一种空域风场探测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种空域风场探测系统，该系统包括：利用多架航空器、风场重构设备和机载显示设备，其中：任意一架航空器接收空域中该航空器周围其他航空器发出的广播式自相关监视报文；风场重构设备与所述每架航空器连接，将广播式自相关监视报文和机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息；机载显示设备与风场重构设备连接，显示空域中的风场信息。本实用新型直接利用了广播式自相关监视接收功能收集并重构空域内实时的风场信息，而非通过地基低空风切变探测设备探测和推算空域的风场情况，从而提高了空域风场探测技术的实时性和可靠性，并降低了地基探测设备的开发和运营成本。
【专利说明】
一种空域风场探测系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于航空气象、导航监视、航空数据链、微电子、计算机技术领域，尤其 是涉及风场探测与重构、空-空数据通信、空-地数据通信领域的一种空域风场探测系统。
【背景技术】
[0002] 航空器运行空域中的风场是影响航空活动的重要气象条件。风场变化所产生的风 切变，会对航空器的正常运行产生影响，尤其是低空风切变具有变化快、范围小、强度大等 特点，是公认的航空器起降阶段最严重的气象危害，严重危害航空活动安全，是一个不易解 决的航空气象难题。机载风切变探测系统还存在许多不足，且存在成本与航空器设备加改 装问题，而地基低空风切变探测预警系统优异的探测能力，使其在低空风切变探测中的作 用越来越重要。虽然低空风切变地基探测设备有多种，但基本的探测原理是一致的，即通过 对风场进行探测，然后采用各种算法进行风场重构，最后进行风切变判断或风切变预警。因 此，空域风场的探测和重构是进行风切变判断与预警的前提。
[0003] 现有低空风切变地基探测设备中，均存在一定局限性。低空风切变预警系统(Low Level Wind Shear Alert System,LLWAS)只能探测地表附近的水平风切变，探测高度有限 且受限于风速计的数量和安装位置;终端区多普勒气象雷达(Terminal Doppler Weather Radar，TDWR)安装位置要求高，雷达选址常因各种原因受到限制，致使雷达不能直接应用于 跑道范围，给应用带来了困难;风廓线雷达只能探测雷达所在点上空的风向风速，作用区域 有限，必须将多部风廓线雷达进行联网才能得到整个机场上空区域的垂直风场分布。
[0004] 现有基于广播式自相关监视接收功能探测风速的文献中，只是单纯地计算风速和 风向本身，并未将计算结果推广应用到其他行业领域。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有低空风切变地基探测设备存在的一定局限性，以及 已有利用广播式自相关监视的接收功能仅仅计算风速的单一性，提供一种基于广播式自相 关监视接收功能的空域风场探测系统。
[0006] 为达成所述目的，本实用新型提供一种空域风场探测系统，该系统包括:利用多架 航空器、风场重构设备和机载显示设备，其中：任意一架航空器接收空域中该航空器周围其 他航空器发出的广播式自相关监视报文;风场重构设备与所述每架航空器连接，将广播式 自相关监视报文和机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息;机载显示设备与风场重 构设备连接，显示空域中的风场信息。
[0007] 本实用新型的有益效果:本实用新型公开了一种利用航空器的广播式自相关监视 接收功能，接收空域中该航空器周围其他航空器发送的报文信息，重构空域风场的方法。该 方法基于目前民用航空领域快速发展并逐步普遍采用的广播式自相关监视技术，直接利用 航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中该航空器周围其他航空器通过广 播式自相关监视发送功能所广播的有关航空器的经度、炜度、高度、真空速、地速、信息发送 时刻等信息，结合航空器自身的位置信息、高度信息、温湿度信息，采用风场重构算法，实时 重建出空域中的风场信息，通过可视化方法呈现给飞行员，以提供或增强飞行员对航空器 周边空域风场变化的态势感知能力，为飞行员及时预测和规避某些极端天气提供决策支 持，从而提升飞行安全与效率。
[0008] 由于本实用新型采用了上述技术方案，本实用新型直接利用了广播式自相关监视 接收功能收集并重构空域内实时的风场信息，而非通过地基低空风切变探测设备探测和推 算空域的风场情况，从而提高了空域风场探测技术的实时性和可靠性，并降低了地基探测 设备的开发周期和运营成本。
【附图说明】
[0009] 图1示出本实用新型一种空域风场探测系统的组成结构示意图。
[0010] 图2示出本实用新型一种空域风场探测系统的实施例图。
【具体实施方式】
[0011] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0012] 实施例1
