一種空域風場探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種空域風場探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：利用多架航空器、風場重構(gòu)設(shè)備和機載顯示設(shè)備，其中：任意一架航空器接收空域中該航空器周圍其他航空器發(fā)出的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文；風場重構(gòu)設(shè)備與所述每架航空器連接，將廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文和機載傳感器信息實時重建出空域中的風場信息；機載顯示設(shè)備與風場重構(gòu)設(shè)備連接，顯示空域中的風場信息。本實用新型直接利用了廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能收集并重構(gòu)空域內(nèi)實時的風場信息，而非通過地基低空風切變探測設(shè)備探測和推算空域的風場情況，從而提高了空域風場探測技術(shù)的實時性和可靠性，并降低了地基探測設(shè)備的開發(fā)和運營成本。
【專利說明】
一種空域風場探測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于航空氣象、導航監(jiān)視、航空數(shù)據(jù)鏈、微電子、計算機技術(shù)領(lǐng)域，尤其 是涉及風場探測與重構(gòu)、空-空數(shù)據(jù)通信、空-地數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的一種空域風場探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空器運行空域中的風場是影響航空活動的重要氣象條件。風場變化所產(chǎn)生的風 切變，會對航空器的正常運行產(chǎn)生影響，尤其是低空風切變具有變化快、范圍小、強度大等 特點，是公認的航空器起降階段最嚴重的氣象危害，嚴重危害航空活動安全，是一個不易解 決的航空氣象難題。機載風切變探測系統(tǒng)還存在許多不足，且存在成本與航空器設(shè)備加改 裝問題，而地基低空風切變探測預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)異的探測能力，使其在低空風切變探測中的作 用越來越重要。雖然低空風切變地基探測設(shè)備有多種，但基本的探測原理是一致的，即通過 對風場進行探測，然后采用各種算法進行風場重構(gòu)，最后進行風切變判斷或風切變預(yù)警。因 此，空域風場的探測和重構(gòu)是進行風切變判斷與預(yù)警的前提。
[0003] 現(xiàn)有低空風切變地基探測設(shè)備中，均存在一定局限性。低空風切變預(yù)警系統(tǒng)(Low Level Wind Shear Alert System,LLWAS)只能探測地表附近的水平風切變，探測高度有限 且受限于風速計的數(shù)量和安裝位置;終端區(qū)多普勒氣象雷達(Terminal Doppler Weather Radar，TDWR)安裝位置要求高，雷達選址常因各種原因受到限制，致使雷達不能直接應(yīng)用于 跑道范圍，給應(yīng)用帶來了困難;風廓線雷達只能探測雷達所在點上空的風向風速，作用區(qū)域 有限，必須將多部風廓線雷達進行聯(lián)網(wǎng)才能得到整個機場上空區(qū)域的垂直風場分布。
[0004] 現(xiàn)有基于廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能探測風速的文獻中，只是單純地計算風速和 風向本身，并未將計算結(jié)果推廣應(yīng)用到其他行業(yè)領(lǐng)域。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的是針對現(xiàn)有低空風切變地基探測設(shè)備存在的一定局限性，以及 已有利用廣播式自相關(guān)監(jiān)視的接收功能僅僅計算風速的單一性，提供一種基于廣播式自相 關(guān)監(jiān)視接收功能的空域風場探測系統(tǒng)。
[0006] 為達成所述目的，本實用新型提供一種空域風場探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:利用多架 航空器、風場重構(gòu)設(shè)備和機載顯示設(shè)備，其中：任意一架航空器接收空域中該航空器周圍其 他航空器發(fā)出的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文;風場重構(gòu)設(shè)備與所述每架航空器連接，將廣播式 自相關(guān)監(jiān)視報文和機載傳感器信息實時重建出空域中的風場信息;機載顯示設(shè)備與風場重 構(gòu)設(shè)備連接，顯示空域中的風場信息。
[0007] 本實用新型的有益效果:本實用新型公開了一種利用航空器的廣播式自相關(guān)監(jiān)視 接收功能，接收空域中該航空器周圍其他航空器發(fā)送的報文信息，重構(gòu)空域風場的方法。該 方法基于目前民用航空領(lǐng)域快速發(fā)展并逐步普遍采用的廣播式自相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，直接利用 航空器所具備的廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能，接收空域中該航空器周圍其他航空器通過廣 播式自相關(guān)監(jiān)視發(fā)送功能所廣播的有關(guān)航空器的經(jīng)度、煒度、高度、真空速、地速、信息發(fā)送 時刻等信息，結(jié)合航空器自身的位置信息、高度信息、溫濕度信息，采用風場重構(gòu)算法，實時 重建出空域中的風場信息，通過可視化方法呈現(xiàn)給飛行員，以提供或增強飛行員對航空器 周邊空域風場變化的態(tài)勢感知能力，為飛行員及時預(yù)測和規(guī)避某些極端天氣提供決策支 持，從而提升飛行安全與效率。
