CN117153000B - 一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机场航线管理技术领域，具体公开了一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法及系统，所述系统包括：进离场航线保护区模块，用以获取机场的进离场航线保护区；飞行时段模块，用以获取机场最新的飞行时段信息；进离场区域模块，用于确定机场航线进离场区域；雷达数据模块，用以根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；进离场航线雷达反射率模块，用以将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；雷雨风险等级模块，用以根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据。

Description

一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法及系统

技术领域

本发明涉及机场航线管理技术领域，具体为一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法及系统。

背景技术

随着民航运输业的持续快速发展以及航班量和航线的迅猛增加，航空运输安全风险形势日趋严峻，而危险天气对航空运输安全和效益的影响，尤其是运行高峰时段的危险天气，不仅会严重影响航班运行效率，也潜伏了重大安全风险；其中，导致航班不正常率的因素中，天气因素一直高居首位，而夏季雷雨天气占比可达70%以上,曾出现多起因雷雨引发的不安全事件。

目前雷雨对航班运行的影响分析均基于二维雷达数据，即设置固定的雷达反射率强度阈值，当机场附近雷达强度超过该阈值时进行告警；该方法将机场作为一个整体运行范围来进行评估管理，如机场周边仅一个方向（如机场西侧）有雷雨，也将视为机场不可运行。

现有的进离场航线的分析方法中，由于二维雷达数据精度较粗，因此雷电影响因素对于进离场航线运行的约束性较强，使得航班运行效率较低，因此，如何在充分保障运行安全的前提下，提升机场运行效率和经济效益是本发明要解决的根本问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法及系统，解决以下技术问题：

如何基于三维雷达数据实现更为准确的雷电气候对进离场航线影响的判断，以提升机场运行效率和经济效益。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，所述系统包括：

进离场航线保护区模块，用以获取机场的进离场航线保护区；

飞行时段模块，用以获取机场最新的飞行时段信息；

进离场区域模块，用于确定机场航线进离场区域；

雷达数据模块，用以根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；所述预设三维空间为以进离场区域的范围为横截面并按预设高度进行拉伸的三维结构；

进离场航线雷达反射率模块，用以将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；

雷雨风险等级模块，用以根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据；

结果显示模块，用以根据进离场航线风险等级数据绘制雷雨影响进离场航线风险分布状态图。

进一步地，所述全航线各段雷达反射率获取的包括：

基于飞行时段信息获取未来预设时段内是否有航班起降：

若有航班起降，则对预设三维空间内进行立方格划分，对立方格内的基本反射率进行判断：

若所有立方格内的基本反射率均小于10dBz，则判断当前无雷雨影响进离场航线；

否则，提取所有立方格内的基本反射率作为全航线各段雷达反射率。

进一步地，所述进离场航线雷达反射率模块的工作过程包括：

将全航线各段雷达反射率与进离场航线保护区进行三维空间相交计算，判断立方格在保护区的体积占比是否≥80%：

若为是，则获取该立方格对应的进离场保护区雷达反射率；

若为否，则舍去该立方格；

依次判断进离场航线与经纬线交角的大小：

若航线投影与纬线交角＜45°时，则按航线平面投影的纬线，获取每1km纬线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值，将该雷达反射率最大值作为该公里纬线对应航线的雷达基本反射率；

若航线投影与纬线交角≥45°时，则按航线平面投影的经线，获取每1km经线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值，将该雷达反射率最大值作为该公里经线对应航线的雷达基本反射率。

