CN105388535B - 基于现有机载设备的航空气象风观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法，包括如下步骤：a)获取现有机载设备广播的探测数据，所述探测数据可解析出时间、经纬度位置、飞行高度层、真空速、航向角、航迹角和地速矢量；b)根据真空速、航向角、航迹角和地速矢量计算出该机载设备所在位置的风向和风速；c)汇总不同机载设备的风速和风向数据，分类存储，从而推算出不同机载设备所覆盖空域的气象风活动数据。本发明通过接收、分析空域内多个航空器的机载探测数据，并对数据进行过滤、计算、趋势推算等处理，推导出整个空域的风活动情况，从而充分利用现有机载设备和系统条件，在不增加或者少量增加成本的前提下，实现大范围、低成本气象风观测目的。

Description

基于现有机载设备的航空气象风观测方法

技术领域

本发明涉及一种航空气象风观测方法，尤其涉及一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法。

背景技术

天气已经成为影响我国航空交通安全和航空行业经济效益的重要因素，其中对风的观测尤为重要。通用航空飞行无论是起飞、着陆还是巡航阶段，对风的观测需要持续进行，逆风、顺风、侧风、风切变、湍流都影响着飞行安全和飞行经济效益。

对于风的观测，传统方式采用风杯式风速仪、螺旋浆式风速仪及风压板风速仪等，目前较为先进的手段有超声波测风仪、多普勒测风雷达测风仪、风廓线仪等。传统风速仪是一种机械式测风仪(如风杯式风速仪、螺旋浆式风速仪及风压板风速仪)，其优点在于可靠性高、成本低，但同时也存在机械轴承磨损的情况，因此需要定期检测甚至更换。其次，在结冰地区，传统风速仪需要安装加热设备防止仪器结冰。对于较为先进的风测设备，超声波风速计通过检测声波的相位变化来记录风速，激光风速计可以检测空气分子反射的相干光波，这些非机械式风速仪的优点在于受结冰天气/气候的影响较小，缺点是用电量较大，在偏远地区的应用受到限制。

对于高空风的测量，主要采用无线电探空测风技术，当要求附加高空风时，可以使用测风气球和无线电测风系统，而不必施放昂贵的探空仪。全球气象观测系统中：在陆地上，高空站的补充观测主要采用机载天气雷达、风廓线仪和多普勒天气雷达；在海上，高空风主要由民航飞机机载天气雷达在巡航时观测；在轮船或遥远的岛屿上，通过施放无线电探空测风仪，以补充包括风等要素的垂直廓线，也可通过地球静止气象卫星的观测来跟踪云和水汽结构。这些测量方式成本往往较高，而且信息分析时间较长。

民航对风的观测，主要依靠卫星、地面天气雷达和民航飞机装备的机载天气雷达。装备有天气雷达的民航飞机在巡航时可进行高空风观测，其他机载设备也可以分析天气现象，但民航飞机探测的气象信息一般多用于单体飞机，仅有少量信息可能会向地面和空中其他飞机共享，其所依赖的数据链和通信协议较复杂、维护成本高。无论卫星、地面天气雷达还是机载天气雷达，都是价钱昂贵、技术复杂、维护困难、使用成本高的观测手段。

民航对风观测手段并不完全适合通用航空的发展和使用需求。通用航空较民航飞机不同，通航飞机机载设备简单，其低成本的飞行需求和传统的作业模式是无法负担高额气象设备开销的。另一方面，通航飞行一般划设空域而不是划设航路，空域往往较为广阔，由于通航飞行范围广且不固定，无法靠地面布设气象站的方式实现对低空空域全面覆盖进行天气观测。因此，通用航空对风观测的要求是范围广(高度和广度)、时效性高、技术简单且成本低。

