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电子论文:航管雷达与天气雷达融合显示系统设计

来源:未知 2020-11-30 12:25

摘要:

  近年来天气因素对机场运行的影响越来越大,大量的航班延误也是由于机场天气的影响所造成,极端天气危害航空安全的事例也时有发生,天气对空中飞行的影响正日渐增大,高飞行密

  电子论文:航管雷达与天气雷达融合显示系统设计

  1.引言

  近年来天气因素对机场运行的影响越来越大,大量的航班延误也是由于机场天气的影响所造成,极端天气危害航空安全的事例也时有发生,天气对空中飞行的影响正日渐增大,高飞行密度与瞬息万变的空域气候形成的鲜明的对立,对本场、航路上的天气情况进行监视显得越来越重要,天气雷达等探测设备在空中交通管制中的应用也已到了不可或缺的地位。

  为了准确、快速地探测实时的天气情况,天气探测手段也在不断丰富,探测设备的数量、种类不断增加。管制员、气象预报员在掌握天气信息的能力上不断增强,但由于这些探测系统分属不同的显示系统,对人员的能力、精力也带来了挑战,工作强度反而增加了。

  传统上天气雷达、卫星云图等天气探测设备与航管雷达分属不同显示系统,各系统之间存在显示的中心点不同,比例尺不一致,投影方式不同等差异,哪怕是同一类型的设备由于分属不同厂家,其表示方式也不一样,为此带来诸多问题。管制员往往要根据航管雷达显示屏上所管制飞机的所在位置来回查找天气雷达、卫星云图等显示屏上的相应位置,从而知道当前飞机所处空域的天气情况,这不仅查找时间长,而且还存在找错位置的可能。

  2.系统设计

  将各型天气雷达、卫星云图等设备的探测结果及数值预报产品等预报结果与航管雷达等航管信息综合融合显示在同一屏幕上,能够为管制员直观、快速、准确地获取各种危险天气与所管制飞机、管制区域的相对位置提供高效手段,掌握天气趋势,提供决策支持,有效合理的安排飞行路径,减少飞机绕飞、返航、备降、延误的目的,保障了飞行畅通,增加了飞行流量,减少了产生潜在冲突的可能,一定程度上减小了管制员的工作强度,减轻了管制员的工作压力。另外,系统同时提供给气象预报员使用,丰富预报员对空中飞行情况的感知,提供的预报服务及预警将更加具有针对性,信息传递也将更加及时、有效。同时,系统为预报员和管制人员提供了共同的平台,为管制员和气象预报员提供了一个信息交流和辅助决策工具,解决了以前预报员只有面对天气雷达显示终端无法实现在和管制人员沟通时进行精确定位的问题,实现预报员与管制员之间的有效沟通,从而提高管制和气象工作效率。

  由于系统用户分布比较分散,塔台管制室、进近管制室、区域管制室、气象预报室等,因此系统的设计基于局域网来完成。系统设计以高可靠性、高安全性、高性能、良好的可扩展性和可管理性为原则,考虑到技术的成熟性、先进性,并利用现有网络建设进行扩展。

  考虑到信息处理种类比较多,信息数据的采集和处理需要占用较多的系统资源,系统采用客户端/服务器(C/S)模式。服务器端对气象信息及航管信息进行预处理,将不同来源的数据统一格式,再传送到客户端进行融合显示处理。信息数据的采集和预处理在服务器中完成,再通过网络分发到各客户端,这种结构也有利于系统的扩展。图1为系统硬件结构。

图1 系统硬件结构

  如图1所示,系统总体采用网络星型拓扑结构。系统通过接口转换单元将不同接口类型的信号转换后输入到融合处理服务器进行格式转换处理,目前处理的外部数据源的接口类型主要包括:高速同步串口通信、异步串口通信及网络UDP、FTP传输方式。系统可根据实际的引接的信号种类及数量进行接口扩展。一般地,系统无信号接口数目的限制。

  3.软件功能模块设计

  3.1信号转换模块

  信号转换模块将信号接口转换单元输出的不同厂家、不同协议的数据进行数据解码,转换成系统统一的格式,并进行统一坐标、统一比例尺转换,以便数据在后续的融合处理是在统一坐标系、同一比例尺、同一投影方式下进行,起到数据预处理的作用。

