CN102565766A - 一种空管监视雷达飞行校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空管监视雷达飞行校验方法，包括以下几个步骤：步骤一：根据具体校验任务，制定飞行计划；步骤二：检查校验设备；步骤三：实施飞行；步骤四：启动雷达站数据记录仪，同时启动机载校验软件；步骤五：更换校验或者结束校验；步骤六：结束飞行；步骤七：数据处理；步骤八：根据飞行校验记录和信息后处理的结果，出具飞行校验报告。本发明实现了空管监视雷达的自动飞行校验，突破了以往空管雷达校验中存在的缺陷，并提高了雷达飞行校验的准确度。

Description

一种空管监视雷达飞行校验方法

技术领域

本发明涉及一种空管监视雷达飞行校验方法，应用于空中交通管制领域。

背景技术

飞行校验是指为保证飞行安全，使用装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告的过程。确保飞行安全是民航工作的永恒主题，也是实施飞行校验的根本目的。飞行校验是机场开放和航路运行的最基本的前提之一，是保证通信、导航、雷达等设施设备符合航班正常运营要求的必要手段，是保障飞行安全和旅客生命、人民财产安全的重要环节。

雷达系统是我国飞行校验的主要对象之一，目前在国内民用航空中，雷达校验的空中动态校准方法是在飞机飞到规定检查点位置时，校验员在飞行过程中接收雷达操作员报告的雷达距离或方位，瞬间按下事件按钮并将距离、方位等参数输入到校验系统中，由校验系统与飞机雷达测定的距离或方位计算出测距或方位误差。这种雷达校验方法只能在载有飞行校验系统的飞机上进行，校验数据来源是通过空中校验员与二次监视雷达调机人员之间的无线电语音通信来实现的，由此造成的不确定随机时延也会对校验系统带来一定的误差。另外随着机场业务的逐渐展开，潜在的国际雷达及空管自动化校验任务越来越多，空中交通繁忙，仅靠校验飞机难以满足飞行校验需求。因此，需要研究新的空中动态校验方法，扩大雷达校验的范围，提高飞行校验的精度和可靠性。

自美国的全球定位系统GPS(Global Position System)出现之日起，GPS就一直作为世界上唯一的一个能够保持正常运行的卫星定位系统，为全世界提供全天候的导航定位服务。GNSS(Global Navigation Satellite System)泛指全球导航卫星系统，它包括利用GPS、GLONASS和GALILEO全球卫星定位系统中的一个或多个系统进行导航定位，并同时能够提供卫星的完备性检验信息(Integrity checking)和足够的导航安全性告警信息。伴随着GPS星座系统的不断改善以及定位技术的不断完善市场机制，GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特点得到了广泛应用，并且新的应用领域还在不断扩展，呈现出极其广阔的应用前景。

鉴于雷达的定位精度要求是距离显示误差应不超过真实距离的5％或150米，以较大者为准。经研究及多次试验证明，GPS动态定位精度为十几米甚至米级，已经可以满足系统精度需求，完全可以使用高精度的GPS定位技术实现空管监视雷达的飞行校验。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种空管监视雷达飞行校验方法，采用空地自动数据记录模式，突破了传统的雷达校验方法，实现了空管监视雷达的自动飞行校验。

本发明的一种空管监视雷达飞行校验方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据具体校验任务，制定飞行计划；

当对雷达的距离测量精度进行评估时，采用飞机围绕雷达站进行圆周飞行，当对雷达的角度测量精度进行评估时，采用飞机在同一方位面对或背对雷达台站飞行；

步骤二：检查校验设备；

在进行校验前，检查被校雷达是否正常工作；

步骤三：实施飞行；

根据步骤一制定的飞行计划，按照飞行校验科目实施飞行；

步骤四：启动雷达站数据记录仪，同时启动机载校验软件；

启动地面数据记录仪，记录雷达输出的位数据，定位数据为以地面雷达站为原点的站心直角坐标系下飞机的坐标；

飞机的GPS接收机输出GPS定位数据，GPS数据为WGS-84坐标系下飞机飞行的坐标；

机载校验软件完成GPS定位数据的接收、处理，飞行校验科目的选择，及相关信息的处理，机载校验软件包括信息显示及信息存储等功能；

步骤五：更换校验或者结束校验；

在一个校验科目结束后，选择更换校验科目或结束校验，如果选择结束校验，则结束飞行；如果选择更换校验科目，则返回步骤四；

步骤六：结束飞行；

步骤七：数据处理；

飞行结束后，以GPS定位数据和雷达站记录的雷达站定位数据为数据源，以同一世界协调时UTC时间下对齐，通过对数据的处理分析，对雷达站的测距、测角精度进行评估；

步骤八：根据飞行校验记录和信息后处理的结果，出具飞行校验报告。

本发明的优点在于：

实现了空管监视雷达的自动飞行校验，突破了以往空管雷达校验中存在的缺陷，并提高了雷达飞行校验的准确度。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明中的机载校验软件的工作流程图；

