暴)的位置、和山岭地区的位置。然而，所有晴空湍流现象都具有下面共同的一点：所述现象发生在晴空中，并且飞行器一旦遭遇到湍流区域则除了操纵或改变飞行高度以外，目前几乎不具有避免这些现象的方式。

湍流(尤其是CAT)是空中旅行中要严重关注的事。一些航空公司采取了强大的测量来避免所预测的或先前发现的湍流的区域，有时会飞行许多额外英里来避免湍流。在大多数国家地区中，航空公司可用于航班改航的选项的数量由于空域性能或空中交通控制系统约束而受到限制。已经对提高湍气流的识别进行了许多努力，但是，这些努力仅在一个或多个航班已经飞入乱流之后有帮助，并且它们没有提供不断扫描所述空域的方式。目前，对于飞机没有承担得起的可靠方式来及时检测CAT以采取回避行动。

CAT的问题是它发生在缺少特定物质(例如云)的晴空中。许多现有的检测湍流的方法取决于空气中特定物质(水蒸气、灰尘等)的存在，这不助于在飞行器(商业、军用、或无人驾驶的空中飞行器(UAV))能够飞行所处的巡航姿态中检测CAT。例如，在班机飞行的高晴空中，对于依赖于空中的颗粒的多普勒雷达或激光雷达系统来说通常不能检测到CAT。

早期的工作已经论证了使用GPS信号的闪烁现象(scintillation)来检测CAT在技术上是切实可行的。然而，这些早期的方法不能够解决关于到GPS接收机的距离来精确地定位湍气流的问题。现有方法仅能够随着信号的路径(沿着到卫星的视线)确定某处湍流的存在。其它估计的方法太昂贵或者繁重而而不能在飞行器上安装实践。

因此，期望具有一种成本有效的系统和方法来检测CAT，以便在飞行器贯穿湍气流区域之前通过更精确地测定湍流的距离和高度以增加空中交通系统性能。进一步期望该系统和方法使得空中交通系统和操作员更精确地计划避免这些湍气流区域。

结合附图以及前面的技术领域和背景技术内容，从随后详细的描述和所附权利要求来看，本发明实施例的其它期望特征和特性将变得明显。

发明内容

公开了一种用于计算从天线平台到空气湍流的距离的系统和方法。所述方法包括：确定与在从第一天线到第二天线的干扰图案的传播中的时移对应的相关滞后(lag)值，所述第一天线与第二天线相距一段距离。基于所述相关滞后值和天线间距，所述方法计算从天线平台到空中湍流的距离，并且发出指示所述距离的警告。

所述方法通过下列步骤确定所述相关滞后值：在第一天线处取样第一干扰图案幅值/相位序列以获得第一幅值/相位图案；和在第二天线处取样第二干扰图案幅值/相位序列以获得第二幅值/相位图案。然后，所述方法以时间滞后序列，计算所述第一干扰图案幅值/相位序列和所述第二干扰图案幅值/相位序列之间的时间相关系数，以便确定所述幅值/相位图案在每个时间滞后处是否匹配良好。所述方法选择与计算出的时间相关系数的最高值对应的相关滞后值，其中在所述最高值所述幅值/相位图案最接近地匹配。具有最高相关性的时间滞后值是相关滞后值。

所述相关滞后值和从第一天线到第二天线的天线间距被用来计算到湍气流区域的距离。可以发出指示到所述湍气流区域的距离的警告。

此处所述的本发明的各个示例实施例计算湍气流区域的距离以便适应下列方案：天线平台是否固定或移动和/或湍气流区域是否固定或移动；天线平台是否处于卫星的视线中；或者天线是否水平和/或垂直地分离。

此处所述的技术可以通过更精确地测定湍气流区域的位置(距离和高度)来提高空中交通系统性能，提供了用于空中交通系统提供商和操作员的一种方式来更精确地计划避免这些湍气流区域。

附图说明

通过参考结合下列附图考虑的详细描述和权利要求，可以推导出本发明的更全面的理解，其中在整个附图中，相同的附图标记指向类似的元件。

图1是用于定位空中湍流的环境的示意表示图；

图2是被配置成定位空中湍流的系统的示意表示图；

图3是图示用于定位空中湍流的处理的流程图；

图4是图示用于定位空中湍流的另一处理的流程图；

图5图示了在每个天线取样的幅值图案的示例；

图6图示了时间相关系数相对于相关滞后值的示例；和

图7图示了到湍流的各个距离的相关波峰。

具体实施方式

下面的详细描述实际上仅仅是图示性的，而往往不限制发明或者申请的实施例以及所述实施例的使用。而且，往往不通过先前的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中呈现的明确或暗示的理论来进行约束。

此处可以在概念和/或逻辑块组件和各种处理步骤方面来描述本发明的实施例。应当理解，所述块组件可以通过任意数目的硬件、软件、和/或被配置成执行特定功能的固件组件来实现。例如，本发明的一个实施例可以利用各种集成电路组件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等等，它们可以在一个或多个微处理器或其它控制期间的控制下实施各种各样的功能。另外，本领域的普通技术人员将会理解，本发明的实施例可以结合任意数目的通信系统和任意数目的平台来实践，并且此处描述的系统仅仅是本发明的一个示例实施例。

