CN113483773B - 一种对流天气下的航路使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对流天气下的航路使用方法，包括如下步骤：首先指定航路，其次获取并筛选历史航班数据，之后利用历史当时的气象条件和改航情况生成天气避让场，然后根据当前天气条件计算对流天气的边界，参考场景分类，最后生成航路的使用策略。本发明使得空管人员能够在对流天气条件下有效利用航路，提高航路的飞行安全水平，使得航班尽可能按时飞行，减少空中延误和地面堵塞，降低对流天气下的经济损失。

Description

一种对流天气下的航路使用方法
技术领域
本发明涉及航路规划设计，特别涉及一种对流天气下的航路使用方法。
背景技术
随着最近几年机场的快速建设和航班量的增长，对流天气下航路的使用和通行安全的重要性逐步增加。对流天气条件下航路使用策略的生成，可以提高航路利用效率，在保障航班安全性的同时得到最大的经济效益，实现安全性和经济性之间的最佳平衡。
目前对流天气下航路是否使用，取决于管制员和飞行员的历史经验，多数情况下会关闭航路，致使航班不能按计划飞行，造成大量空中延误和地面延误，造成严重的经济损失。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种对流天下的航路使用策略。
技术方案：本发明提供一种对流天气下的航路使用方法，包括如下步骤：
步骤1：指定航路(或航段)；
步骤2：获取并筛选历史航班数据；
步骤3：根据历史数据的雷达轨迹和飞行计划路径判断是否改航，结合当时的气象情况，构建天气避让场；
步骤4：根据当前的气象条件，对照天气避让场，确定对流天气避让范围；
步骤5：给出避让原则；
进一步地，所述步骤2方法：获取航班历史数据，筛选在航路T范围内飞行的航班历史数据，包括历史雷达轨迹数据、飞行计划数据和气象指标数据，所述历史雷达轨迹数据包括起飞时间、飞行时间、着陆时间、呼号、地面速度、飞行高度、经纬度；所述飞行计划数据包括航班号、起飞时间、着陆时间、起飞机场、着陆机场、飞行计划路径；所述气象指标数据包括CR、ET和VIL。
进一步地，所述步骤3的方法：判断是否改航的依据是计算实际雷达轨迹和飞行计划路径之间的距离，进行航班聚类，寻找聚类中心线，聚类中心线到飞行计划路径的距离即为阈值，以此阈值来判断航班是否改航，针对改航航班，统计气象情况，根据历史轨迹改航的航班数，计算改航概率，改航概率＝改航航班数/在此气象条件下的航班总数，生成以VIL为横轴，横坐标为0-0.05、0.05-0.14、0.14-0.7、0.7-3.5、3.5-6.9、6.9-12、12+，单位为kg/m3；deltaZ为纵轴，纵坐标为-10km到10km，每隔2.5km为一个间隔，每一格代表对应改航概率的天气避让概率。
进一步地，所述步骤4方法：当VIL介于3.5kg/m3和6.9kg/m3，deltaZ介于-7.5km和0时，设改航概率为0.4，由黄色表示；当VIL大于6.9kg/m3，deltaZ介于-10和-7.5km时，改航概率设为0.7，由红色表示，因此规定对流天气避让范围由外及内分别为黄色和红色，分别代表改航概率为0.4-0.7和0.7-1，确定避让对流范围的具体算法是：首先使用Canny边缘检测器检测出天气避让场的边界，然后用DBSCAN算法将边缘像素进行聚类，最后将每一种聚类结果包含在凸包中，形成避让范围，如果两个凸包的距离小于8km，则合并为一个。