此外，通航飞机轻、小、慢，对风非常敏感，其飞行速度、耗油量受风的影响明显。随着通用航空产业不断发展，航空气象服务已不能局限于仅仅为飞行安全提供保障信息，更高层次要求是为提高飞行经济效益提供协助。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法，能够充分利用现有机载设备和系统条件，在不增加或者少量增加成本的前提下，实现大范围、低成本气象风观测目的，为通航飞行提供充足的气象风观测数据。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法，包括如下步骤：a)获取现有机载设备广播的探测数据，所述探测数据可解析获得时间、经纬度位置、飞行高度层、真空速、航向角、航迹角和地速矢量；b)根据真空速、航向角、航迹角和地速矢量计算出该机载设备所在位置的风向和风速；c)汇总不同机载设备的风速和风向数据，分类存储，从而推算出不同机载设备所覆盖空域的气象风活动数据。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤a)中机载设备为飞机的机载ADS-B、机载北斗设备或机载AIS。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤a)中机载设备为临时安置在飞机上的便携式ADS-B或北斗设备。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤b)中风向和风速的计算过程如下：

其中，真空速为V_T，风速为V_W，地速为V_D，航向角为α，航迹角为β，风向角为γ，且α、β、γ∈[0°，360°)。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤c)汇总不同机载设备的风速和风向数据时，先对超出阀值的异常数据进行过滤，接着根据不同时间段和不同高度层对风速和风向数据分类存储，再利用空间插值法根据已获取位置的风矢量推导附近点的风矢量。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤c)中根据已获取位置的风矢量推导附近点的风矢量的过程如下：确定待计算的邻近估计点的坐标；选择与所述估计点相邻的位置点作为参照点，根据Kriging计算模型求邻近估计点风矢量。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述相邻的参照点的选择过程如下：以所述估计点为中心，在360度方向上将水平空间平均划分为若干区域，对每个区域内已获取风矢量的位置点进行遍历，并在每个区域内取一个距离所述估计点最近的位置点作为参照点。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤c)还包括按照不同高度层绘制出空域的风羽图，进行图形化显示。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤c)还包括根据同一位置相邻时间段的风矢量的变化趋势预估该位置的未来风速和风向，并推送给气象部门进行预警。

上述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其中，所述步骤c)还包括根据真空速矢量和风矢量计算地速矢量，并将计算出的地速矢量作为经济飞行速度推送给航空部门。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，通过接收、分析空域内多个航空器的机载探测数据，并对数据进行过滤、计算、趋势推算等处理，推导出整个空域的风活动情况，并将数据处理结果应用于航空、气象等部门的相关系统，作为风观测的补充数据，充分利用现有机载设备和系统条件，在不增加或者少量增加成本的前提下，增强风观测的范围和能力，为通航飞行提供充足的气象风观测数据；满足通航飞机机载设备简单，飞行范围广，对气象风的观测需求高，且能承担的造改装费用有限的要求，并利用风观测数据减少飞行耗油量，提高通航飞行经济效益。

附图说明

图1为本发明基于现有机载设备的航空气象风观测过程示意图；

图2为本发明根据真空速矢量和地速矢量计算风速矢量示意图；

图3为本发明采用八方搜索策略查找参照点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明基于现有机载设备的航空气象风观测过程示意图。

请参见图1，本发明提供的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，包括如下步骤：

a)获取现有机载设备广播的探测数据，所述探测数据包括时间、经纬度位置、飞行高度层、真空速、航向角、航迹角和地速矢量；所述机载设备为飞机的机载ADS-B(AutomaticDependent Surveillance-Broadcast)、机载北斗设备或机载AIS(AutomaticIdentification System)，以及具有相似功能的其他机载设备；也可以为临时安置在飞机上的便携式ADS-B或北斗设备；

b)根据真空速、航向角、航迹角和地速矢量计算出该机载设备所在位置的风向和风速；

c)汇总不同机载设备的风速和风向数据，分类存储，从而推算出不同机载设备所覆盖空域的气象风活动数据；在汇总不同机载设备的风速和风向数据时，可以先对超出阀值的异常数据进行过滤，接着根据不同时间段和不同高度层对风速和风向数据分类存储，再利用空间插值法根据已获取位置的风矢量推导附近点的风矢量。