为了简洁，此处可能不详细描述关于信号处理、数据传输、信令、测量的传统技术以及系统的其它功能方面(和系统的各个操作组件)。而且，此处包含的各个附图中示出的连接线意欲表示各个元件之间的示例功能关系和/或物理耦合。应当注意，在本发明的实施例中可以呈现许多替换物或附加功能关系或物理连接。

下面的描述提及元件或节点或特征是“连接”或者“耦接”在一起。如此处所使用的，除非明确地相反限定，否则“连接”意思是一个元件/节点/特征直接结合到(或者与...直接通信)另一个元件/节点/特征，而不必机械地连接。同样地，除非明确地相反限定，否则“耦接”意思是一个元件/节点/特征直接或间接地结合到(或者与...直接或间接地通信)另一个元件/节点/特征，而不必机械地连接。因此，尽管图1中图示的环境和图2中示出的示意图描述了元件的示例结构，但是附加中间元件、部件、特征或组件可被呈现在本发明的实施例中(假设电路的功能未被不利地影响)。

在大多数大气湍流中，称作乱流(turbule)的空气单元由于它们不同的温度而以不同的比率上升和下降。(类似地，认定乱流是在冷空气海洋中上升的暖空气的气泡)。湍气流区域包含许多各种尺寸的乱流。每个乱流就象镜头那样(它当波穿过它时，它折射光或者RF波)影响电磁波。这种折射稍微改变波的相位和行进方向。来自诸如卫星的远距离源的电磁信号就象平面波一样动作，直到波阵面到达湍气流区域为止：在沿着基本平行的路径行进的波阵面上的所有点。然而，在湍流区域内，每条信号路径会引起相位和方向上的变化，所述变化与由相邻路径引起的变化不同。因此，从湍流区域涌现的信号不再是平面波；相反，波阵面上的每个点以不同相位在稍微不同的方向上行进。随着它们行进得越远，这些波元素就会彼此形成结构性的和破坏性的干扰的区域。结构性的和破坏性的干扰的空间图案定义了强或弱信号强度的位置、以及相关在前或在后信号相位的位置。信号强度和信号相位的空间干扰图案可以通过在不同的位置处放置接收机来测量。在乱流在湍流区域内移动或者在诸如卫星的信号源相对于湍流区域移动时，空间干扰图案随着时间变化。

为了说明目的，假设湍气流区域被单个大固定镜头代替，并且接收卫星信号的平台也不移动。从坐在平台观察卫星穿过天空行进的观察员的视角来看，来自单个卫星的卫星信号源看起来是横向行进，因为卫星本身具有横向速度。当卫星移动到镜头位于平台和位置之间的位置时，平台不会看到卫星也不能检测它的信号，除非卫星、镜头和平台排成一行，因此镜头将信号聚焦在平台位置。(焦点对应于上述的干扰图案中的波峰)。后来，当卫星穿过天空移动地更远时，镜头将卫星信号聚焦在不同的位置。(这对应于整个干扰图案中的横向偏移)。

本发明的示例实施例确定与在从第一天线在第一位置到第二天线在第二位置的干扰图案的接收传播中的时移对应的时间间隔，并且基于所述时间间隔计算湍气流距离。

图1是根据本发明示例实施例的环境100的示意表示图。环境100使用位于平台114(其可以是停飞或者飞行的飞机，飘浮或者运动的太空船、静止或者运动的地面车辆、或者任何适当配置的结构)上的多个卫星接收天线118/116(前部/后部)来接收来自卫星102的信号。在这个示例中，干扰图案108(如在上面段落中所解释的)受湍气流区域106的影响，在第一时间值120处穿过后部天线116和在第二时间值122处穿过前部天线118。如下描述的伪测距(ranging)算法通过分析第一时间值与第二时间值之间的时间间隔(时移)来估计湍气流区域106的距离126。

图2是根据本发明示例实施例配置的系统200的示意表示图。图2中描绘的各个块能够以任意数目的在平台或系统200上到处放置的物理组件或模块来实现。物理系统200可以包括大量电控制单元(ECU)、通信系统、机载计算机系统、测量结构、网络和图2中所示组件以外的组件。这里将不详细描述系统200的传统子系统、特征和各方面。

系统200通常包括多个天线(包括第一天线214和第二天线216)、接收机220、包括相关器模块224的处理逻辑元件222、存储器模块226和通信网络架构230，所述存储器模块226包括时间相关系数和相应相关滞后值228的表或者与所述表通信。

第一天线214和第二天线216耦接到接收机220，并且被配置成提供如下所述的湍流计算所需的数据。所述天线可以沿着平台的长度或宽度相距一段距离L0，和/或沿着平台的高度相距一段距离H0。每个天线响应于入射电磁能而产生接收干扰图案，其中所述电磁能沿着一条须经湍气流区域106的路径行进。

本发明的示例实施例要求最少两个天线。然而，根据平台设计，平台的正常操纵可能导致卫星信号被阻挡或者遭受严重的多径衰落。在这点上，可能需要替换位置的天线。所述平台可以包括但是不限于飞机飞行器、船、地面车辆或者基于地面的结构。例如，对于飞行器，但是不限于，可以使用三个天线：一个天线可位于垂直水平尾翼和/或翼尖，以及两个天线可沿着机身放置以获得从特定卫星输入的多个信号。也可以添加另外的天线来提供附加的数据源以补偿由于飞行器运动引起的信号的变化(例如，转向、爬升或者下降)。卫星信号可以但是不限于GPS信号、GPS和GLONASS和伽利略信号、或者GPS和iGPS信号。