进一步地，所述雷雨风险等级模块工作的过程包括：

基于历史雷达数据及对应运行风险等级确定风险对应模型；

获取最新的进离场航线的雷达基本反射率，并输入至风险对应模型中，获得最新雷雨影响进离场航线风险等级。

进一步地，所述风险对应模型建立的过程包括：

基于对航线运行的影响程度划分四个等级，包括无影响、轻度、中度和重度；

分别获取历史数据中每个等级下对应进离场区域范围雷达反射率数值平均值的最小值，将其分别作为每个等级运行风险对应的雷达反射率阈值；

根据每个等级运行风险对应的雷达反射率阈值形成风险对应模型；

所述风险对应模型工作的过程包括：

根据最新的进离场航线的雷达基本反射率所在的雷达反射率阈值区间确定其风险等级。

进一步地，所述风险对应模型还用于根据最新的进离场航线雷达基本反射率进行潜在风险分析，所述潜在风险分析的过程包括：

在轻度、中度和重度等级下，根据所有提取的立方格对应进离场保护区雷达反射率进行整体分析，根据整体分析结果判断当前风险等级下的潜在风险状态。

进一步地，所述整体分析的过程包括：

提取所有大于10dBz的立方格，计算超出10dBz的部分；

对所有大于10dBz立方格按照对应的反射率从大到小进行排序，获取前三分之一相邻次序立方格的欧拉距离进行累加，将累加结果与累加数量对应阈值进行比对，获得集中性系数；

根据集中性系数与超出10dBz的部分确定风险系数，将风险系数与预设阈值区间进行比对，根据风险系数所在预设阈值区间确定其对应的潜在风险等级。

进一步地，所述结果显示模块工作的过程包括：

获取雷雨影响进离场航线风险等级及潜在风险等级数据；

以跑道原点，距离为横坐标、高度为纵坐标、不同颜色代表不同等级风险，绘制雷雨影响进离场航线风险分布。

一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法，所述方法包括：

步骤一、通过进离场航线保护区模块获取机场的进离场航线保护区；

步骤二、通过飞行时段模块获取机场最新的飞行时段信息，若有航班起降，则通过雷达数据模块根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；

步骤三、通过进离场航线雷达反射率模块将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；通过雷雨风险等级模块根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据，通过结果显示模块根据进离场航线风险等级数据绘制雷雨影响进离场航线风险分布状态图。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过进离场航线保护区模块、飞行时段模块、进离场区域模块、雷达数据模块，明确雷雨对运行影响的时间和计算所需雷达数据；通过进离场航线雷达反射率模块、雷雨风险等级模块、结果显示模块，确定雷达基本反射率与雷雨风险等级的对应关系，建立雷雨对运行影响的风险指标体系，获取雷雨对运行影响的精细化结论，能够显著提升了气象服务的质量和效率，尤其是雷雨天气的气象服务能力，为各航司在高效运行、真情服务旅客等方面提供了技术手段。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明进离场航线影响分析系统的逻辑框图；

图2是本发明进离场航线影响分析方法的过程流程图；

图3是本发明进离场航线保护区模块的工作流程图；

图4是本发明飞行时段模块的工作流程图；

图5是本发明进离场区域模块的工作流程图；

图6是本发明雷达数据模块的工作流程图；

图7是本发明进离场航线雷达反射率模块的详细工作流程图；

图8是本发明雷雨风险等级模块的工作流程图；

图9是本发明结果显示模块的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，在一个实施例中，提供了一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，该系统包括进离场航线保护区模块、飞行时段模块、进离场区域模块、雷达数据模块、进离场航线雷达反射率模块、雷雨风险等级模块及结果显示模块。

其中，进离场航线保护区模块用于确定进离场阶段的飞行区域，依据飞行性能参数将进离场航线各方向设置一定的保护距离，具体的保护范围根据经验数据来用户自定义，从而计算得到一个确保所有飞机在该区域内飞行的进离场航线保护区。

飞行时段模块用于获取机场有航班起降的时段，在此基础上计算雷雨对运行影响的时段，每6分钟获取未来45分钟航班运行数据，解析并提取航班起降时间，在起降时间前后加上一定余度范围，此余度范围根据经验数据自定义，再判断未来30分钟是否有航班起降，并分别进行标记为“有”或“无”，从而得到最新机场的飞行时段。

进离场区域模块用于确定机场进离场航线投影到地面的影响区域；根据机场所有进离场航线中航路点的经纬度信息，确定机场进离场区域，该区域用于获取机场分析所需的雷达数据。

雷达数据模块用于获取机场分析所需的雷达数据，判断未来30分钟内是否有航班起降？若未来30分钟内有航班起降，提取最新三维雷达数据，解析并提取进离场区域范围内、高度6000米的三维空间内的雷达基本反射率，若提取的数据中所有立方格的基本反射率都小于10dBz，舍去该数据并提示：当前无雷雨影响进离场航线，否则，将提取的数据保存至数据库；若未来30分钟内无航班起降，无需提取雷达数据，提示：30分钟内无航班起降。