本发明利用机载设备广播的探测数据推算出飞机所在位置的瞬时风速和风向，综合大量飞行的风速、风向推算数据，可以绘制出不同高度层的风羽图，以实现大范围、低成本气象风观测的目的。以ADS-B机载设备为例，根据ASTERIXADS-BMessagesCat021协议提供的字段说明，本发明需要用到其中的I021/030时间、I021/130位置(经纬度)、I021/145飞行高度层、I021/151真空速、I021/152航向角、I021/160地速矢量(地速+航迹角)。

真空速、风速、地速之间的矢量关系如图2所示，真空速矢量与风速矢量的矢量和即为地速矢量，ADS-B机载设备能输出真空速矢量、地速矢量，因此可以根据矢量关系求出风速及风向。具体计算公式如下：

设真空速为V_T，风速为V_W，地速为V_D，航向角为α，航迹角为β，风角(风向)为γ，且α、β、γ∈[0°，360°)，其中V_T、V_D、α、β为已知，要求V_W、γ。

可得方程：

求方程可得：

风速V_W、风向γ均已推算出。结合I021/030时间、I021/130位置(经纬度)、I021/145飞行高度层的数据，可以得知在某一时间点，某飞行高度层、某地理坐标位置的风向、风速。

由于气象风观测数据分布的离散性和监测范围的有限性，无法直接得到区域内所有气象风要素的准确数据，当一定区域内的通航飞机数量足够多且各飞机分布在空域不同高度层时，风矢量的观测点也较密集且分散在空域不同位置。由于风活动具有连续性，可根据相近几点的风矢量趋势推算周围风活动，利用这一原理则可推导出某空域的整体风活动。本发明采用空间插值方法对气象风要素进行估计，具体可利用Kriging来推算邻近点的风矢量，计算步骤为：

1)确定带计算的邻近估计点x₀的坐标；

2)根据搜索策略选择满足条件的参照点；

3)根据Kriging计算模型求C(x_i,x_j)和C(x_i,x₀)，Kriging插值属于线性无偏最优估计，根据此特性，采用条件Lagrange乘数法可求得普通Kriging方程组：

其中C(x_i,x_j)为随机变量x_i，x_j的协方差函数，μ为Lagrange系数，代表了Kriging估计误差和任何一个参估的随机变量之间的协方差。

当空间变量满足二阶平稳假设时，随机变量Z(x)和Z(x+h)之间存在协方差函数，且该协方差函数仅依赖于两点之间的差向量，此时有C(x_i,x_j)＝C(x_i-x_j)C(x_i,x_j)＝C(x_i-x_j)，(i,j＝0,1,…n)。

4)建立方程组；

Kλ＝D

其中，

5)解方程组，求权系数λ_i；

6)用求估计点的值，其中n为参照点的个数；

7)重复步骤1)至5)，直到网格节点的值全部求出后输出结果。

为了提高运算效率，本发明采用局部插值法，即对于每一个待估计点，仅搜索周围符合搜索策略的若干点作为参照点，通过求解Kriging方程组计算估计点的物理值。本发明采用特定方位搜索策略，具体过程如下：指以估计点为中心，在360度方向上将水平空间平均划分为若干区域，表示不同的方位，对每个区域内已获取风矢量的位置点进行遍历，取距离估计点最近的位置点作为参照点。该策略的优点在于，对于分布不均的数据，该搜索策略选取的点具有较好的代表性，且一般情况下同样能保证选取点的个数相对平均(除非估计点在边界附近区域，一般对于一个估计点搜索到的参照点等于方位的个数)。本发明优选采用八方搜索策略，即将水平空间平均划分为8个区域进行搜索，如图3所示，图中标注1、2…8数字的顶点即为符合要求的参照点。

燃油费用是航空公司最主要的成本之一，无论民航飞机还是通航飞机，其飞行都要考虑经济效益。飞机的经济速度是指，按直接最低营运成本来确定的、在远航速度与最大平飞速度之间折衷的巡航速度，也可理解为，同条件下最省油的飞行速度。经济速度与很多因素相关，除机械原因和设计原因外，还包括载荷、飞行姿态、自然风速等。由图2可以计算出，地速矢量＝真空速矢量+风矢量，其中真空速矢量可以理解为需要的经济速度，因此可以由风矢量和目标的经济速度确定飞行实际速度。换而言之，按照计算出的地速飞行，可以更接近经济速度飞行，以此方式减少油耗，提供经济效益。