接收机220耦接到所述天线并且被配置成测量接收的干扰图案的属性。通过一个算法来分析天线接收到的信号，所述算法将平台(例如飞行器)的相对运动与卫星的相对运动进行比较。该比较算法利用了以下事实：即，例如GPS卫星的卫星广播一组代码，该组代码包含关于卫星的位置和速度的信息、GPS系统时间、时钟误差、和数据的良好状态和精确度。所述信息允许高精度地预测GPS卫星的相对位置和运动。例如，通常，飞行器机载的GPS接收机将每个卫星的粗获取(C/A)代码与接收机数据库中包含的相同代码副本进行匹配。通过转变接收机的代码以匹配卫星信号以及通过将这种转换与卫星内部时钟相比较，接收机能够估计到卫星的距离。然而，通过使用多个天线和此处描述的伪测距算法，也能够通过分析GPS信号的相位和时移来估计湍气流区域106的距离。

另外，通过机载飞行管理计算机系统(图2中未示出)高精度地测量飞行器的位置和相对运动。使用下面详细解释的伪测距算法，该数据连同来自飞行器的卫星距离和卫星的速度随后被用来计算到湍气流区域106的距离。接收机220可以而不限于GPS接收机、GPS和GLONASS和伽利略接收机、或GPS和iGPS接收机。

处理逻辑元件222耦接到接收机220，并且可以包括任意数目的独特的处理模块、相关器、或者被配置成执行此处更详细描述的任务、处理和操作的组件。尽管图2中仅示出了一个处理块，但是现实的实现可以利用任意数目的独特的物理和/和逻辑处理器，它们可以散布在系统200的各处。现实中，可以使用被设计来执行此处所描述的功能的通用处理器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、特定用途集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑器件、离散门或者晶体管逻辑、离散硬件组件或者它们的任何组合，来实现或者执行处理逻辑元件222。处理器可被实现为微处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实现为计算器件的组合，例如，数字信号处理器和微处理器、多个微处理器、一个或多个微处理器结合数字信号处理器核心、或者任何其它所述配置的组合。

相关器模块224耦接到处理逻辑元件222或者被实现在处理逻辑元件222中，并且被配置成计算时间相关系数r(Δt)s和相应相关滞后Δts，并且选择相关滞后值，如下面在图4的上下文中更详细解释的。相关器模块224可以包括但是不限于并行处理相关器或者串行处理相关器。相关滞后值是在前部天线处的信号变化与后来在后部天线处的信号变化Δt之间的时间间隔，并且时间相关系数是幅值/相位图案在每个时间滞后Δt在每个天线处匹配良好的测量，如在下面的附图4-7的上下文中更详细解释的。

存储器模块226可以是具有适当数量的存储器的任何适当数据存储区，被格式化来支持系统200的操作。存储器模块226被配置成存储、维护和提供所需的数据，以便以下面描述的方式支持系统200的功能性。在实际的实施例中，存储器模块226可被实现为RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘或者现有技术中已知的任何其它形式的存储介质。存储器模块226可以耦接到处理逻辑元件222，并且被配置成存储但不限于对应于下列测量的数据值：平台位置和速度、卫星的位置和速度、干扰图案的幅值/相位序列和取样间隔。另外地，存储器模块226可以表示动态地更新包含时间相关系数和相应相关滞后228的表的数据块，用以使用伪测距算法来计算到湍气流区域106的距离，如下面详细解释的。

通信网络架构230可以耦接到处理逻辑元件222和测量结构(图2中未示出)。通信网络架构230被配置成通信CAT数据并且报告CAT数据。CAT数据是可被集成来改善实时报告和预测飞行天气两者的许多天气信息源之一。经由通信网络架构230将CAT数据从CAT数据服务提供商发送到软件应用程序。通信网络架构230可以但是不限于地面通信网络或者无线通信网络，例如卫星通信网络。一组中间件，例如系统宽信息管理(SWIM)系统，经由通信网络架构230自动地读取来自许多源的数据，并且通过许多不同的用户和应用程序重定格式使用所需的数据。SWIM允许集成大气天气简档信息、飞行器状态配置、实时CAT跟踪和多普勒天气雷达。在这点上，系统200可以向通信网络架构230的用户发出表示湍气流区域106的警告。

本发明的示例实施例基于下列信息来计算到湍气流区域的距离：平台相对于卫星速度矢量的被测速度矢量；卫星到平台114的距离124；卫星的速率；和受湍气流区域106影响的干扰图案V_i的速率/速度，如下面详细解释的。

参考图1，如果卫星102以速度V_S在距平台124的恒定距离124(R_S)处移动到右边，并且平台114和湍气流区域106静止，则从平台114到湍气流区域106的距离126(R_t)固定，并且唯一移动的物体是卫星102。在这点上，干扰图案108看起来行进的水平速度V_i(假设卫星信号在空间中是一条直线)通过下列关系来描绘：