进一步地，所述步骤5方法：避让原则由对流天气的位置以及个数决定，令沿飞行计划路径方向最先与黄色天气避让区相交的点为飞入交汇点Ri，另一交汇点为飞出交汇点Ci，选取距离Ri和Ci最近的计划路径上的点分别作为改航起始点Si和改航结束点Ei(i＝1，2，3，......，为飞行计划路径上依次遇到的对流天气区域编号)，当飞行计划路径上只有单个的对流天气时，策略一：若对流天气存在于飞行计划路径中间，则先沿飞行计划路径飞行，然后找到改航点ri，将ri和改航起始点Si以及改航结束点Ei相连，作为改航的航段，以此进行改航，然后继续沿着飞行计划路径飞行；策略二：若该对流天气存在于飞行计划路径起点，则一开始就进行改航，找到改航点ri，并做平行于计划路径的航段qiri，连接ri和改航结束点Ei，然后沿着飞行计划路径继续飞行；策略三：若对流天气存在于飞行计划路径终点，则先沿飞行计划路径飞行，找到改航点ri，连接ri和改航起始点Si，再以ri为起点作平行于飞行计划路径的航段；当飞行计划路径上存在多个对流天气时，策略四：计算前一个飞出交汇点Ci-1和后一个改航起始点Si之间的距离L，若L＜7.4km，则进行连续改航，首先找到每个对流天气所对应的改航点，连接Si和距离最近的改航点，再连接两个改航点；策略五：若L≥7.4km，则进行组合改航，策略六：若改航后的路径总距离≥1.5飞行计划路径总距离，则直接改航到其他航路。
有益效果：本发明通过该对流天气下的航路使用方法，使得空管人员能够在对流天气条件下有效利用航路，保障航路安全合理地使用，充分利用航路资源。能够保证对流天气下的航班飞行安全，提高对流天气条件下航路飞行的安全水平。能够减少空中延误和地面堵塞，使得航班尽可能按时飞行，减少对流天气下的经济损失。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为航路图；
图3为VIL图；
图4为ET图；
图5为天气避让图；
图6为改航点的确定；
图7为单个对流天气无影响；
图8为单个对流天气存在于飞行计划路径中间；
图9为单个对流天气存在于飞行计划路径起点；
图10为单个对流天气存在于飞行计划路径终点；
图11为多个对流天气连续改航；
图12为多个对流天气组合改航。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种对流天气下的航路使用方法，具体步骤如下：
步骤1：获取航路；选定航路T，如图2所示。
步骤2：获取并筛选历史航班数据
获取2018年8月航班历史数据，筛选在航路T范围内飞行的航班历史数据，包括历史雷达轨迹数据、飞行计划数据和气象指标数据。所述历史雷达轨迹数据包括起飞时间、飞行时间、着陆时间、呼号、地面速度、飞行高度、经纬度；所述飞行计划数据包括航班号、起飞时间、着陆时间、起飞机场、着陆机场、飞行计划路径；所述气象指标数据包括CR、ET和VIL。
步骤3：根据历史数据中的航班的雷达轨迹和飞行计划路径判断是否改航，统计改航航班气象情况，计算改航概率，构建天气避让概率表；
判断是否改航的依据是计算实际雷达轨迹和飞行计划路径之间的距离，进行航班聚类，寻找聚类中心线，聚类中心线到飞行计划路径的距离即为阈值，以此阈值来判断航班是否改航。针对改航航班，统计气象情况，根据历史轨迹改航的航班数，计算改航概率，改航概率＝改航航班数/在此气象条件下的航班总数。生成以VIL为横轴，横坐标为0-0.05、0.05-0.14、0.14-0.7、0.7-3.5、3.5-6.9、6.9-12、12+，单位为kg/m3；deltaZ(飞行高度-90％ET高度)为纵轴，纵坐标为-10km到10km，每隔2.5km为一个间隔，每一格代表对应改航概率的天气避让概率。
步骤4：根据当前的气象条件，对照天气避让概率表，确定对流天气避让图；