图3是本发明中的数据处理工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种空管监视雷达飞行校验方法，深入研究空管监视雷达的飞行校验原理、校验科目及其算法，基于GPS技术，制定合理的飞行校验程序，实现GPS数据和空管雷达数据的自动获取，并尝试采用航迹估计算法解决随机时延造成的时空配准误差，分析校验数据，评估空管监视雷达的测距和测角精度，流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：根据具体校验任务，制定飞行计划；

在对雷达的测距精度进行评估时，飞机围绕雷达站进行圆周飞行，此时飞机在法向上的速度为零，飞机与雷达站的距离是基本不变，这样可减少飞行带来的校验误差。同理，在评估雷达的角度测量精度时，飞机在同一方位面对或背对雷达台站飞行，此时飞机的方位是基本不变的。

步骤二：检查校验设备；

在进行校验前，检查被校雷达是否正常工作。

步骤三：实施飞行。

由于导航系统误差、飞行技术误差等综合飞行误差及时空配准误差等无法分离，为减少误差，飞行校验科目可分三类：圆周飞行校验科目、径向飞行校验科目和进近飞行校验科目。

圆周飞行校验科目指飞机以雷达为中心，以选定的高度和半径进行圆周飞行，圆周半径应选择在20海里至40海里范围内。

径向飞行校验科目指飞机沿选定的雷达径向在规定的高度和距离范围内进行飞行，即通常所说的径向飞行，以雷达台站为中心，飞机在一定高度，背台或向台飞行。在选择飞行校准径向时，应选择地形较好且雷达杂波较小的方位。

进近飞行校验科目指飞机以恒定高度横越跑道中心线，一般采用高度为1000英尺，起始距离为10海里，到跑道入口后平飞通场。

根据步骤一制定的飞行计划，协调空管局等相关部门，按照飞行校验科目实施飞行。

步骤四：启动地面雷达站数据记录仪，同时启动机载校验软件。

启动地面数据记录仪，记录雷达输出的定位数据，定位数据为以雷达站为原点的站心直角坐标系下飞机的坐标；

飞机的GPS接收机输出GPS定位数据，GPS数据为WGS-84坐标系下飞机飞行的坐标；

机载校验软件主要完成GPS定位数据的接收、处理，飞行校验科目的选择，及相关信息的处理，包括信息显示及信息存储等功能。

步骤五：更换校验或者结束校验。

在一个校验科目结束后，选择更换校验科目或结束校验。如果选择结束校验，则结束飞行。如果选择更换校验科目，则返回步骤四。

步骤六：结束飞行。

步骤七：数据处理：

飞行结束后，以GPS定位数据和雷达站记录的定位数据为数据源，以同一世界协调时UTC(Universal Time Coordinated)时间下对齐，通过对数据的处理分析，对雷达站的测距、测角精度进行评估。

步骤八：根据飞行校验记录和信息后处理的结果，给出飞行校验报告。

实施例：

本发明的一种空管监视雷达飞行校验方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：根据飞行校验任务，制定飞行计划；

这包括对飞行程序的设计。在对雷达的测距精度进行评估时，飞机围绕雷达站进行圆周飞行，此时飞机在法向上的速度为零，飞机与雷达站的距离是基本不变的，这样减少飞行带来的误差。同理在评估雷达的测角精度时，飞机在同一方位向着或背着雷达台站飞行，此时飞机的方位是基本不变的。

步骤二、检查校验设备。

飞行校准前，检查被校雷达是否正常工作，设施维护人员应检查并确保二次监视雷达处于正常工作状态；必要时，提前对二次监视雷达按照规定的周期和要求进行全面调整。

步骤三：实施飞行。

根据制定的飞行计划，协调空管局等相关部门，按照飞行校验科目实施飞行。

步骤四：启动雷达站数据记录仪，同时启动机载校验软件。

启动地面雷达站数据记录仪，记录雷达站定位数据，雷达站定位数据为地面雷达站站心直角坐标系下飞机飞行的坐标；

飞机的GPS接收机输出GPS数据，GPS数据为WGS-84坐标系下飞机飞行的坐标；

机载校验软件主要完成GPS数据的接收、处理，飞行校验科目的选择，及相关信息的处理，包括信息显示及信息存储等功能，机载校验软件的工作流程如图2所示，有如下步骤：

步骤401：对GPS接收机输出的NMEA 0183国际标准格式的GPS数据进行解读。解析出GPS定位的飞行的大地坐标系坐标即：飞机的经度、纬度和大地高。同时也可以解读出卫星的数据，用于监控卫星状态。