$V_i=-\frac{R_t{V}_S}{R_S-R_t}---\left(1\right)$

可以通过重新排列上述等式(1)的项来获得到湍气流区域106的距离R_t：

$R_t=-\frac{R_s{V}_i}{V_s-V_i}---\left(2\right)$

如等式(2)所示，湍气流区域106与平台114之间的距离R_t是已知距离R_S、卫星的速度V_S(两者都可以从卫星提供的导航数据中确定)以及由湍气流区域106计算的卫星图像的未知速度V_i的函数。值V_i可以被确定为在前部天线处的信号变化与随后后部天线处的信号改变之间的时间间隔Δt的函数，如下面图3的上下文中详细所解释的。这些信号变化可以是信号幅值/相位、信号相位、或者两者的变化。

图3是图示根据本发明示例实施例的用于定位湍气流区域的空中湍流位置处理300的流程图。与处理器300相关执行的各个任务可以通过软件、硬件、固件或者它们的组合来执行。为了图示目的，处理300的下列描述可以参考结合图1和图2的上述元件。在实践的实施例中，处理300的各部分可以通过系统200的下列不同元件来执行：例如，第一天线214、第二天线216、接收机220、处理逻辑元件222、相关器模块224、存储器模块226和通信网络架构230。

处理300可以开始于：获取测量数据用以基于相关滞后值来计算所述距离(任务302)。例如，测量数据可以包括(但不限于)：平台的水平速度、卫星的水平速度、湍气流区域的水平速度、天线的水平间距、平台距卫星的距离、平台的垂直速度、卫星的垂直速度、湍气流区域的垂直速度、和天线的垂直间距。

如上所解释的，干扰图案108的未知速度值V_i如等式(1)中所述，可以被确定为时间间隔Δt的函数。因此，随后，处理300确定与在第一天线和第二天线处的干扰图案的接收传播中的时间偏移对应的时间间隔Δt(相关滞后值)(任务304)，如在下面的附图4的上下文中详细描述的，并且继续基于该时间间隔Δt计算距离R_t(任务306)。

此处描述的发明的各个示例实施例基于下列方案来计算距湍气流区域的距离R_t：平台和/或湍气流区域是否固定和/或移动；平台是否处于卫星的近水平视线中；或者天线是否水平和/或垂直地分离，如下面更详细解释的。

在一个示例实施例中，参考图1，后部天线116和前部天线118被水平分离，并且平台114和湍气流区域106两者静止。所述天线可以在平台114上相距距离L₀。在该示例中，干扰图案108在时间t₁(用附图标记120表示)穿过后部天线116，并且在时间间隔Δt之后，图像在时间t₂(用附图标记122表示)穿过前部天线118。

根据观察到的穿过两个天线的干扰图案之间的时间间隔Δt来计算干扰图案速度V_i。干扰图案正在移动的速度基于下列关系来确定：

$V_i=\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}---\left(3\right)$

将等式(3)的V_i代入到上面的等式2，会得到一个作为时间间隔Δt的函数的、用于计算距湍气流区域的距离R_t的关系式。

因此，根据第一示例实施例，所述方法基于下列关系式计算距离R_t：

$R_t=-R_s\left[\frac{L_0}{V_s\mathrm{\Δt}-L_0}\right]---\left(4\right)$

其中R_t是从静止的湍气流区域到静止的平台的距离，R_s是静止的平台与卫星之间的距离，L₀是第一天线与第二天线之间的水平间距，V_s是卫星的水平速度，Δt是相关滞后。

在第二示例实施例中，如上所解释的，后部天线和前部天线被水平分离并且湍气流区域静止，然而，平台是移动的(与上面的第一示例实施例不同)。因此，需要考虑平台的移动来调整前面的方程式。在这种情况下，干扰图案在时间t₁到达后部天线。前部天线距该时刻(t₁)达一段距离L₀。然而，当干扰图案(在时间t₂)到达前向天线的初始位置(在t₁时的位置)，第二前部天线已经移动(图1中未示出)。图像最后在时间t₃(图1中未示出)跟上前部天线。这种情形下的定时通过下列等式(5)来描绘：

$\mathrm{\Δt}=t_3-t_1=\frac{L_0}{V_i-V_a}---\left(5\right)$

在等式(5)中，V_a是平台的速度。因此干扰图案速度基于下列关系式来计算：

$V_i=\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}+V_a}---\left(6\right)$

将等式(6)代入到等式(2)得到距湍气流区域106的距离R_t。

因此，根据第二示例实施例，所述方法基于下列关系式计算所述距离：

$R_t=-R_s\left\{\frac{\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a}{V_s-(\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a)}\right\}---\left(7\right)$

其中R_t是从静止的湍气流区域到移动平台的距离，R_s、L₀和Δt如上所解释的，V_a是平台的水平速度。

第一和第二示例实施例都基于静止的紊气团来计算到湍气流区域的距离R_t。然而，因为风可能移动湍气流区域，因此并不总是这种情况。

在第三示例实施例中，后部天线和前部天线如上所解释地水平分离，但是不同于第一和第二示例实施例，湍气流区域和平台都移动。这种情形数学地表示为下列等式(8)：

$V_i=\frac{\left(V_t{R}_s\right)}{(R_S-R_t)}+\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a---\left(8\right)$

将等式(8)代入到等式(2)得到距离R_t。

因此，根据第三示例实施例，所述方法基于下列关系式来计算距离R_t：

$R_t=-R_s\left\{\frac{V_t+\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a}{V_s-\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}-V_a}\right\}---\left(9\right)$

其中R_t是从移动的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s、L₀、Δt和V_a如上所解释的，V_t是湍气流区域的水平速度。