[0008] 由于本實用新型采用了上述技術(shù)方案，本實用新型直接利用了廣播式自相關(guān)監(jiān)視 接收功能收集并重構(gòu)空域內(nèi)實時的風場信息，而非通過地基低空風切變探測設(shè)備探測和推 算空域的風場情況，從而提高了空域風場探測技術(shù)的實時性和可靠性，并降低了地基探測 設(shè)備的開發(fā)周期和運營成本。
【附圖說明】
[0009] 圖1示出本實用新型一種空域風場探測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2示出本實用新型一種空域風場探測系統(tǒng)的實施例圖。
【具體實施方式】
[0011] 為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。
[0012] 實施例1
[0013] 請參閱圖1示出本實用新型一種空域風場探測系統(tǒng)的實施例：
[0014] 本實施例一種空域風場探測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)包括:利用多架航空器、風場重構(gòu)設(shè) 備和機載顯示設(shè)備，其中：任意一架航空器接收空域中該航空器周圍其他航空器發(fā)出的廣 播式自相關(guān)監(jiān)視報文;風場重構(gòu)設(shè)備與所述每架航空器連接，將廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文和 機載傳感器信息實時重建出空域中的風場信息;機載顯示設(shè)備與風場重構(gòu)設(shè)備連接，顯示 空域中的風場信息。
[0015] 優(yōu)選實施例，還包括廣播式自相關(guān)監(jiān)視地面站發(fā)射機，每架航空器的機載天線與 周圍其他航空器的廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射機空-空通信，每架航空器的機載天線與周 圍的廣播式自相關(guān)監(jiān)視地面站發(fā)射機空-地通信，用于接收對應(yīng)的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文。
[0016] 優(yōu)選實施例，所述每架航空器的廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載接收機與該航空器的機載 天線連接，用于接收對應(yīng)的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文。
[0017] 優(yōu)選實施例，所述每架航空器的廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載接收機、機載傳感器與所 述風場重構(gòu)設(shè)備對應(yīng)連接，用于獲得直接和間接氣象要素，重建風場信息。
[0018] 優(yōu)選實施例，利用空域中已有航空器接收到的直接和間接氣象要素信息，某時刻 該航空器所在空域點的風場、航空器在固定的時間間隔對應(yīng)空域點的風場信息，重構(gòu)出空 域中連續(xù)的風場信息。
[0019] 優(yōu)選實施例，所述機載傳感器包括:位置傳感器、氣壓高度計和溫濕度傳感器，其 中：所述位置傳感器輸出航空器的位置信息;所述氣壓高度計輸出的高度信息;所述溫濕度 傳感器輸出的溫濕度信息。
[0020] 優(yōu)選實施例，結(jié)合機載位置傳感器輸出航空器的位置信息、氣壓高度計輸出的高 度信息、溫濕度傳感器輸出的溫濕度信息，廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息中的時間信息、經(jīng)度 信息、煒度信息、高度信息進行風場的重構(gòu)。
[0021] 優(yōu)選實施例，位于空域中的每架航空器借助廣播式自相關(guān)監(jiān)視發(fā)送功能，通過廣 播式自相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射機發(fā)出報文信息，經(jīng)過1090MHz數(shù)據(jù)鏈傳輸，并以Cat021格式編碼 報文。
[0022] 優(yōu)選實施例，位于地面上的廣播式自相關(guān)監(jiān)視地面站發(fā)射機發(fā)出空中交通情報服 務(wù)廣播信息，經(jīng)過1090MHz數(shù)據(jù)鏈傳輸，并以Cat 021格式編碼的報文信息。
[0023]優(yōu)選實施例，使用風場重構(gòu)設(shè)備對接收到的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息進行信號 處理和解碼，利用廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息中的地速、真空速計算航空器的實時風速和 方向。
[0024] 實施例2
[0025] 請參閱圖2展示的一種空域風場探測系統(tǒng)的實施例：
[0026] 本實施例將空域中的航空器視為一個實時運動的風場數(shù)據(jù)采集和接收傳感器，通 過實時計算和重構(gòu)風場的方法反演空域中的風場信息，而非通過地基探測設(shè)備探測和推算 空域的實時風場信息，從而為飛行員提供可視化的風場信息，增強其態(tài)勢感知能力。