步骤402：信息处理，主要完成飞行校验科目的选择、存储及对应相关数据的计算，分类等功能。校验科目的选择包括，选择飞行程序即：圆周飞行、径向飞行或进近飞行，以及地面雷达站数据记录仪和跑道信息的录入。

步骤403：进行信息显示及信息存储。信息显示主要包括：定位信息的显示、卫星状态的显示、飞行轨迹的显示、飞行高度的显示等。信息存储主要包括：基本定位信息的存储、校验科目信息的存储、雷达站及跑道信息的存储等。

步骤五：选择更换校验或者选择结束校验。

在一个校验科目结束后，选择更换校验科目或结束校验。如果选择继续飞行校验科目，需要返回步骤五继续工作；如果选择结束校验，则结束飞行。

步骤六、结束飞行。

步骤七：数据处理。

以GPS定位数据和雷达站记录的雷达站定位数据为数据源，以同一UTC时间下对齐，通过对数据的处理分析，对雷达站的测距、测角精度进行评估。数据处理的过程如图3所示，有如下步骤：

步骤701：读入GPS定位数据和雷达站记录仪记录的雷达站定位数据，作为处理的信息来源。

步骤702、进行数据挑选。只有在同一时刻，二者的定位数据比对才有意义，因此，按照同一UTC时间的标准对二者的数据进行对齐、挑选。

步骤703、数据处理，对挑选后的数据进行比对。

在数据处理方面，由于是对校验雷达进行校验，地面雷达站所测得的雷达站定位数据是在地面雷达站站心直角坐标系下飞机飞行的坐标，而GPS接收机作为机载设备，输出的是WGS-84(World Geodetic System，1984年)坐标系下飞机飞行位置，因此根据系统的需要，要进行下面几种坐标转换：

1、WGS-84大地坐标与地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed，ECEF)坐标之间的坐标转换方程如公式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)\\ (r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)\\ \left[(r\_n*(1-\mathrm{NAV}\_E2)+\mathrm{alt})\right]*\cos \left(\mathrm{lat}\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：

x、y、z定义为地心地固坐标系下的坐标；

alt为飞机在WGS-84坐标下的高度；

lat为飞机在WGS-84坐标下的地纬度；

lon为飞机在WGS-84坐标下的地经度；

地球半径：A_EARTH＝6378137；

WGS-84系椭球的扁率：flattening＝1/298.2572235；

第一偏心率；NAV_E2＝(2-flattening)*flattening；

卯酉圈曲率半径： $r\_n=\frac{A\_\mathrm{EARTH}}{\sqrt{1-\mathrm{NAV}\_E2*{\left(\sin \left(\mathrm{lat}\right)\right)}^2}};$

2、地心地固坐标系与站心直角坐标系之间的坐标转换方程如公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xg}\\ \mathrm{yg}\\ \mathrm{zg}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})-\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})+\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})+\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：(xg，yg，zg)是转换后飞机在雷达站心直角坐标系下的坐标，(xe，ye，ze)是飞机在ECEF坐标系下的坐标，(xu，yu，zu)是雷达在ECEF坐标系下的坐标。

3、雷达站心直角坐标系与雷达站站心极坐标之间的坐标转换如公式(3)所示：

$\left[\begin{array}{c}R\\ A\\ E\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}\\ \arctan \left(\frac{x}{y}\right)\\ \arcsin \left(\frac{z}{R}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：(R，A，E)为雷达站心极坐标分量，分别是雷达测得的目标的斜距、方位和仰角，(x，y，z)是飞机在雷达站心直角坐标坐标系中的坐标。

步骤704、根据步骤703数据比对的结果，可以得出在同一时刻，雷达相对于GPS的测距及测角误差，对雷达定位精度做出评估。

步骤八：根据飞行校验记录和信息后处理的结果，出具飞行校验报告。

Claims (5)

1.一种空管监视雷达飞行校验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：根据具体校验任务，制定飞行计划；

当对雷达的距离测量精度进行评估时，采用飞机围绕雷达站进行圆周飞行，当对雷达的角度测量精度进行评估时，采用飞机在同一方位面对或背对雷达台站飞行；

步骤二：检查校验设备；

在进行校验前，检查被校雷达是否正常工作；

步骤三：实施飞行；

根据步骤一制定的飞行计划，按照飞行校验科目实施飞行；

步骤四：启动雷达站数据记录仪，同时启动机载校验软件；

启动地面数据记录仪，记录雷达输出的定位数据，定位数据为以雷达站为原点的站心直角坐标系下飞机的坐标；

飞机的GPS接收机输出GPS定位数据，GPS数据为WGS-84坐标系下飞机飞行的坐标；

机载校验软件完成GPS定位数据的接收、处理，飞行校验科目的选择，及相关信息的处理，机载校验软件包括信息显示及信息存储等功能；

步骤五：更换校验或者结束校验；

在一个校验科目结束后，选择更换校验科目或结束校验，如果选择结束校验，则结束飞行；如果选择更换校验科目，则返回步骤四；

步骤六：结束飞行；

步骤七：数据处理：

飞行结束后，以GPS定位数据和雷达站记录的雷达站定位数据为数据源，以同一世界协调时UTC时间下对齐，通过对数据的处理分析，对雷达站的测距、测角精度进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种空管监视雷达飞行校验方法，其特征在于，所述的步骤三中飞行校验科目分为三类：圆周飞行校验科目、径向飞行校验科目和进近飞行校验科目；