等式(9)给出距离R_t是时间间隔Δt和风速V_t的函数。当风速已知时，可以照现在情形使用等式(9)。这可以是在良好测量的区域(类似北美、欧洲、澳大利亚和靠近日本的地区)上的情况。如果已知风沿着从平台到卫星的矢量而粗略地一致，则可以将值V_t插入到等式(9)以便得到距离R_t。在风沿着从平台到卫星的矢量平滑地变化(除湍流区中的风之外)的情况，使用三维模型，可以使用第一猜想值R_t来精选可以估计V_t处的位置。将该值V_t插入到等式(9)以便估计新的值R_t。所述处理重复，直到它在单个值R_t和V_t上收敛。

得克萨斯大小的气团的水平运动通常以每秒几十米为单位进行测量。类似气团的垂直运动通常以每秒几厘米为单位进行测量。在这点上，在几乎所有情形中，假设湍气流区域具有为零的有效垂直速度是安全的。因此，垂直分离的卫星天线可被用来测量干扰图案的垂直速度，相信，由于已知的卫星运动、已知的平台运动和从平台到湍流区域的未知距离，垂直速度几乎是完整的。

在第四示例实施例中，与上面解释的第一、第二和第三示例实施例相反，第一天线和第二天线被垂直地分离，并且平台和湍气流区域静止。

根据第四示例实施例，所述方法基于下列关系式计算距离R_t：

$R_t=-R_s\frac{H_0}{V_{\mathrm{sz}}\mathrm{\Δt}-H_0}---\left(10\right)$

其中R_t是从静止的湍气流区域106到静止的平台的距离，R_s和Δt如上所解释的，H₀是第一天线与第二天线之间的垂直间隔，V_sz是卫星的垂直速度。

在第五示例实施例中，第一天线和第二天线垂直分离并且湍气流区域静止，如在上面第四实施例的上下文中所解释的，但是与第四实施例相反，在这种情况下平台是移动的。

根据第五示例实施例，所述方法基于下列关系式来计算距离R_t：

$R_t=-R_s\left\{\frac{\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}}}{V_{\mathrm{sz}}-(\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}})}\right\}---\left(11\right)$

其中R_t是从静止的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s、H₀、Δt和V_sz如上所解释的，V_az是平台的垂直速度。

在第六示例实施例中，第一天线和第二天线垂直分离并平台是移动的，如在上面第四和第五实施例的上下文中所解释的，但是与第四和第五实施例相反，在这种情况下平台和湍气流区域都是移动的。

根据第六示例实施例，所述方法基于下列关系式来计算距离：

$R_t=-R_s\left\{\frac{V_{\mathrm{tz}}+\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}}}{V_{\mathrm{sz}}-\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}-V_{\mathrm{az}}}\right\}---\left(12\right)$

其中R_t是从移动的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s、H₀、Δt、V_az和V_sz如上所解释的，V_tz是湍气流区域的垂直速度。

在第七示例实施例中，飞机到卫星的视线从水平线来看是几度。而且，在第七示例实施例中，第一天线和第二天线垂直分离并且平台和湍气流区域是移动的，如在上面第六实施例的上下文中所解释的。然而，与第六示例实施例相反，参数受由于平台到卫星的视线引起的校正影响。

因此，根据第七示例实施例，所述方法基于下列关系式来计算距离：

$R_t=-R_s\left\{\frac{V_{t\_\mathrm{el}}+\frac{H_{0\_\mathrm{el}}}{\mathrm{\Δt}}+V_{a\_\mathrm{el}}}{V_{s\_\mathrm{el}}-\frac{H_{0\_\mathrm{el}}}{\mathrm{\Δt}}-V_{a\_\mathrm{el}}}\right\}---\left(13\right)$

其中R_t是从移动的湍气流区域到移动的平台的距离，R_t针对平台到卫星的视线而被校正，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，V_{t_el}是移动的湍气流区域投影到仰角单位(elevation unit)矢量的垂直速度，H_{0_el}是投影到仰角单位矢量的第一天线与第二天线之间的垂直间距，Δt是如上所解释的相关滞后，V_{a_el}是投影到仰角单位矢量的移动平台的垂直速度，V_{s_el}是投影到仰角单位矢量的卫星的垂直速度，并且e是飞机到卫星的矢量R_s的仰角单位矢量E。E是在增加的仰角的方向上。当R_s水平时，E是垂直的，但是当R_s不水平时，即，当从平台看来卫星不是刚好在水平面上时，E远离垂直地倾斜。E被定义为如下：

$E=\frac{[(\mathrm{Rs}\×k)\×\mathrm{Rs}]}{|(\mathrm{Rs}\×k)\×\mathrm{Rs}|}---\left(13a\right)$

其中，E、R_S和k是向量，k是z方向(垂直)上的单位矢量，“×”表示向量积，并且垂直条表示矢量幅值。为了计算任意矢量A到E的投影，使用点积：

A_el＝A·E    (13b)

例如，值V_{t_el}在等式(13b)中可被计算为：

V_{t_el}＝V_t·E    (13c)