综上所述，本发明提出的利用现有机载设备观测航空气象风的新方法，通过接收、分析空域内多个航空器的机载探测数据，并对数据进行过滤、计算、趋势推算等处理，推导出整个空域的风活动情况，并将数据处理结果应用于航空、气象等部门的相关系统，作为风观测的补充数据。航空用户和其他气象用户可根据本发明推导出的整体风活动信息调整飞行活动，以获得最佳经济效益。具体优点如下：1、成本低。本发明利用的现有的机载设备，技术改型、研发、制造的成本均很低，适合通用航空成本受限的特点。2、设备安装、改装容易。对于没有安装相关设备的飞机，可以直接携带便携式设备即可，市场上这种成型的设备很多，无论ADS-B或是北斗设备都可以轻松安装或者直接便携上机。3、增加了飞行的安全性。能实现范围广、密度高的观测能力，大大提高了对气象风的感知能力，可以提供飞行安全性。4、减少油耗，增加飞行经济效益。对风的感知能力增强可以帮助飞行员调整飞行姿态，保持经济飞行速度，以此降低航油损耗，提高经济效益。

本发明不仅可以用于民航、通航飞行时的风观测，还能应用到船舶的航行，以及汽车的驾驶。在整个交通领域均能应用技术原理提到的方法计算风速、风向，从而帮助驾驶员保持经济速度。本发明虽用ADS-B举例说明，但同样适用于北斗、AIS或者其他可以输出飞机真空速、地速、航向角、航迹角、位置、高度信息的设备和系统。本发明的方法还为气象观测提供新思路，从地面交通系统收集的风数据并入气象系统，可以为全社会的应用需要提供数据支持。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)获取现有机载设备广播的探测数据，所述探测数据可解析出时间、经纬度位置、飞行高度层、真空速、航向角、航迹角和地速矢量；

b)根据真空速、航向角、航迹角和地速矢量计算出该机载设备所在位置的风向和风速；

c)汇总不同机载设备的风速和风向数据，分类存储，从而推算出不同机载设备所覆盖空域的气象风活动数据；

所述步骤c)汇总不同机载设备的风速和风向数据时，先对超出阀值的异常数据进行过滤，接着根据不同时间段和不同高度层对风速和风向数据分类存储，再利用空间插值法根据已获取位置的风矢量推导附近点的风矢量；

所述步骤c)还包括根据同一位置相邻时间段的风矢量的变化趋势预估该位置的未来风速和风向，并推送给气象部门进行预警。

2.如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤a)中机载设备为飞机的机载ADS-B、机载北斗设备或机载AIS。

3.如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤a)中机载设备为临时安置在飞机上的便携式ADS-B或北斗设备。

4.如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤b)中风向和风速的计算过程如下：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>V</mi> <mi>D</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>V</mi> <mi>D</mi> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

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其中，真空速为V_T，风速为V_W，地速为V_D，航向角为α，航迹角为β，风向角为γ，且α、β、γ∈[0°，360°)。

5.如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤c)中根据已获取位置的风矢量推导附近点的风矢量的过程如下：确定待计算的邻近估计点的坐标；选择与所述估计点相邻的已获取风矢量的位置点作为参照点，根据Kriging计算模型求邻近估计点的风矢量。

6.如权利要求5所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述相邻的参照点的选择过程如下：以所述估计点为中心，在360度方向上将水平空间平均划分为若干区域，对每个区域内已获取风矢量的位置点进行遍历，并在每个区域内取一个距离所述估计点最近的位置点作为参照点。

7.如权利要求5所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤c)还包括按照不同高度层绘制出空域的风羽图，进行图形化显示。

8.如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述步骤c)还包括根据真空速矢量和风矢量计算地速矢量，并将计算出的地速矢量作为经济飞行速度推送给航空部门。