进离场航线雷达反射率模块用于计算进离场航线的雷达基本反射率；首先，将符合条件的最新雷达经纬网格与进离场航线保护区进行三维空间相交计算，若一个立方格80%以上体积都不在进离场航线保护区，舍弃该立方格，从而得到该时刻进离场保护区范围的雷达基本反射率数据；然后按航线平面投影的经线或纬线（当航线投影与纬线交角小于45°时，按经线；当航线投影与经线交角小于等45°时，按纬线），依次将每1公里（雷达数据分辨率为1km）经线或纬线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值，作为该公里经线或纬线对应航线的雷达基本反射率，进而得到进离场航线的全线各段的雷达回波反射率，将数据保存至数据库中。

雷雨风险等级模块用于计算雷雨对运行影响的风险等级；首先，基于对运行的影响程度：无影响、影响航班占比＜30%为轻度风险等级、30%≤影响航班占比＜60%为中度风险等级、影响航班占比≥60%为重度风险等级，将雷雨对运行的影响分为4个风险等级：无影响、轻度、中度和重度；然后，基于历史雷达反射率与运行数据，类统计进离场范围内，4个等级运行风险发生时，对应进离场区域范围雷达反射率数值平均值（平均值取整，个位数取5的倍数）的最小值，该值即为每个等级运行风险对应的雷达反射率阈值，找出雷达反射率与雷雨对运行影响风险等级的对应关系；最后，基于该对应关系，将飞行时段进离场航线上的雷达反射率处理为风险等级，得到飞行时段雷雨对进离场航线影响的风险等级，并将数据保存至数据库。

结果显示模块用于呈现雷雨对进离场航线的影响情况，以跑道为原点，距离为横坐标，高度为纵坐标，不同颜色代表不同等级的雷雨影响风险，绘制飞行时段雷雨影响进离场航线的风险分布。

作为本发明的一种实施方式，在判断出雷雨对运行影响风险等级的基础上，本实施例进一步在轻度、中度和重度等级下，根据所有提取的立方格对应进离场保护区雷达反射率进行整体分析，根据整体分析结果判断当前风险等级下的潜在风险状态，具体地，提取所有大于10dBz的立方格，计算超出10dBz的部分；

对所有大于10dBz立方格按照对应的反射率从大到小进行排序，获取前三分之一相邻次序立方格的欧拉距离进行累加，将累加结果与累加数量对应阈值进行比对，获得集中性系数；根据集中性系数与超出10dBz的部分确定风险系数，将风险系数与预设阈值区间进行比对，根据风险系数所在预设阈值区间确定其对应的潜在风险等级；上述过程通过公式（1）-（2）进行实现：

，计算获得风险系数R；将R与预设阈值区间进行比对，根据风险系数R所在预设阈值区间确定其对应的潜在风险等级；

其中，为集中性系数，m为所有大于10dBz立方格的数量，i=1、2、…、m；n=1/3[m]，[]为取整符号，j=1、2、…、n，且按/>从大到小的次序排列；/>为第i个立方格对应的反射率，dBz；/>表示第j名到第j+1名立方格中心点的欧拉距离；dt()表示距离参照表函数，其根据历史雷电分布状态的经验数据拟合获得。

请参阅图2所示，在一个实施例中，提供了一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法，该方法包括：

步骤一、通过进离场航线保护区模块获取机场的进离场航线保护区；

步骤二、通过飞行时段模块获取机场最新的飞行时段信息，若有航班起降，则通过雷达数据模块根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；

步骤三、通过进离场航线雷达反射率模块将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；通过雷雨风险等级模块根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据，通过结果显示模块根据进离场航线风险等级数据绘制雷雨影响进离场航线风险分布状态图。

