CN105372722A - 一种空域风场探测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种空域风场探测方法及其装置，该方法包括步骤如下：步骤S1：利用一航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中其他航空器发出的广播式自相关监视报文信息；步骤S2：采用风场重构算法，将报文信息和相关机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息；步骤S3：通过可视化设备显示空域中的风场信息。本发明直接利用了广播式自相关监视接收功能收集并重构空域内实时的风场信息，而非通过地基低空风切变探测设备探测和推算空域的风场情况，从而提高了空域风场探测技术的实时性和可靠性，并降低了地基探测设备的开发和运营成本。

Description

一种空域风场探测方法及其装置

技术领域

本发明属于航空气象、导航监视、航空数据链、微电子计算机技术领域，尤其是涉及风场探测与重构、空-空数据通信、空-地数据通信领域的一种空域风场探测装置及其方法。

背景技术

航空器运行空域中的风场是影响航空活动的重要气象条件。风场变化所产生的风切变，会对航空器的正常运行产生影响，尤其是低空风切变具有变化快、范围小、强度大等特点，是公认的航空器起降阶段最严重的气象危害，严重危害航空活动安全，是一个不易解决的航空气象难题。机载风切变探测系统还存在许多不足，且存在成本与航空器设备加改装问题，而地基低空风切变探测预警系统优异的探测能力，使其在低空风切变探测中的作用越来越重要。虽然低空风切变地基探测设备有多种，但基本的探测原理是一致的，即通过对风场进行探测，然后采用各种算法进行风场重构，最后进行风切变判断或风切变预警。因此，空域风场的探测和重构是进行风切变判断与预警的前提。

现有低空风切变地基探测设备中，均存在一定局限性。低空风切变预警系统(LowLevelWindShearAlertSystem,LLWAS)只能探测地表附近的水平风切变，探测高度有限且受限于风速计的数量和安装位置；终端区多普勒气象雷达(TerminalDopplerWeatherRadar，TDWR)安装位置要求高，雷达选址常因各种原因受到限制，致使雷达不能直接应用于跑道范围，给应用带来了困难；风廓线雷达只能探测雷达所在点上空的风向风速，作用区域有限，必须将多部风廓线雷达进行联网才能得到整个机场上空区域的垂直风场分布。

现有基于广播式自相关监视接收功能探测风速的文献中，只是单纯地计算风速和风向本身，并未将计算结果推广应用到其他行业领域。

发明内容

本发明的目的是：针对现有低空风切变地基探测设备存在的一定局限性，以及已有利用广播式自相关监视的接收功能仅仅计算风速的单一性，提供一种基于广播式自相关监视接收功能的空域风场探测装置及其方法。

为达成所述目的，本发明的第一方面，提供一种空域风场探测方法，该方法包括步骤如下：

步骤S1：利用一航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中其他航空器通过广播式自相关监视发送的广播式自相关监视报文信息；

步骤S2：采用风场重构算法，将报文信息和相关机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息；

步骤S3：通过可视化设备显示空域中的风场信息。

为达成所述目的，本发明的第二方面，提供一种空域风场探测装置，该装置包括：广播式自相关监视机载发射机、广播式自相关监视地面站发射机、机载天线、广播式自相关监视机载接收机、风场重构设备、显示设备、机载位置传感器、气压高度计以及温湿度传感器，其中：

所述机载天线与广播式自相关监视机载发射机空-空通信、机载天线与广播式自相关监视地面站发射机空-地通信，用于接收对应的广播式自相关监视报文；

所述广播式自相关监视机载接收机与机载天线连接，用于传输对应的广播式自相关监视报文；

所述风场重构设备与对应的广播式自相关监视机载接收机、机载传感器连接，用于获得直接和间接气象要素，重建风场信息；

所述显示设备与风场重构设备连接，用于显示风场数据信息。

本发明的有益效果：本发明公开了一种利用航空器的广播式自相关监视接收功能，接收空域中其他航空器发送的报文信息，重构空域风场的方法。该方法基于目前民用航空领域快速发展并逐步普遍采用的广播式自相关监视技术，直接利用航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收其他航空器通过广播式自相关监视发送功能所广播的有关航空器的经度、纬度、高度、真空速、地速、信息发送时刻等信息，结合航空器自身的位置信息、高度信息、温湿度信息，采用风场重构算法，实时重建出空域中的风场信息，通过可视化方法呈现给飞行员，以提供或增强飞行员对航空器周边空域风场变化的态势感知能力，为飞行员及时预测和规避某些极端天气提供决策支持，从而提升飞行安全与效率。

由于本发明采用了上述技术方案，本发明直接利用了广播式自相关监视接收功能收集并重构空域内实时的风场信息，而非通过地基低空风切变探测设备探测和推算空域的风场情况，从而提高了空域风场探测技术的实时性和可靠性，并降低了地基探测设备的开发周期和运营成本。

