利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种对风场进行危险性评估的方法。更具体地说，本发明设及一种利 用机载雷达对风场进行危险性评估的方法。
【背景技术】
[0002] 穿越危险风场的飞行会导致飞机颠鑛和较大的机体过载，不仅严重影响客机的乘 坐品质，还会导致客舱致伤等危险事件，遭遇素流时乘客受伤的事故时有发生。
[0003] 目前在役飞行器对素流及微下冲风切变等扰动风场的探测和预警，主要依靠 W气 象雷达为核屯、的探测设备。现在的气象雷达广泛使用多普勒相参体制，运种雷达可W提供 风场的平均径向速度和谱宽数据，分别包含了风场速度的平均值和方差信息。
[0004] 当前已经有成熟的方法，可W利用雷达谱宽数据对风场的素流耗散率等微观结构 性参数进行估计。尽管谱宽W及素流耗散率都包含了风场速度的均方根信息，但是并不能 直接用于评估风场对飞行器飞行的影响。从飞行员和地面指挥人员的角度，更希望获取风 场对飞行影响程度的直观信息。
[0005] 当前的气象雷达大多只能为飞行员和指挥员提供基本反射率因子、平均径向速度 和谱宽等直接观测数据，由使用者根据经验去判断风场的危险程度。新一代的气象雷达，如 2001年左右罗克韦尔-柯林斯（Rockwell Collins)公司开发的素流探测和预警系统 (Turbulence Prediction and Warning System,TPAWS)，预先通过大量的飞行实验积累风 场谱宽和飞机响应的对应数据，并存储在雷达存储器中，雷达装机使用时，根据预先存储的 数据和探测得到的雷达谱宽，对飞机响应的法向过载均方根进行估算，并将估算结果显示 出来。运种方法有运样一些缺点：（1)成本较高，而且穿越危险风场的飞行试验具有较大的 危险性；（2)使用法向过载均方根作为评价依据，难于充分考虑脉冲振动；（3)评价过载的均 方根，没有考虑振动频率对人体健康和舒适性评估的影响；（4)飞机各轴向都存在振动，使 用法向过载均方根仅做单一方向的振动评估偏于片面。
[0006] 基于运样的背景，针对风场危险性进行评估的方法需求，需要一种使用机载雷达 对风场进行危险性评估的方法，W方便飞行员和地面指挥人员及时对空域风场的危险性建 立直观认识，并及时做出飞行决策，W避免飞行事故并提高乘客的乘坐舒适性。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
[000引本发明还有一个目的是提供比现有雷达更为直观详细的风场信息，对风场的评估 更加全面和合理。
[0009] 为了实现本发明的运些目的和其它优点，提供了一种利用机载雷达对风场进行危 险性评估的方法，包括W下步骤：
[0010] 步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，W得到所述风场的素流强度 的估算值，并对风场进行数字重建；
[0011] 步骤二、利用步骤一得到的数字重建后的风场，结合雷达载机的飞机模型和飞行 参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的Ξ轴移动加速度和Ξ轴转动加速度；
[0012] 步骤Ξ、设定最小观测区间，对目标区域进行划分，将步骤二得到的Ξ轴移动加速 度和Ξ轴转动加速度按照所述最小观测区间进行离散化，通过快速数字傅里叶变换算法将 离散化的Ξ轴移动加速度和Ξ轴转动加速度的时域信号转化为频域信号，将转化后的Ξ轴 移动加速度和Ξ轴转动加速度根据不同频段的影响等级依次进行加权求和和全时长均方 根求取，得到Ξ轴均方根移动加速度和Ξ轴均方根转动加速度；
[0013] 步骤四、将步骤Ξ中多个最小观测区间内得到的Ξ轴均方根移动加速度和Ξ轴均 方根转动加速度进行加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量，将所述等效总 振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。
[0014] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤Ξ中 的最小观测区间为空间尺度上的最小观测区间或时间尺度上的最小观测区间。
[0015] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述最小观测 区间为400米或5秒。
[0016] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤Ξ中 还包括，采用加海明窗的形式对快速数字傅里叶变化算法导致的信息失真进行误差修正。
[0017] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中 得到的飞机穿越风场时的Ξ轴移动加速度的计算公式如下：