当VIL介于3.5kg/m3和6.9kg/m3，deltaZ介于-7.5km和0时，由于航班总数据量小，航班改航和未改航的数据量比较接近，具有高度不确定性，因此设改航概率为0.4，由黄色表示；当VIL大于6.9kg/m3，deltaZ介于-10和-7.5km时，改航概率设为0.7，由红色表示。因此规定对流天气避让范围由外及内分别为黄色和红色，分别代表改航概率为0.4-0.7和0.7-1，确定避让对流范围的具体算法是：首先使用Canny边缘检测器检测出天气避让场的边界，然后用DBSCAN算法将边缘像素进行聚类，最后将每一种聚类结果包含在凸包中，形成避让范围。如果两个凸包的距离小于8km，则合并为一个。
步骤5：给出避让原则；
在飞机性能上：转弯半径不能大于90°；航段距离不能小于7.4km。
在改航方法上：首先确定改航起始点和改航结束点，然后根据不同情况实行不同的航路使用策略。
当红色避让区域与黄色避让区域在边界有重合时，可将红色区域继续外扩10km，然后当成黄色区域处理，与原先的黄色区域再一起形成新的避让边界。
具体方法：令沿飞行计划路径方向最先与黄色区域相交的点为飞入交汇点Ri，另一交汇点为飞出交汇点Ci，选取距离Ri和Ci最近的计划路径上的点分别作为改航起始点Si和改航结束点Ei(i＝1，2，3，......，为飞行计划路径上依次遇到的对流天气区域编号)。
定义RiCi的中点Zi，RiCi将避让范围分为两部分，将分属两部分的顶点分别放入集合Pr和Pl中，判断方法为：将各项点带入RiCi直线的一般方程，如果大于0则顶点属于Pr，反之属于Pl。在图1中，Pr＝{P2，P3，P4}，Pl＝{P1，P5，P6}，在Pr与Pl中分别搜索距点Zi最远的点(图1中为P4和P5)，并分别将此距离记为dr、dl，取Rmin＝min(dr，dl)。过Zi，Rmin所在一侧(P5所在一侧)，作垂于RiCi的射线l。以Zi为圆心，Rmin为半径作弧，与射线l的交点ri为所求改航点。如图6所示。
策略一：当航路上只有单个的对流天气时，判断该对流天气是否与飞行计划路径相交。若没有相交，则按飞行计划路径继续飞行，如图7所示；若相交，则考虑对流天气位置，详见策略二、三、四。
策略二：若该单个对流天气存在飞行计划路径中间，先找改航点ri，若ri仍在航路内，则先沿飞行计划路径飞行，然后进行改航，再沿着飞行计划路径飞行，如图8所示；若ri不在航路内，则联系管制员，征询改航后是否回到原航路。若不回，则在其他航路内飞行。
策略三：若该单个对流天气存在于飞行计划路径起点，则一开始就进行改航，找到改航点ri，若ri仍在航路内，则做平行于计划路径的航段qiri，连接Eiri，如图9所示；若ri不在航路内，则联系管制员，征询改航后是否回到原航路。若不回，则在其他航路内飞行。
策略四：若该单个对流天气存在于飞行计划路径终点，先找到改航点ri，若改航点仍在航路内，则先沿飞行计划路径飞行，连接Siri，再以ri为起点作平行于飞行计划路径的航段，如图10所示；若ri不在航路内，则联系管制员，征询改航后是否回到原航路。若不回，则在其他航路内飞行。
策略五：当航路上存在多个对流天气时，计算前一个飞出交汇点Ci-1和后一个改航起始点Si之间的距离L，若L＜7.4km，则进行连续改航。首先找到每个对流天气所对应的改航点，连接Si和距离最近的改航点，再连接两个改航点。若改航点都在航路内，则如图11所示；若存在改航点不在航路内，则联系管制员，征询改航后是否回到原航路。若不回，则在其他航路内飞行。
策略六：当航路上存在多个对流天气时，计算前一个飞出交汇点Ci-1和后一个改航起始点Si之间的距离L，若L≥7.4km，且改航点都在航路内，则进行组合改航，如图12所示。若改航之后的路径总距离≥1.5飞行计划路径的距离，则直接选择其他航路进行改航。若存在改航点不在航路内，则联系管制员，征询改航后是否回到原航路。若不回，则在其他航路内飞行。
注意：改航路径不能进入颜色区域。

Claims (4)