其中，请参阅图3所示，进离场航线保护区模块的工作流程为：

步骤a1:获取机场运行的飞机的性能数据。转下步；

步骤a2：获取飞行时偏离进离场航线的距离，提取最大偏离值。转下步；

步骤a3：基于提取的最大偏离值，将进离场航线各方向设置保护距离。转下步；

步骤a4：获取机场各进离场航线保护区，保存至数据库。

请参阅图4所示，飞行时段模块的工作流程为：

步骤b1:每6分钟获取机场未来45分钟运行数据。转下步；

步骤b2:解析机场运行数据中各有效字段。转下步；

步骤b3:提取航班的起降时段。转下步；

步骤b4:在提取的机场航班起降时段上加上一定时间余度（支持用户自定义）。转下步；

步骤b5:判断未来30分钟内是否有航班起降，若是，则执行步骤b6；否则转至步骤b7，保存飞行时段数据

步骤b6:未来30分钟有航班起降，飞行时段标记为“是”；

步骤b7：未来30分钟无航班起降，飞行时段标记为“无”。

请参阅图5所示，进离场区域模块的工作流程为：

步骤c1:获取机场所有进离场航线。转下步；

步骤c2:解析进离场航线数据中各字段。转下步；

步骤c3：提取所有航路点的经纬度信息。转下步；

步骤c4:找出经度、纬度的最大值、最小值。转下步；

步骤c5:基于经度、纬度的最大值、最小值，确定进离场航线投影到地面的最大区域，该区域为进离场区域。

请参阅图6所示，雷达数据模块的工作流程为：

步骤d1:判断未来30分钟是否有航班起降，若是，则执行步骤d2，否则转至步骤d3。

步骤d2:获取最新的三维雷达数据。

步骤d3:无需获取雷达数据计算，提示：30分钟内无航班起降，结束工作。

步骤d4：解析雷达数据。转下步；

步骤d5：提取进离场区域范围、高度6km的雷达反射率。转下步；

步骤d6：判断提取的雷达反射率数据是否有效，若提取区域所有立方格雷达反射率≤10dBz，则执行步骤d7，否则转至步骤d8.

步骤d7：舍去该数据，提示：当前无雷雨影响进离场航线，结束工作。

步骤d8：将提取的雷达反射率数据保存至数据库。

请参阅图7所示，进离场航线雷达反射率模块的工作流程为：

步骤e1:获取提取的最新雷达反射率数据。转下步；

步骤e2:获取进离场保护区。转下步；

步骤e3：e1和e2数据进行三维空间相交计算。转下步；

步骤e4:判断是否数据进离场保护区反射率数据，执行循环判断，若立方格≥80%体积都在保护区，则执行步骤e5；否则转至步骤e6；

步骤e5:获取进离场保护区雷达反射率。转下步；

步骤e6：舍去该立方格。转下步；

步骤e7：依次判断进离场航线与经纬线交角，若航线投影与纬线交角＜45°时，则执行步骤e8：否则转至步骤e9；

步骤e8：按航线平面投影的经线，获取每1km经线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值。转至步骤e10；

步骤e9：按航线平面投影的纬线，获取每1km纬线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值。转至步骤e11；

步骤e10：将该雷达反射率最大值作为该公里经线对应航线的雷达基本反射率。转至步骤e12；

步骤e11：将该雷达反射率最大值作为该公里纬线对应航线的雷达基本反射率。转下步；

步骤e12：获取全航线各段雷达反射率。

请参阅图8所示，雷雨风险等级模块的工作流程为：

步骤f1:将雷雨对运行的影响分为四个等级：无影响、轻度、中度和重度。同步执行：f2、f3；

步骤f2:提取历史雷达反射率数据，同步执行：f1、f3；

步骤f3:提取和雷达数据对应时间段的运行数据。转下步；

步骤f4:基于f1、f2、f3，进行数据统计分析。转下步；

步骤f5:基于f4统计分析结果，获取雷达反射率与运行风险等级的对应关系。同步执行：f6；

步骤f6:获取最新进离场航线的雷达反射率。转下步；

步骤f7:基于f5、f6，获取最新雷雨影响进离场航线风险等级。

请参阅图9所示，结果显示模块的工作流程：

步骤g1：获取雷雨影响进离场航线风险等级数据。转下步；

步骤g2：以跑道原点，距离为横坐标、高度为纵坐标、不同颜色代表不同等级风险，绘制雷雨影响进离场航线风险分布。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述系统包括：

进离场航线保护区模块，用以获取机场的进离场航线保护区；

飞行时段模块，用以获取机场最新的飞行时段信息；

进离场区域模块，用于确定机场航线进离场区域；

雷达数据模块，用以根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；所述预设三维空间为以进离场区域的范围为横截面并按预设高度进行拉伸的三维结构；