[0027] 本實用新型的一種空域風場探測系統(tǒng)的實施步驟包括：
[0028] 步驟Sl:該方法基于目前民用航空領(lǐng)域快速發(fā)展并逐步普遍采用的廣播式自相關(guān) 監(jiān)視技術(shù)，直接利用航空器所具備的廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能，接收空域中該航空器周 圍其他航空器通過廣播式自相關(guān)監(jiān)視發(fā)送功能所廣播的有關(guān)航空器的報文信息;所述航空 器的報文信息包括經(jīng)度、煒度、高度、真空速、地速、信息發(fā)送時刻等。
[0029] 步驟S2:采用風場重構(gòu)算法，將報文信息和相關(guān)機載傳感器信息實時重建出空域 中的風場信息；
[0030] 步驟S3:通過可視化設(shè)備呈現(xiàn)給飛行員。
[0031] 實施例3
[0032] 本實施例僅以運輸航空的客機為例：
[0033] 在空域中的任意一架航空器，可以通過廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能接收廣播式自 相關(guān)監(jiān)視的報文信息，可以采用空域中該航空器周圍其他航空器通過廣播式自相關(guān)監(jiān)視發(fā) 送功能發(fā)出的報文信息，這些信息由廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射機發(fā)出，經(jīng)過1090MHz數(shù)據(jù) 鏈傳輸，以Cat 021格式編碼報文信息；
[0034] 所述接收到的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息，是借助航空器的機載天線被航空器接 收，再由廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載接收機接收。
[0035]使用風場重構(gòu)設(shè)備對接收到的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息進行信號處理和解碼， 然后計算風速的大小和方向，風速和風向通過公式（1)計算，利用廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信 息中的地速、真空速就可以計算航空器的實時風速和方向。
[0036] Fgs -Vtas -Vws .(1)
[0037] 公式1中，表示地速，&?表示真空速，表示風速。因為這些速度都是矢量， 故矢量之差就是風速的強弱和方向。
[0038] 利用所述風場重構(gòu)設(shè)備計算出的風速信息，結(jié)合航空器的機載位置傳感器輸出航 空器的位置信息，航空器的機載氣壓高度計輸出的高度信息，航空器的機載溫濕度傳感器 輸出的溫濕度信息，廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息中的時間信息、經(jīng)度信息、煒度信息、高度 信息進行風場的重構(gòu)。風場重構(gòu)采用內(nèi)插的方法進行，首先利用空域中已有航空器接收到 的直接和間接氣象要素信息對該時刻該航空器所在空域點的風場進行實時計算，然后按照 固定的時間間隔重新計算空域中已有航空器對應(yīng)空域點的風場信息；最后將這些離散的風 場信息進行內(nèi)插，從而重構(gòu)出空域中連續(xù)的風場信息。
[0039] 風場重構(gòu)設(shè)備將重構(gòu)后空域中的風場信息，借助航空器自身的航電設(shè)備通信鏈路 傳遞給機載座艙顯示設(shè)備，顯示的數(shù)據(jù)以文字、圖像或聲音的方式呈現(xiàn)，并最終呈現(xiàn)給機組 人員。
[0040] 實施例4
[0041] 在空域中的任意一架航空器可以通過廣播式自相關(guān)監(jiān)視接收功能接收空域中該 航空器周圍其他航空器發(fā)出的廣播式自相關(guān)監(jiān)視的報文信息，還可以通過地面上的廣播式 自相關(guān)監(jiān)視地面站發(fā)射機發(fā)出的空中交通情報服務(wù)廣播信息，這些信息經(jīng)過1090MHZ數(shù)據(jù) 鏈傳輸，以Cat 021格式編碼報文信息。
[0042] 如表1示出實施例中所述廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息的數(shù)據(jù)項（Cat 021格式編 碼）


[0046] 本實用新型使用廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)，所述ADS-B是無線電技術(shù)在民用航 空監(jiān)視上的新應(yīng)用，即利用空-地、空-空數(shù)據(jù)通信完成航空器信息傳遞的一種新技術(shù)。ADS-B系統(tǒng)主要分為機載設(shè)備、地面站、數(shù)據(jù)鏈和傳輸網(wǎng)絡(luò)。機載設(shè)備通過GNSS衛(wèi)星獲得航空器 實時的三維位置信息和速度信息，從大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)得到航空器的氣壓高度信息，通過機載 ADS-B收發(fā)機將上述信息及其他附加信息如航空器標識、航空器類別等向空中和地面廣播， 供其他航空器和地面設(shè)備接收和顯示?？罩械暮娇掌鹘邮盏狡渌娇掌鞯男畔?，經(jīng)過處理 后顯示在駕艙交通顯示器(⑶TI)上。按照航空器廣播信息傳遞的方向劃分，ADS-B可分為發(fā) 送(ADS-B OUT)和接收(ADS-B IN)兩類。ADS-B OUT是指航空器的機載發(fā)射機以一定的周期 發(fā)送航空器的各種信息，包括航空器識別信息（ID)、位置、高度、速度、方向和爬升率等。OUT 是機載ADS-B設(shè)備的基本功能。ADS-B IN是指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B信息或地 面站發(fā)送的信息，為機組提供運行支持。ADS-B IN可以實現(xiàn)在CDTI上看到其他航空器的運 行狀況，從而提高機組的空中交通態(tài)勢感知。ADS-B的數(shù)據(jù)鏈主要有1090ES、UAT、VDL MODE 4三種，中國民航目前主要使用1090ES。