[0022] 其中，U、V、W为机体轴系下的来流速度，Uk、vk、wk为航迹速度在机体轴系下的分量， Tbg是从地面系向机体系的转换矩阵，Uw、Vw、Ww为地面系下Ξ轴风速，V为来流相对于飞机的 总速度，α为迎角，β为侧滑角，
[0023] 通过上述计算，得到考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，进而求得 飞机穿越风场时的Ξ轴移动加速度。
[0024] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中 得到的飞机穿越风场时的Ξ轴转动加速度的计算公式如下：
[002引其中，p、q、r是机身角速度，Ci、Cm、Cn是机身立轴气动力矩系数，b是飞机翼展，Ca是 飞机平均气动弦长，Clp和Clr分别为滚转角速度和偏航角速度对滚转力矩的影响系数，Cmq和 C/,i&分别为俯仰角速度和迎角角加速度对俯仰力矩的影响系数，Cnp和Cnr分别为滚转角速 度和偏航角速度对偏航力矩的影响系数，分别为垂直方向的素流速度沿飞机轴 向和飞机侧向变化的空间梯度，为侧向素流速度沿X方向变化的空间梯度，为航迹迎 角随时间变化的角加速度，
[0029] 通过上述计算，得到飞机Ξ轴力矩系数的变化量，进而得到考虑风速梯度影响时 飞机穿越风场时的力矩变化量，进而求得飞机穿越风场时的Ξ轴转动加速度。
[0030] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤四中， 飞机穿越风场飞行时的等效总振动量的计算公式如下：
[0031]
[00创其中，αν是等效总振动量，kx、ky、kz、kp、kq、kr分别是坐标轴ミ个方向上的移动加速 度的方向因数和转动加速度的方向因数，awx、awy、awz、awp、awq、awr分别是坐标轴Ξ个方向上 的均方根移动加速度和均方根转动加速度，单位为米/秒2或者弧度/秒2。
[0033] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，还包括，将对风 场的危险性评估的结果使用不同的色溫显示在机载雷达的显示器上。
[0034] 本发明至少包括W下有益效果:利用本方法对机载雷达所探测的风场进行危险性 评估，可W提供比现有雷达更为直观详细的风场信息，风场的危险程度直观易懂，不要求使 用者有丰富的经验。与罗克韦尔-柯林斯公司的新型雷达相比，本方法的风场评估更为全 面:考虑了振动频率的影响，能够包含脉冲振动的影响，考虑了立轴移动加速度和立轴转动 加速度，相较于单一方向的振动评估更为合理。
[0035] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本 发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法的流程示意图；
[0037] 图2为本发明的一个实施例中飞机的纵向移动加速度的频谱响应示意图；
[0038] 图3为本发明的另一实施例中的机载雷达对风场进行探测得到的谱宽数据；
[0039] 图4为本发明的另一实施例中的完成数字重建的风场中屯、线上的Ξ轴风速分布示 意图；
[0040] 图5为本发明的另一实施例中的飞机穿越风场飞行时的Ξ轴振动加速度的示意 图；
[0041] 图6为本发明的另一实施例中的对风场的危险性评估的结果进行显示的示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，W令本领域技术人员参照说明书文 字能够据W实施。
[0043] 应当理解，本文所使用的诸如"具有"、"包含"W及"包括"术语并不配出一个或多 个其它元件或其组合的存在或添加。
[0044] 如图1所示，本发明提供一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，可W利 用机载多普勒气象雷达探测风场所得到的统计特征，结合雷达载机的机体特性和飞行参 数，对所探测风场进行数字重建和飞行仿真，然后对仿真得到的飞行响应进行危险性评估。 雷达硬件包括用于测量风场谱宽的雷达天线、用于存储飞机飞行参数的存储器和用于进行 最终安全等级显示的显示器。素流频谱模型、飞机模型和振动评价指标的计算均采用程序 算法。具体包括W下步骤：
[0045] 步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，W得到所述风场的素流强度 的估算值，并对风场进行数字重建。
[0046] 多普勒气象雷达对风场进行测量，能够提供风场的谱宽数据，谱宽数据包含有风 场速度的均方根信息。求解素流强度参数，需要借助雷达谱宽数据和素流频谱模型建立封