圆周飞行校验科目指飞机以雷达为中心，以选定的高度和半径进行圆周飞行，圆周半径应选择在20海里至40海里范围内；

径向飞行校验科目指飞机沿选定的雷达径向在规定的高度和距离范围内进行飞行，即通常所说的径向飞行，以雷达台站为中心，飞机在一定高度，背台或向台飞行，在选择飞行校准径向时，应选择地形较好且雷达杂波较小的方位；

进近飞行校验科目指飞机以恒定高度横越跑道中心线，一般采用高度为1000英尺，起始距离为10海里，到跑道入口后平飞通场。

3.根据权利要求1所述的一种空管监视雷达飞行校验方法，其特征在于，所述的步骤四中机载校验软件的工作流程包括：

步骤401：对GPS接收机输出的NMEA 0183国际标准格式的GPS定位数据进行解读；解析出GPS定位的飞行的大地坐标系坐标即：飞机的经度、纬度和大地高，同时解读出卫星的数据，用于监控卫星状态；

步骤402：信息处理，完成飞行校验科目的选择、存储及对应相关数据的计算，分类；校验科目的选择包括，选择飞行程序即：圆周飞行、径向飞行或进近飞行，以及地面雷达站数据记录仪和跑道信息的录入。

步骤403：进行信息显示及信息存储，信息显示包括：定位信息的显示、卫星状态的显示、飞行轨迹的显示、飞行高度的显示；信息存储主要包括：基本定位信息的存储、校验科目信息的存储、雷达站及跑道信息的存储。

4.根据权利要求1所述的一种空管监视雷达飞行校验方法，其特征在于，所述的步骤七具体包括以下几个步骤：

步骤701：读入GPS定位数据和雷达站记录仪记录的雷达站定位数据；

步骤702、进行数据挑选，按照同一UTC时间的标准对二者的数据进行对齐、挑选；

步骤703、数据处理，对挑选后的数据进行比对；

地面雷达站记录地面雷达站站心直角坐标系下飞机飞行的坐标，GPS数据为WGS-84坐标系下飞机飞行的坐标，坐标转换为：

(1)、WGS-84大地坐标与地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed，ECEF)坐标之间的坐标转换方程如公式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)\\ (r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)\\ \left[(r\_n*(1-\mathrm{NAV}\_E2)+\mathrm{alt})\right]*\cos \left(\mathrm{lat}\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：

x、y、z为飞机在地心地固坐标系下的坐标；

alt为飞机在WGS-84坐标下的高度；

lat为飞机在WGS-84坐标下的地纬度；

lon为飞机在WGS-84坐标下的地经度；

地球半径：A_EARTH＝6378137；

WGS-84系椭球的扁率：flattening＝1/298.2572235；

第一偏心率：NAV_E2＝(2-flattening)*flattening

卯酉圈曲率半径： $r\_n=\frac{A\_\mathrm{EARTH}}{\sqrt{1-\mathrm{NAV}\_E2*{\left(\sin \left(\mathrm{lat}\right)\right)}^2}};$

(2)、地心地固坐标系与站心直角坐标系之间的坐标转换方程如公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xg}\\ \mathrm{yg}\\ \mathrm{zg}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})-\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})+\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})+\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：(xg，yg，zg)是转换后飞机在雷达站心直角坐标系下的坐标，(xe，ye，ze)是飞机在ECEF坐标系下的坐标，(xu，yu，zu)是雷达站在ECEF坐标系下的坐标；

(3)、雷达站心直角坐标与雷达站站心极坐标之间的坐标转换如公式(3)所示：

$\left[\begin{array}{c}R\\ A\\ E\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}\\ \arctan \left(\frac{x}{y}\right)\\ \arcsin \left(\frac{z}{R}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：(R，A，E)为雷达站心极坐标分量，分别是雷达测得的目标的斜距、方位和仰角，(x，y，z)是飞机在雷达站心直角坐标坐标系中的坐标；

步骤704、根据步骤703数据比对的结果，得出在同一时刻，雷达相对于GPS的测距及测角误差，对雷达定位精度做出评估。

5.根据权利要求1所述的一种空管监视雷达飞行校验方法，其特征在于，还包括步骤八：根据飞行校验记录和信息后处理的结果，出具飞行校验报告。

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