附图说明

图1示出本发明一种空域风场探测方法的流程图。

图2示出本发明一种空域风场探测装置的组成单元结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1展示的一种空域风场探测方法的实施例1的流程图，本实施例将每一架空域中的航空器视为一个实时运动的风场数据采集和接收传感器，通过实时计算和重构风场的方法反演整条航路上的风场信息，而非通过地基探测设备探测和推算空域的实时风场信息，从而为飞行员提供可视化的风场信息，增强其态势感知能力。

本发明的一种空域风场探测方法的步骤包括：

步骤S1：该方法基于目前民用航空领域快速发展并逐步普遍采用的广播式自相关监视技术，直接利用航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中其他航空器通过广播式自相关监视发送功能所广播的有关航空器的报文信息；所述航空器的报文信息包括经度、纬度、高度、真空速、地速、信息发送时刻等。

步骤S2：采用风场重构算法，将报文信息和相关机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息；

步骤S3：通过可视化设备呈现给飞行员。

请参阅图2展示的本发明提供的一种空域风场探测装置包括：广播式自相关监视机载发射机、广播式自相关监视地面站发射机、机载天线、广播式自相关监视机载接收机、风场重构设备、显示设备、机载位置传感器、气压高度计以及温湿度传感器，其中：

所述机载天线与广播式自相关监视机载发射机空-空通信、机载天线与广播式自相关监视地面站发射机空-地通信，用于接收对应的广播式自相关监视报文；

所述广播式自相关监视机载接收机与机载天线连接，用于传输对应的广播式自相关监视报文；

所述风场重构设备与对应的广播式自相关监视机载接收机、机载传感器连接，用于获得直接和间接气象要素，重建风场信息；

所述显示设备与风场重构设备连接，用于显示风场数据信息。

实施例1：

下面仅以运输航空的客机为例，给出实施例。

在航路上的任意一架航空器，可以通过广播式自相关监视接收功能接收广播式自相关监视的报文信息，可以采用航路上其他航空器通过广播式自相关监视发送功能发出的报文信息，这些信息由广播式自相关监视机载发射机发出，经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码报文信息；

所述接收到的广播式自相关监视报文信息，借助航空器的机载天线被航空器接收，再由广播式自相关监视机载接收机接收。

使用风场重构设备对接收到的广播式自相关监视报文信息进行信号处理和解码，然后计算风速的大小和方向，风速和风向通过公式(1)计算，利用广播式自相关监视报文信息中的地速、真空速就可以计算航空器的实时风速和方向。

${\stackrel{\→}{V}}_{GS}-{\stackrel{\→}{V}}_{TAS}={\stackrel{\→}{V}}_{WS}---\left(1\right)$

公式1中，表示地速，表示真空速，表示风速。因为这些速度都是矢量，故矢量之差就是风速的强弱和方向。

利用所述风场重构设备计算出的风速信息，结合航空器本身的机载位置传感器输出的位置信息，航空器本身的机载气压高度计输出的高度信息，航空器本身的温湿度传感器输出的温湿度信息，广播式自相关监视报文信息中的时间信息、经度信息、维度信息、高度信息进行风场的重构。风场重构采用内插的方法进行，首先利用航路上已有航空器接收到的直接和间接气象要素信息对该时刻该航空器所在空域点的风场进行实时计算，然后按照固定的时间间隔重新计算航路上已有航空器对应空域点的风场信息；最后将这些离散的风场信息进行内插，从而重构出航路上连续的风场信息。

风场重构设备将重构后空域中的风场信息，借助航空器自身的航电设备通信链路传递给机载座舱显示设备，显示的数据以文字、图像或声音的方式呈现，并最终呈现给机组人员。

实施例2：

在航路上的任意一架航空器，可以通过广播式自相关监视接收功能接收广播式自相关监视的报文信息，还可以通过地面上其他广播式自相关监视地面站发射机发出的空中交通情报服务广播信息，这些信息经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码报文信息。

如表1示出实施例中所述广播式自相关监视报文信息的数据项(Cat021格式编码)