注意，在平台到卫星矢量基本非水平的情况下，V_{t_el}不能被假设为零。

在计算距湍气流区域的距离之后，根据上述实施例，处理300随后发出指示所述距离的警告(任务308)并且停止。

如上所述，湍流气团移动(shift)卫星信号的相位，并且因为气团具有“凸凹不平的”折射率，因此相移根据信号的路径而改变。这将有序均匀的卫星信号转换为干扰图案。通常，干扰图案是当从相同源的稍微不同路径行进的两个或更多个信号被集合时产生的波峰和波谷的图案。该干扰图案随着时间和位置而变化。前导天线检测由尾随(trailing)天线第一跟随的干扰图案，并且确定检测前导天线处和尾随天线处的干扰之间的时间差，以便计算距湍气流区域的距离R_t，如下所解释的。

图4是图示根据本发明示例实施例的空中湍流位置处理400的流程图。与处理400相关执行的各个任务可以通过软件、硬件、固件或者它们的任何组合来执行。为了图示目的，处理400的下列描述可以是指结合图1、图2和图3的上述元件。在特定的实施例中，处理400的各部分可以通过系统200的下列不同元件来执行：例如第一天线214、第二天线216、接收机220、处理逻辑元件222、相关器模块224、存储器模块226和通信网络架构230。

处理400可以开始于：获得测量数据，用以基于如上面图3的上下文中解释的相关滞后值来计算所述距离(任务402)。该示例实施例使用时间相关技术来测量前导(前部)天线和尾随(后部)天线之间的时间差。来自前导天线和尾随天线的信号的相关性在接收前导天线和尾随天线处的干扰图案中(针对飞行器运动、风等校正了卫星图像速度)，在与由湍气流区域造成的时移对应的值Δt处产生相关波峰。本发明的该示例实施例对于许多值Δt计算相关系数r(Δt)，并且选择具有最高值的值(波峰相关值)标记为到最强烈湍流的距离。该实施例使用在前导天线和尾随天线处的信号幅值测量来计算相关系数。替换的实施例可以使用信号相位测量或者信号相位和信号幅值的组合来计算相关系数。

当干扰图案速度V_i与平台速度几乎相同时，干扰图案从一个天线移动到另一个天线的Δt可以是几秒。最大相关系数r(Δt)可以随着更长Δt而减小，因为湍流图案随着时间变化。时间连贯性(coherence)描述了在时间的不同时刻处观察的信号之间的相关性或者可预测的关系。优选实施例使用湍流的时间连贯性间隔在短Δt处缩小r(Δt)值，并且在长Δt处放大r(Δt)值，以便在全部距离处给出湍流强度的没有偏差的比较。

因此，处理400通过取样对应于后部天线处的干扰图案的第一信号幅值/相位序列(任务406)和取样对应于前部天线处的干扰图案的第二信号幅值/相位序列(任务408)，继续计算相关滞后(附图标记404)。在该实施例中，第一信号幅值/相位序列和第二信号幅值/相位序列是以相同的取样间隔取样的。图5图示了在每个天线处取样的幅值图案的示例。干扰图案108的第一信号幅值序列502在前部天线118处被取样，干扰图案108的第二信号幅值序列504在后部天线116处被取样，在每个天线使用256个取样。

该示例中的卫星处于低环地轨道中。该示例中的平台是飞机。卫星的行进方向远离飞机头部大约125°，即，卫星看起来是相对于飞机向后运动。卫星的速度V_s是大约每秒7000米，但是在与从飞机到卫星的视线垂直的方向上近大约4000m/s。从飞机到卫星的距离R_s是大约4200km。飞机的实际空速V_a是大约200m/s。前部天线和后部天线相距大约20米。

然后，处理400计算第一信号幅值序列520与第二信号幅值序列504之间的时间相关系数r(Δt)s(任务410)，并且继续计算与该时间相关系数对应的相关滞后值Δts(任务412)。相关滞后值是在前部天线处的信号变化与后在来后部天线处的信号变化之间的时间间隔Δt(如上面图1的上下文中所解释的)，并且通过测量信号幅值到达(被检测)前部天线的时间和将前面的时间与信号幅值到达后部天线的时间相减来计算该值。时间相关性描述了在时间上的不同时刻处观察到的信号之间的相关性或可预测的关系。因此，在各个天线处测量的信号幅值的统计协议确定在所计算的值Δt处的时间相关系数(幅值匹配多好)。替换实施例可以使用信号相位测量、或者信号相位和信号幅值的组合来计算时间相关系数。

处理400存储计算出的时间相关系数和相应的相关滞后值(任务414)，并且选择与计算出的时间相关系数的最高值对应的相关滞后值(任务416)。例如，在图6中，时间相关系数的最高值在大约4个取样602(在相关系数的波峰)处发生。这意味着如果在时间t_i到达前部天线的信号穿过特定位置的湍气流区域，则相同位置将在时间t_i+4被到达后部天线的信号穿过。假定大约0.05秒的取样间隔，这是大约0.2秒的相关滞后值。假设天线(L₀)之间相距大约20米，这对应于朝向飞机后部的大约100m/s的相对图像速度V_i。飞机以大约200m/s(V_a)运动，因此真实图像速度V_i是前向大约100m/s。假设卫星在大约4200km的距离R_s处以大约400m/s(V_s)向后运动，则大约100m/s的图像速度V_i表示湍气流区域在距飞机大约105km的位置处被穿过。