[0013] 请参阅图1示出本实用新型一种空域风场探测系统的实施例：
[0014] 本实施例一种空域风场探测系统的组成结构包括:利用多架航空器、风场重构设 备和机载显示设备，其中：任意一架航空器接收空域中该航空器周围其他航空器发出的广 播式自相关监视报文;风场重构设备与所述每架航空器连接，将广播式自相关监视报文和 机载传感器信息实时重建出空域中的风场信息;机载显示设备与风场重构设备连接，显示 空域中的风场信息。
[0015] 优选实施例，还包括广播式自相关监视地面站发射机，每架航空器的机载天线与 周围其他航空器的广播式自相关监视机载发射机空-空通信，每架航空器的机载天线与周 围的广播式自相关监视地面站发射机空-地通信，用于接收对应的广播式自相关监视报文。
[0016] 优选实施例，所述每架航空器的广播式自相关监视机载接收机与该航空器的机载 天线连接，用于接收对应的广播式自相关监视报文。
[0017] 优选实施例，所述每架航空器的广播式自相关监视机载接收机、机载传感器与所 述风场重构设备对应连接，用于获得直接和间接气象要素，重建风场信息。
[0018] 优选实施例，利用空域中已有航空器接收到的直接和间接气象要素信息，某时刻 该航空器所在空域点的风场、航空器在固定的时间间隔对应空域点的风场信息，重构出空 域中连续的风场信息。
[0019] 优选实施例，所述机载传感器包括:位置传感器、气压高度计和温湿度传感器，其 中：所述位置传感器输出航空器的位置信息;所述气压高度计输出的高度信息;所述温湿度 传感器输出的温湿度信息。
[0020] 优选实施例，结合机载位置传感器输出航空器的位置信息、气压高度计输出的高 度信息、温湿度传感器输出的温湿度信息，广播式自相关监视报文信息中的时间信息、经度 信息、炜度信息、高度信息进行风场的重构。
[0021] 优选实施例，位于空域中的每架航空器借助广播式自相关监视发送功能，通过广 播式自相关监视机载发射机发出报文信息，经过1090MHz数据链传输，并以Cat021格式编码 报文。
[0022] 优选实施例，位于地面上的广播式自相关监视地面站发射机发出空中交通情报服 务广播信息，经过1090MHz数据链传输，并以Cat 021格式编码的报文信息。
[0023]优选实施例，使用风场重构设备对接收到的广播式自相关监视报文信息进行信号 处理和解码，利用广播式自相关监视报文信息中的地速、真空速计算航空器的实时风速和 方向。
[0024] 实施例2
[0025] 请参阅图2展示的一种空域风场探测系统的实施例：
[0026] 本实施例将空域中的航空器视为一个实时运动的风场数据采集和接收传感器，通 过实时计算和重构风场的方法反演空域中的风场信息，而非通过地基探测设备探测和推算 空域的实时风场信息，从而为飞行员提供可视化的风场信息，增强其态势感知能力。
[0027] 本实用新型的一种空域风场探测系统的实施步骤包括：
[0028] 步骤Sl:该方法基于目前民用航空领域快速发展并逐步普遍采用的广播式自相关 监视技术，直接利用航空器所具备的广播式自相关监视接收功能，接收空域中该航空器周 围其他航空器通过广播式自相关监视发送功能所广播的有关航空器的报文信息;所述航空 器的报文信息包括经度、炜度、高度、真空速、地速、信息发送时刻等。
[0029] 步骤S2:采用风场重构算法，将报文信息和相关机载传感器信息实时重建出空域 中的风场信息；
[0030] 步骤S3:通过可视化设备呈现给飞行员。
[0031] 实施例3
[0032] 本实施例仅以运输航空的客机为例：
[0033] 在空域中的任意一架航空器，可以通过广播式自相关监视接收功能接收广播式自 相关监视的报文信息，可以采用空域中该航空器周围其他航空器通过广播式自相关监视发 送功能发出的报文信息，这些信息由广播式自相关监视机载发射机发出，经过1090MHz数据 链传输，以Cat 021格式编码报文信息；
[0034] 所述接收到的广播式自相关监视报文信息，是借助航空器的机载天线被航空器接 收，再由广播式自相关监视机载接收机接收。
[0035]使用风场重构设备对接收到的广播式自相关监视报文信息进行信号处理和解码， 然后计算风速的大小和方向，风速和风向通过公式（1)计算，利用广播式自相关监视报文信 息中的地速、真空速就可以计算航空器的实时风速和方向。
[0036] Fgs -Vtas -Vws .(1)
[0037] 公式1中，表示地速，&?表示真空速，表示风速。因为这些速度都是矢量， 故矢量之差就是风速的强弱和方向。
[0038] 利用所述风场重构设备计算出的风速信息，结合航空器的机载位置传感器输出航 空器的位置信息，航空器的机载气压高度计输出的高度信息，航空器的机载温湿度传感器 输出的温湿度信息，广播式自相关监视报文信息中的时间信息、经度信息、炜度信息、高度 信息进行风场的重构。风场重构采用内插的方法进行，首先利用空域中已有航空器接收到 的直接和间接气象要素信息对该时刻该航空器所在空域点的风场进行实时计算，然后按照 固定的时间间隔重新计算空域中已有航空器对应空域点的风场信息；最后将这些离散的风 场信息进行内插，从而重构出空域中连续的风场信息。
