，风角（风向）为 γ，且α、β、γe[0°，360° )，其中VT、VD、α、β为已知，要求Vw、γ。
[0035] 可得方程：
[0036]
[0037] 求方程可得：
[0039] 风速Vw、风向γ均已推算出。结合1021/030时间、1021/130位置（经炜度）、 1021/145飞行高度层的数据，可以得知在某一时间点，某飞行高度层、某地理坐标位置的风 向、风速。
[0040] 由于气象风观测数据分布的离散性和监测范围的有限性，无法直接得到区域内所 有气象风要素的准确数据，当一定区域内的通航飞机数量足够多且各飞机分布在空域不同 高度层时，风矢量的观测点也较密集且分散在空域不同位置。由于风活动具有连续性，可 根据相近几点的风矢量趋势推算周围风活动，利用这一原理则可推导出某空域的整体风活 动。本发明采用空间插值方法对气象风要素进行估计，具体可利用Kriging来推算邻近点 的风矢量，计算步骤为：
[0041] 1)确定带计算的邻近估计点X。的坐标；
[0042] 2)根据搜索策略选择满足条件的参照点；
[0043]3)根据Kriging计算模型求C(Xi,xj和C(Xi,X。），Kriging插值属于线性无偏最 优估计，根据此特性，采用条件Lagrange乘数法可求得普通Kriging方程组：
[0044]
[0045] 其中C(Xi,x_j)为随机变量X;，xjtl协方差函数，μ为Lagrange系数，代表了 Kriging估计误差和任何一个参估的随机变量之间的协方差。
[0046] 当空间变量满足二阶平稳假设时，随机变量Z(x)和Z(x+h)之间存在协方差函 数，且该协方差函数仅依赖于两点之间的差向量，此时有CUdxJ=(：(Χ?-χ^(：(Χ?，χ^ = CUi-x.)，（i，j= 0, 1，...η)。
[0047] 4)建立方程组；
[0048] Κλ=D
[0049] 其中，
[0050] 5)解方程组，求权系数λ1;
[0051] 6)用
R估计点的值，其中η为参照点的个数；
[0052] 7)重复步骤1)至5)，直到网格节点的值全部求出后输出结果。
[0053] 为了提高运算效率，本发明采用局部插值法，即对于每一个待估计点，仅搜索周围 符合搜索策略的若干点作为参照点，通过求解Kriging方程组计算估计点的物理值。本发 明采用特定方位搜索策略，具体过程如下：指以估计点为中心，在360度方向上将水平空间 平均划分为若干区域，表示不同的方位，对每个区域内已获取风矢量的位置点进行遍历，取 距离估计点最近的位置点作为参照点。该策略的优点在于，对于分布不均的数据，该搜索策 略选取的点具有较好的代表性，且一般情况下同样能保证选取点的个数相对平均（除非估 计点在边界附近区域，一般对于一个估计点搜索到的参照点等于方位的个数）。本发明优选 采用八方搜索策略，即将水平空间平均划分为8个区域进行搜索，如图3所示，图中标注1、 2…8数字的顶点即为符合要求的参照点。
[0054] 燃油费用是航空公司最主要的成本之一，无论民航飞机还是通航飞机，其飞行都 要考虑经济效益。飞机的经济速度是指，按直接最低营运成本来确定的、在远航速度与最大 平飞速度之间折衷的巡航速度，也可理解为，同条件下最省油的飞行速度。经济速度与很多 因素相关，除机械原因和设计原因外，还包括载荷、飞行姿态、自然风速等。由图2可以计算 出，地速矢量=真空速矢量+风矢量，其中真空速矢量可以理解为需要的经济速度，因此可 以由风矢量和目标的经济速度确定飞行实际速度。换而言之，按照计算出的地速飞行，可以 更接近经济速度飞行，以此方式减少油耗，提供经济效益。
[0055] 综上所述，本发明提出的利用现有机载设备观测航空气象风的新方法，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。航空用户和其他气象用户可根据本发明推导出的整体风活动信息调整飞 行活动，以获得最佳经济效益。具体优点如下：1、成本低。本发明利用的现有的机载设备， 技术改型、研发、制造的成本均很低，适合通用航空成本受限的特点。2、设备安装、改装容 易。对于没有安装相关设备的飞机，可以直接携带便携式设备即可，市场上这种成型的设备 很多，无论ADS-B或是北斗设备都可以轻松安装或者直接便携上机。3、增加了飞行的安全 性。能实现范围广、密度高的观测能力，大大提高了对气象风的感知能力，可以提供飞行安 全性。4、减少油耗，增加飞行经济效益。对风的感知能力增强可以帮助飞行员调整飞行姿 态，保持经济飞行速度，以此降低航油损耗，提高经济效益。
[0056] 本发明不仅可以用于民航、通航飞行时的风观测，还能应用到船舶的航行，以及汽 车的驾驶。在整个交通领域均能应用技术原理提到的方法计算风速、风向，从而帮助驾驶员 保持经济速度。本发明虽用ADS-B举例说明，但同样适用于北斗、AIS或者其他可以输出飞 机真空速、地速、航向角、航迹角、位置、高度信息的设备和系统。本发明的方法还为气象观 测提供新思路，从地面交通系统收集的风数据并入气象系统，可以为全社会的应用需要提 供数据支持。
[0057] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范 围当以权利要求书所界定的为准。
【主权项】
1. 一种基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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出时间、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。2. 如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。3. 如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。4. 如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，所述 步骤b)中风向和风速的计算过程如下：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[〇°，360° )。5. 如权利要求1所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。6. 如权利要求5所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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已获取风矢量的位置点作为参照点，根据 Kriging计算模型求邻近估计点的风矢量。7. 如权利要求6所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。8. 如权利要求6所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。9. 如权利要求5所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。10. 如权利要求5所述的基于现有机载设备的航空气象风观测方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开了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出时间、经纬度位置、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。本发明通过接收、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，从而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。
【IPC分类】G01W1/00
【公开号】CN105388535
【申请号】CN201510764688
【发明人】杨斯, 顾世敏, 宋炜
【申请人】上海埃威航空电子有限公司
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月11日