图7图示了以千米计的距湍气流区域的各个距离的相关波峰(用附图标记702-712表示)。如图7所示，波峰相关值可以发生在正值Δt和负值Δt两者处。当干扰图案速度V_i为正并且比平台快时，即，干扰图案(湍气流区域影响的幅值序列)在前导(前部)天线之前影响尾随(后部)天线，负值Δt发生。这可以使用iGPS来发生，其中在低且快速运动的轨道中的卫星生成GPS信号。

特别地，如图7所示，相关波峰随着距离的增加(由附图标记708-712表示)移动到逐渐增加的正时间间隔Δt(从前部天线到后部天线)。然而，假定倒退的卫星，则在特定距离出现奇点(singularity)。当距离接近该奇点，在这种情况下大约200km(图7中未示出)，相关波峰快速地领先，然后弯曲到负Δts。然后，它接近左边的原点(Δt＝0)(由附图标记702-706表示)，随着距离增加，渐近地接近原点。

随后处理400继续计算所述距离(任务418)，并且发出指示所述距离的警告(任务420)，如上面图3的上下文中所解释的。

上述的本发明的示例实施例确定了到湍气流区域的中心的距离。然而，根据本发明的另一示例实施例，湍气流区域的厚度可以通过检查相关波峰的宽度来确定。因为所有的气团在相同距离处并且因此计算以相同速度移动的图像，一个薄区域具有一个高且窄的相关波峰(在Δt内较窄)。一个厚区域具有一个更宽的波峰，因为一些气团比其它气团相距更远，因此图像具有许多以稍微不同的速度移动的分量。对于给定数量的卫星信号闪烁，强度与所测量的湍气流区域的厚度成反比。在这点上，如果时间相关曲线的波峰较宽(在Δt内较宽)，则处理400指示厚湍气流区域具有相应较低的湍流强度，如果时间相关曲线的波峰较窄，则处理400指示薄湍气流区域具有相应较高的湍流强度。

此处描述的发明实施例可以通过更精确地测定湍气流区域(包括CAT)的位置(距离和高度)来提高空中交通系统性能，提供一种用于空中交通系统提供商和操作员的方式以便更精确地计划避免湍气流区域以提高乘客在交通或旅行期间的安全性和舒适性。

尽管在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并且决不用于以任何方式限制发明的范围、应用或者配置。相反，前面的详细描述将向本领域的普通技术人员提供用于实现所述一个或多个示例性实施例的便利指导。应当理解，在不背离所附权利要求书及其合法等效物所阐述的发明范畴的情况下，可以在元件的功能和结构上进行各种变化。

Claims (23)

1.一种用于计算从湍气流区域到平台的距离的方法，所述方法包括：

确定在从第一天线到第二天线的干扰图案的传播中的相关滞后值，其中所述相关滞后值对应于由所述湍气流区域造成的时移，并且其中所述湍气流区域处于从卫星发送到所述平台的信号的路径中；和

基于所述相关滞后值而计算所述距离。

2.如权利要求1的方法，其中确定相关滞后值的步骤进一步包括：

以一取样间隔在所述第一天线处取样对应于所述干扰图案的第一信号幅值序列；

以所述取样间隔在所述第二天线处取样对应于所述干扰图案的第二信号幅值序列；

计算所述第一信号幅值序列和所述第二信号幅值序列之间的时间相关系数；

计算对应于所述时间相关系数的相关滞后值；和

选择与所述时间相关系数的最高值对应的相关滞后值。

3.如权利要求1或2的方法，进一步包括发出指示所述距离的警告。

4.如任意在前权利要求的方法，其中：

所述湍气流区域是静止的湍气流区域；

所述平台是静止的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left[\frac{L_0}{V_s\mathrm{\Δt}-L_0}\right]$ 计算距离，其中R_t是从静止的湍气流区域到所述平台的距离，R_s是静止的平台与卫星之间的距离，L₀是第一天线与第二天线之间的水平间距，V_s是卫星的水平速度，并且Δt是相关滞后。

5.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是静止的湍气流区域；

所述平台是移动的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left\{\frac{\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a}{V_s-(\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a)}\right\}$ 计算所述距离，其中R_t是从静止的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，L₀是第一天线与第二天线之间的水平间距，Δt是相关滞后，V_a是移动的平台的水平速度，并且V_s是卫星的水平速度。

6.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是移动的湍气流区域；

所述平台是移动的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left\{\frac{V_t+\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}+V_a}{V_s-\frac{L_0}{\mathrm{\Δt}}-V_a}\right\}$ 计算所述距离，其中R_t是从移动的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，V_t是湍气流区域的水平速度，L₀是第一天线与第二天线之间的水平间距，Δt是相关滞后，V_s是卫星的水平速度，并且V_a是移动的平台的水平速度。

7.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是静止的湍气流区域；

所述平台是静止的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\frac{H_0}{V_{\mathrm{sz}}\mathrm{\Δt}-H_0}$ 计算所述距离，其中R_t是从静止的湍气流区域到静止的平台的距离，R_s是静止的平台与卫星之间的距离，H₀是第一天线与第二天线之间的垂直间隔，V_sz是卫星的垂直速度，并且Δt是相关滞后。

8.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是静止的湍气流区域；

所述平台是移动的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left\{\frac{\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}}}{V_{\mathrm{sz}}-(\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}})}\right\}$ 计算所述距离，其中R_t是从静止的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，H₀是第一天线与第二天线之间的垂直间隔，Δt是相关滞后，V_az是移动的平台的垂直速度，并且V_sz是卫星的垂直速度。