实施例3

续请参阅图2，本实施例，所述机载传感器包括位置传感器、气压高度计以及温湿度传感器，用于输出航空器自身的位置、高度以及温湿度信息。

根据对应的广播式自相关监视报文、传感器的位置、高度以及温湿度信息，获得所述风场信息。

本发明使用广播式自动相关监视(ADS-B)，所述ADS-B是无线电技术在民用航空监视上的新应用，即利用空对地、空对空数据通信完成航空器信息传递的一种新技术。ADS-B系统主要分为机载设备、地面站、数据链和传输网络。机载设备通过GNSS卫星获得航空器实时的三维位置信息和速度信息，从大气数据系统得到航空器的气压高度信息，通过机载ADS-B收发机将上述信息及其他附加信息如航空器标识、航空器类别等向空中和地面广播，供其他航空器和地面设备接收和显示。空中的航空器接收到其他航空器的信息，经过处理后显示在驾舱交通显示器(CDTI)上。按照航空器广播信息传递的方向划分，ADS-B可分为发送(ADS-BOUT)和接收(ADS-BIN)两类。ADS-BOUT是指航空器的机载发射机以一定的周期发送航空器的各种信息，包括航空器识别信息(ID)、位置、高度、速度、方向和爬升率等。OUT是机载ADS-B设备的基本功能。ADS-BIN是指航空器接收其他航空器发送的ADS-B信息或地面站发送的信息，为机组提供运行支持。ADS-BIN可以实现在CDTI上看到其他航空器的运行状况，从而提高机组的空中交通态势感知。ADS-B的数据链主要有1090ES、UAT、VDLMODE4三种，中国民航目前主要使用1090ES。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种空域风场探测方法，该方法包括步骤如下：

步骤S1：利用一航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中其他航空器通过广播式自相关监视发送的广播式自相关监视报文信息；

步骤S2：采用风场重构算法，将报文信息和相关机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息；

步骤S3：通过可视化设备显示空域中的风场信息。

2.根据权利要求1所述空域风场探测方法，其特征在于，获得所述广播式自相关监视报文信息是通过航路上其他航空器借助广播式自相关监视发送功能发出的报文信息，所述的报文信息由广播式自相关监视机载发射机发出，经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码报文信息。

3.根据权利要求1所述空域风场探测方法，其特征在于，获得所述广播式自相关监视报文信息是通过地面上其他广播式自相关监视地面站发射机发出的空中交通情报服务广播信息，所述空中交通情报服务广播信息是经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码的报文信息。

4.根据权利要求1所述空域风场探测方法，其特征在于，所述广播式自相关监视报文信息是借助航空器的机载天线被航空器接收，再由广播式自相关监视机载接收机接收。

5.根据权利要求1所述空域风场探测方法，其特征在于，使用风场重构设备对接收到的广播式自相关监视报文信息进行信号处理和解码，然后计算风速的大小和方向，利用广播式自相关监视报文信息中的地速、真空速计算航空器的实时风速和方向；利用航空器的实时风速和方向，结合航空器本身的机载位置传感器输出的位置信息、机载气压高度计输出的高度信息、机载温湿度传感器输出的温湿度信息，广播式自相关监视报文信息中的时间信息、经度信息、维度信息、高度信息进行风场的重构。

6.根据权利要求1所述空域风场探测方法，其特征在于，所述风场重构的步骤包括：利用航路上已有航空器接收到的直接和间接气象要素信息对该时刻该航空器所在空域点的风场进行实时计算；按照固定的时间间隔重新计算航路上已有航空器对应空域点的风场信息；将这些离散的风场信息进行内插，从而重构出航路上连续的风场信息。

7.一种空域风场探测装置，其特征在于，该装置包括：广播式自相关监视机载发射机、广播式自相关监视地面站发射机、机载天线、广播式自相关监视机载接收机、风场重构设备、显示设备、机载位置传感器、气压高度计以及温湿度传感器，其中：

所述机载天线与广播式自相关监视机载发射机空-空通信、机载天线与广播式自相关监视地面站发射机空-地通信，用于接收对应的广播式自相关监视报文；

所述广播式自相关监视机载接收机与机载天线连接，用于传输对应的广播式自相关监视报文；

所述风场重构设备与对应的广播式自相关监视机载接收机、机载传感器连接，用于获得直接和间接气象要素，重建风场信息；

所述显示设备与风场重构设备连接，用于显示风场数据信息。

8.根据权利要求1所述空域风场探测装置，其特征在于，获得所述广播式自相关监视报文信息是通过航路上其他航空器借助广播式自相关监视发送功能发出的报文信息，所述的报文信息由广播式自相关监视机载发射机发出，经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码报文信息；或是

通过地面上其他广播式自相关监视地面站发射机发出的空中交通情报服务广播信息，所述空中交通情报服务广播信息是经过1090MHz数据链传输，以Cat021格式编码的报文信息。

9.根据权利要求1所述空域风场探测装置，其特征在于，使用风场重构设备对接收到的广播式自相关监视报文信息进行信号处理和解码，然后计算风速的大小和方向，利用广播式自相关监视报文信息中的地速、真空速计算航空器的实时风速和方向；利用航空器的实时风速和方向，结合航空器本身的机载位置传感器输出的位置信息、机载气压高度计输出的高度信息、机载温湿度传感器输出的温湿度信息，广播式自相关监视报文信息中的时间信息、经度信息、维度信息、高度信息进行风场的重构。

10.根据权利要求1所述空域风场探测装置，其特征在于，所述风场重构的步骤包括：利用航路上已有航空器接收到的直接和间接气象要素信息对该时刻该航空器所在空域点的风场进行实时计算；按照固定的时间间隔重新计算航路上已有航空器对应空域点的风场信息；将这些离散的风场信息进行内插，从而重构出航路上连续的风场信息。