基于现有机载设备的航空气象风观测方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 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。
[0009] 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、经炜度位置、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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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：
[0013]
[0014]
[0015] 其中，真空速为VT，风速为Vw，地速为VD，航向角为α，航迹角为β，风向角为γ， 且α、β、γe[0°，360° )。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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】
[0023] 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；
[0024] 图2为本发明根据真空速矢量和地速矢量计算风速矢量不意图；
[0025] 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】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0027] 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。
[0028] 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：
[0029] 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、经炜度位置、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(Automatic DependentSurveillance-Broadcast)、机载北斗设备或机载AIS(Automatic IdentificationSystem)，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；
[0030] 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；
[0031] 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。
[0032] 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1021/030时间、1021/130位置（经炜度）、1021/145 飞行高度层、1021/151真空速、1021/152航向角、1021/160地速矢量（地速+航迹角）。
[0033] 真空速、风速、地速之间的矢量关系如图2所不，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：
[0034] 设真空速为VT，风速为Vw，地速为VD，航向角为α，航迹角为β