进离场航线雷达反射率模块，用以将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；

雷雨风险等级模块，用以根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据；

结果显示模块，用以根据进离场航线风险等级数据绘制雷雨影响进离场航线风险分布状态图；

所述全航线各段雷达反射率获取的包括：

基于飞行时段信息获取未来预设时段内是否有航班起降：

若有航班起降，则对预设三维空间内进行立方格划分，对立方格内的基本反射率进行判断：

若所有立方格内的基本反射率均小于10dBz，则判断当前无雷雨影响进离场航线；

否则，提取所有立方格内的基本反射率作为全航线各段雷达反射率；

所述进离场航线雷达反射率模块的工作过程包括：

将全航线各段雷达反射率与进离场航线保护区进行三维空间相交计算，判断立方格在保护区的体积占比是否≥80%：

若为是，则获取该立方格对应的进离场保护区雷达反射率；

若为否，则舍去该立方格；

依次判断进离场航线与经纬线交角的大小：

若航线投影与纬线交角＜45°时，则按航线平面投影的纬线，获取每1km纬线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值，将该雷达反射率最大值作为该公里纬线对应航线的雷达基本反射率；

若航线投影与纬线交角≥45°时，则按航线平面投影的经线，获取每1km经线长度的立体保护区内所有雷达基本反射率最大值，将该雷达反射率最大值作为该公里经线对应航线的雷达基本反射率。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述雷雨风险等级模块工作的过程包括：

基于历史雷达数据及对应运行风险等级确定风险对应模型；

获取最新的进离场航线的雷达基本反射率，并输入至风险对应模型中，获得最新雷雨影响进离场航线风险等级。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述风险对应模型建立的过程包括：

基于对航线运行的影响程度划分四个等级，包括无影响、轻度、中度和重度；

分别获取历史数据中每个等级下对应进离场区域范围雷达反射率数值平均值的最小值，将其分别作为每个等级运行风险对应的雷达反射率阈值；

根据每个等级运行风险对应的雷达反射率阈值形成风险对应模型；

所述风险对应模型工作的过程包括：

根据最新的进离场航线的雷达基本反射率所在的雷达反射率阈值区间确定其风险等级。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述风险对应模型还用于根据最新的进离场航线雷达基本反射率进行潜在风险分析，所述潜在风险分析的过程包括：

在轻度、中度和重度等级下，根据所有提取的立方格对应进离场保护区雷达反射率进行整体分析，根据整体分析结果判断当前风险等级下的潜在风险状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述整体分析的过程包括：

提取所有大于10dBz的立方格，计算超出10dBz的部分；

对所有大于10dBz立方格按照对应的反射率从大到小进行排序，获取前三分之一相邻次序立方格的欧拉距离进行累加，将累加结果与累加数量对应阈值进行比对，获得集中性系数；

根据集中性系数与超出10dBz的部分确定风险系数，将风险系数与预设阈值区间进行比对，根据风险系数所在预设阈值区间确定其对应的潜在风险等级。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析系统，其特征在于，所述结果显示模块工作的过程包括：

获取雷雨影响进离场航线风险等级及潜在风险等级数据；

以跑道原点，距离为横坐标、高度为纵坐标、不同颜色代表不同等级风险，绘制雷雨影响进离场航线风险分布。

7.一种基于三维雷达数据的进离场航线影响分析方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的系统，包括：

步骤一、通过进离场航线保护区模块获取机场的进离场航线保护区；

步骤二、通过飞行时段模块获取机场最新的飞行时段信息，若有航班起降，则通过雷达数据模块根据飞行时段信息获取最新的三维雷达数据，对三维雷达数据进行解析获得预设三维空间内的雷达反射率数据；

步骤三、通过进离场航线雷达反射率模块将雷达反射率数据与进离场航线保护区进行结合运算，获得全航线各段雷达反射率；通过雷雨风险等级模块根据全航线各段雷达反射率获取雷雨影响进离场航线风险等级数据，通过结果显示模块根据进离场航线风险等级数据绘制雷雨影响进离场航线风险分布状态图。