  3.2多航管信号及AFTN融合模块

  当系统引接一二次雷达、ADS-B、MLAT、场面监视雷达等的多部航管信息传感器时,必须对各传感器获得的多航管信号进行融合处理。由于一二次雷达没有飞机的航班号信息,因此还需要与AFTN进行实时相关,获得航班的航班号、飞机类型、计划航路、起飞机场、目的机场等信息。系统采用卡尔曼滤波及网格算法,对航管目标信息进行融合处理。

  3.3多天气雷达拼图模块

  系统根据民航运行的工作特点,采用特殊的天气雷达拼图算法,将多部天气雷达进行拼图处理,得到区域天气情况,更好地为区域管制服务。考虑不同天气雷达的性能和波段,可以自主选择哪几部天气雷达进行拼图,不同的管制扇区可以使用不同的天气雷达进行拼图。

  3.4天气雷达MAX产品生成模块

  MAX图融合航迹显示是深受管制员用户好评的一个实用功能。MAX图能够直观展示天气雷达回波在空间、高度分布情况的产品。遗憾的是,目前很多国产雷达并没有MAX产品,只有PPI产品,但是本系统能够利用某时段内的体扫基数据,生成MAX产品,并融合进系统显示,这在国内还是首创。

  MAX图中,俯视图可以看到是平面最强回波投影,右侧面是回波从西侧往东侧投影效果,上侧面是回波从南往北投影效果,两个侧面投影可以看出回波的高度分布。在回波俯视图取一点做十字线,读取十字线对应两侧面投影,就可以大致得到该点回波的实际垂直高度,获取回波的空间情况。在两个侧面投影回波图中用不同的颜色底色间隔表示回波的高度,可以快速获取回波某点的高度信息及其回波强度。

  3.5卫星云图数据处理模块

  气象卫星云图作为重要的中尺度天气信息来源之一,在灾害性天气的监测和预报中发挥着越来越重要的作用。本模块通过处理Himawari8、FY2D/E/F/G等气象卫星云图数据资料,实现与航管信息的融合显示。系统可以根据管制区域的不同,调整处理的区域大小及范围,提高云图显示的空间分辨率。采用相同的投影方程、参数等,确保卫星云图与航迹信息在空间位置上的高度一致性。

  3.6闪电定位数据处理模块

  目前,闪电定位数据主要从地方气象局获取最新的闪电发生的资料文件,资料给出的信息包括闪电发生的时间、经纬度、是正闪还是副闪、闪电的强度等信息。模块将这些信息处理后,转换成系统的数据表示方式,与其他信息一起进行融合,输送给客户端以直观的方式表示。客户端以图标表示方式给出闪电产生的位置,以图标的颜色来区别是正闪还是副闪以及闪电的强度,并可以根据对特定时间段内产生的闪电进行动画显示,以判断闪电产生的趋势,了解天气的发展方向。

  3.7气象数值预报数据处理模块

  模块处理来自于各机场的数值预报系统输出的数据,将数据进行格式转换,提取主要气象要素,输出提供给客户端进行显示。如风场,温度场等,提供直观的风向风速和温度等分布情况。

  3.8气象自动观测数据处理模块

  模块处理来自于各机场的气象自动观测系统输出的实时标准数据,将数据进行格式转换,提取主要气象要素,输出提供给客户端进行显示。气象自动观测数据的接入并以直观、简洁的方式提供给管制员,让管制员更好地掌握临近机场、目的机场的天气实况提供了更好的服务手段。客户端将按照预先设定的机场或者点击当前航班,直接获取航班目的地机场、备降机场、临近机场的实时天气情况。

  3.9飞机报告数据处理模块

  飞机报告数据是来自于安装在飞机上的设备,通过地空数据链,将设备在空中探测感知到的空中天气情况,包括飞机所处位置的风向、风速、飞机颠簸等数据实时传送到地面。这些数据可以让预报员实时获取到高空的天气实际状况,也可以为管制员对后续飞经该区域的飞机给出提示。

  4.结语

  系统的设计是根据对多个机场用户的需求进行的调研分析以及多年多地的实际运行经验形成的,也还会继续根据现场运行的需要,对系统进一步完善。目前系统已经在民航各空管部门陆续安装使用,收到了很好的效果。

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