1.一种对流天气下的航路使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：指定航路T；
步骤2：获取并筛选历史航班数据；
步骤3：根据历史数据中的航路上的雷达轨迹和飞行计划路径判断是否改航，结合当时的气象情况，构建天气避让场；
步骤4：根据当前的气象条件，对照天气避让场，确定对流天气避让范围；
步骤5：给出避让原则，避让原则由对流天气的位置以及个数决定，令沿飞行计划路径方向最先与黄色天气避让区相交的点为飞入交汇点Ri，另一交汇点为飞出交汇点Ci，选取距离Ri和Ci最近的计划路径上的点分别作为改航起始点Si和改航结束点Ei,i＝1,2,3,……，为飞行计划路径上依次遇到的对流天气区域编号，当飞行计划路径上只有单个的对流天气时，策略一：若对流天气存在于飞行计划路径中间，则先沿飞行计划路径飞行，然后找到改航点ri，将ri和改航起始点Si以及改航结束点Ei相连，作为改航的航段，以此进行改航，然后继续沿着飞行计划路径飞行；策略二：若该对流天气存在于飞行计划路径起点，则一开始就进行改航，找到改航点ri，并做平行于计划路径的航段qiri，连接ri和改航结束点Ei，然后沿着飞行计划路径继续飞行；策略三：若对流天气存在于飞行计划路径终点，则先沿飞行计划路径飞行，找到改航点ri，连接ri和改航起始点Si，再以ri为起点作平行于飞行计划路径的航段；当飞行计划路径上存在多个对流天气时，策略四：计算前一个飞出交汇点Ci-1和后一个改航起始点Si之间的距离L，若L＜7.4km，则进行连续改航，首先找到每个对流天气所对应的改航点，连接Si和距离最近的改航点，再连接两个改航点；策略五：若L≥7.4km，则进行组合改航，策略六：若改航后的路径总距离≥1.5飞行计划路径总距离，则直接改航到其他航路。
2.根据权利要求1所述的对流天气下的航路使用方法，其特征在于：所述步骤2方法：获取航班历史数据，筛选在航路T范围内飞行的航班历史数据，包括历史雷达轨迹数据、飞行计划数据和气象指标数据，所述历史雷达轨迹数据包括起飞时间、飞行时间、着陆时间、呼号、地面速度、飞行高度、经纬度；所述飞行计划数据包括航班号、起飞时间、着陆时间、起飞机场、着陆机场、飞行计划路径；所述气象指标数据包括CR、ET和VIL。
3.根据权利要求2所述的对流天气下的航路使用方法，其特征在于：所述步骤3的方法：判断是否改航的依据是计算实际雷达轨迹和飞行计划路径之间的距离，进行航班聚类，寻找聚类中心线，聚类中心线到飞行计划路径的距离即为阈值，以此阈值来判断航班是否改航，针对改航航班，统计气象情况，根据历史轨迹改航的航班数，计算改航概率，改航概率＝改航航班数/在此气象条件下的航班总数，生成以VIL为横轴，横坐标为0-0.05、0.05-0.14、0.14-0.7、0.7-3.5、3.5-6.9、6.9-12、12+，单位为kg/m3；deltaZ为纵轴，纵坐标为-10km到10km，每隔2.5km为一个间隔，每一格代表对应改航概率的天气避让概率。
4.根据权利要求3所述的对流天气下的航路使用方法，其特征在于：所述步骤4方法：当VIL介于3.5kg/m3和6.9kg/m3，deltaZ介于-7.5km和0时，设改航概率为0.4，由黄色表示；当VIL大于6.9kg/m3，deltaZ介于-10和-7.5km时，改航概率设为0.7，由红色表示，因此规定对流天气避让范围由外及内分别为黄色和红色，分别代表改航概率为0.4-0.7和0.7-1，确定避让对流范围的具体算法是：首先使用Canny边缘检测器检测出天气避让场的边界，然后用DBSCAN算法将边缘像素进行聚类，最后将每一种聚类结果包含在凸包中，形成避让范围，如果两个凸包的距离小于8km，则合并为一个。
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