[0047] 以上所述，僅為本實用新型中的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局 限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替 換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的包含范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：多架航空器、風場重構(gòu)設(shè)備和機 載顯示設(shè)備，其中： 任意一架航空器接收空域中該航空器周圍其他航空器發(fā)出的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文； 風場重構(gòu)設(shè)備與所述每架航空器連接，將廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文和機載傳感器信息實 時重建出空域中的風場信息； 機載顯示設(shè)備與風場重構(gòu)設(shè)備連接，顯示空域中的風場信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，還包括廣播式自相關(guān)監(jiān)視地面 站發(fā)射機，每架航空器的機載天線與周圍其他航空器的廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射機空-空通信，每架航空器的機載天線與周圍的廣播式自相關(guān)監(jiān)視地面站發(fā)射機空-地通信，用于 接收對應(yīng)的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，所述每架航空器的廣播式自相 關(guān)監(jiān)視機載接收機與該航空器的機載天線連接，用于接收對應(yīng)的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，所述每架航空器的廣播式自相 關(guān)監(jiān)視機載接收機、機載傳感器與所述風場重構(gòu)設(shè)備對應(yīng)連接，獲得直接和間接氣象要素， 用于重建風場信息。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，位于空域中的已有航空器，接 收直接和間接氣象要素信息的時刻實時計算，獲得該航空器所在空域點的風場，獲得航空 器在固定的時間間隔對應(yīng)空域點的風場信息，重構(gòu)出空域中連續(xù)的風場信息。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，所述機載傳感器包括:位置傳 感器、氣壓高度計和溫濕度傳感器，其中： 所述位置傳感器，輸出航空器的位置信息； 所述氣壓高度計輸出的高度信息； 所述溫濕度傳感器輸出的溫濕度信息。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)合機載位置傳感器輸出的航 空器位置信息、氣壓高度計輸出的高度信息、溫濕度傳感器輸出的溫濕度信息，廣播式自相 關(guān)監(jiān)視報文信息中的時間信息、經(jīng)度信息、煒度信息、高度信息、進行風場的重構(gòu)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，位于空域中的每架航空器借助 廣播式自相關(guān)監(jiān)視發(fā)送功能，通過廣播式自相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射機發(fā)出報文信息，經(jīng)過 1090MHz數(shù)據(jù)鏈傳輸，并以Cat 021格式編碼報文。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，位于地面上的廣播式自相關(guān)監(jiān) 視地面站發(fā)射機發(fā)出空中交通情報服務(wù)廣播信息，經(jīng)過1090MHz數(shù)據(jù)鏈傳輸，并以Cat 021 格式編碼的報文信息。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空域風場探測系統(tǒng)，其特征在于，所述風場重構(gòu)設(shè)備對接收到 的廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息進行信號處理和解碼，利用廣播式自相關(guān)監(jiān)視報文信息中的 地速、真空速計算航空器的實時風速和方向。
【文檔編號】G01W1/02GK205427210SQ201521052433
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月16日
【發(fā)明人】李靜, 徐自勵, 唐勇, 羅曉
【申請人】中國民用航空總局第二研究所