9.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是移动的湍气流区域；

所述平台是移动的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left\{\frac{V_{\mathrm{tz}}+\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}+V_{\mathrm{az}}}{V_{\mathrm{sz}}-\frac{H_0}{\mathrm{\Δt}}-V_{\mathrm{az}}}\right\}$ 计算所述距离，其中R_t是从移动的湍气流区域到移动的平台的距离，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，V_tz是移动的湍气流区域的垂直速度，H₀是第一天线与第二天线之间的垂直间隔，Δt是相关滞后，V_tz是移动的湍气流区域的垂直速度，V_az是移动的平台的垂直速度，并且V_sz是卫星的垂直速度。

10.如权利要求1-3中任一项的方法，其中：

所述湍气流区域是移动的湍气流区域；

所述平台是移动的平台；并且

基于关系式 $R_t=-R_s\left\{\frac{V_{t\_\mathrm{el}}+\frac{H_{0\_\mathrm{el}}}{\mathrm{\Δt}}+V_{a\_\mathrm{el}}}{V_{s\_\mathrm{el}}-\frac{H_{0\_\mathrm{el}}}{\mathrm{\Δt}}-V_{a\_\mathrm{el}}}\right\}$ 计算所述距离，其中R_t是从移动的湍气流区域到平台的距离，R_t针对平台到卫星的视线而被校正，R_s是移动的平台与卫星之间的距离，V_{t_el}是移动的湍气流区域投影到仰角单位矢量的垂直速度，H_{0_el}是投影到仰角单位矢量的第一天线与第二天线之间的垂直间距，Δt是相关滞后，V_{a_el}是投影到仰角单位矢量的移动的平台的垂直速度，并且V_{s_el}是投影到仰角单位矢量的卫星的垂直速度。

11.如任意在前权利要求的方法，进一步包括基于所述相关滞后值获取用于计算所述距离的数据，所述数据包括：

所述平台的水平速度；

卫星的水平速度；

所述湍气流区域的水平速度；

所述第一天线和所述第二天线之间的水平间距；

所述平台距所述卫星的距离；

所述平台的垂直速度；

所述卫星的垂直速度；

所述湍气流区域的垂直速度；和

所述第一天线和所述第二天线之间的垂直间距。

12.如权利要求2-11中任一项的方法，进一步包括存储：

所述第一信号幅值序列和所述第二信号幅值序列；

计算出的时间相关系数；

所述相关滞后值；和

所述取样间隔。

13.如权利要求2-12中任一项的方法，其中计算出的时间相关系数的最高值处于时间相关曲线的波峰处。

14.如权利要求13的方法，进一步包括基于所述时间相关曲线的波峰确定所述湍气流区域的厚度。

15.如权利要求14的方法，进一步包括：

如果所述时间相关曲线的波峰相对较宽，则指示厚湍气流区域；和

如果所述时间相关曲线的波峰相对较窄，则指示薄湍气流区域。

16.一种用于计算从湍气流区域到平台的距离的系统，所述系统包括：

多个天线，每个天线响应于入射电磁能而产生接收干扰图案，其中所述电磁能沿着一条须经过所述湍气流区域的路径行进；

耦接到所述天线的接收机，其被配置成测量所述接收干扰图案的属性；和

耦接到所述接收机的处理逻辑元件，其被配置成：

确定在从第一天线到第二天线的接收干扰图案的传播中的相关滞后值，其中所述相关滞后值对应于由所述湍气流区域造成的时移；和

基于所述相关滞后值而计算所述距离。

17.如权利要求16的系统，其中所述处理逻辑元件被进一步配置成：

以一取样间隔在第一天线处取样对应于所述接收干扰图案的第一信号幅值序列；和

以所述取样间隔在第二天线处取样对应于所述接收干扰图案的第二信号幅值序列。

18.如权利要求17的系统，进一步包括耦接到所述处理逻辑元件的相关器模块，该相关器模块被配置成：

计算所述第一信号幅值序列和所述第二信号幅值序列之间的时间相关系数；

计算与计算出的时间相关系数对应的相关滞后值；和

选择与计算出的时间相关系数的最高值对应的相关滞后值。

19.如权利要求18的系统，进一步包括耦接到所述处理逻辑元件的存储器模块，该存储器模块被配置成存储：

所述第一信号幅值序列和所述第二信号幅值序列；

计算出的时间相关系数；

所述相关滞后值；和

所述取样间隔。

20.如权利要求16-19中任一项的系统，其中所述接收机包括卫星接收机

21.如权利要求16-20中任一项的系统，进一步包括耦接到所述处理逻辑元件的通信网络，所述通信网络被配置成发出指示所述距离的警告。

22.如权利要求16-21中任一项的系统，其中所述处理逻辑元件被进一步配置成：

以一取样间隔在第一天线处取样对应于所述接收干扰图案的第一信号相位序列；和

以所述取样间隔在第二天线处取样对应于所述接收干扰图案的第二信号相位序列。

23.如权利要求18-22中任一项的系统，其中所述相关器模块被进一步配置成：

计算所述第一信号相位序列和所述第二信号相位序列之间的时间相关系数；

计算与计算出的时间相关系数对应的相关滞后值；和

选择与计算出的时间相关系数的最高值对应的相关滞后值。

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