[0039] 风场重构设备将重构后空域中的风场信息，借助航空器自身的航电设备通信链路 传递给机载座舱显示设备，显示的数据以文字、图像或声音的方式呈现，并最终呈现给机组 人员。
[0040] 实施例4
[0041] 在空域中的任意一架航空器可以通过广播式自相关监视接收功能接收空域中该 航空器周围其他航空器发出的广播式自相关监视的报文信息，还可以通过地面上的广播式 自相关监视地面站发射机发出的空中交通情报服务广播信息，这些信息经过1090MHZ数据 链传输，以Cat 021格式编码报文信息。
[0042] 如表1示出实施例中所述广播式自相关监视报文信息的数据项（Cat 021格式编 码）
[0046] 本实用新型使用广播式自动相关监视(ADS-B)，所述ADS-B是无线电技术在民用航 空监视上的新应用，即利用空-地、空-空数据通信完成航空器信息传递的一种新技术。ADS-B系统主要分为机载设备、地面站、数据链和传输网络。机载设备通过GNSS卫星获得航空器 实时的三维位置信息和速度信息，从大气数据系统得到航空器的气压高度信息，通过机载 ADS-B收发机将上述信息及其他附加信息如航空器标识、航空器类别等向空中和地面广播， 供其他航空器和地面设备接收和显示。空中的航空器接收到其他航空器的信息，经过处理 后显示在驾舱交通显示器(⑶TI)上。按照航空器广播信息传递的方向划分，ADS-B可分为发 送(ADS-B OUT)和接收(ADS-B IN)两类。ADS-B OUT是指航空器的机载发射机以一定的周期 发送航空器的各种信息，包括航空器识别信息（ID)、位置、高度、速度、方向和爬升率等。OUT 是机载ADS-B设备的基本功能。ADS-B IN是指航空器接收其他航空器发送的ADS-B信息或地 面站发送的信息，为机组提供运行支持。ADS-B IN可以实现在CDTI上看到其他航空器的运 行状况，从而提高机组的空中交通态势感知。ADS-B的数据链主要有1090ES、UAT、VDL MODE 4三种，中国民航目前主要使用1090ES。
[0047] 以上所述，仅为本实用新型中的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局 限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替 换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内。
【主权项】
1. 一种空域风场探测系统，其特征在于，该系统包括：多架航空器、风场重构设备和机 载显示设备，其中： 任意一架航空器接收空域中该航空器周围其他航空器发出的广播式自相关监视报文； 风场重构设备与所述每架航空器连接，将广播式自相关监视报文和机载传感器信息实 时重建出空域中的风场信息； 机载显示设备与风场重构设备连接，显示空域中的风场信息。2. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，还包括广播式自相关监视地面 站发射机，每架航空器的机载天线与周围其他航空器的广播式自相关监视机载发射机空-空通信，每架航空器的机载天线与周围的广播式自相关监视地面站发射机空-地通信，用于 接收对应的广播式自相关监视报文。3. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，所述每架航空器的广播式自相 关监视机载接收机与该航空器的机载天线连接，用于接收对应的广播式自相关监视报文。4. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，所述每架航空器的广播式自相 关监视机载接收机、机载传感器与所述风场重构设备对应连接，获得直接和间接气象要素， 用于重建风场信息。5. 根据权利要求4所述空域风场探测系统，其特征在于，位于空域中的已有航空器，接 收直接和间接气象要素信息的时刻实时计算，获得该航空器所在空域点的风场，获得航空 器在固定的时间间隔对应空域点的风场信息，重构出空域中连续的风场信息。6. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，所述机载传感器包括:位置传 感器、气压高度计和温湿度传感器，其中： 所述位置传感器，输出航空器的位置信息； 所述气压高度计输出的高度信息； 所述温湿度传感器输出的温湿度信息。7. 根据权利要求6所述空域风场探测系统，其特征在于，结合机载位置传感器输出的航 空器位置信息、气压高度计输出的高度信息、温湿度传感器输出的温湿度信息，广播式自相 关监视报文信息中的时间信息、经度信息、炜度信息、高度信息、进行风场的重构。8. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，位于空域中的每架航空器借助 广播式自相关监视发送功能，通过广播式自相关监视机载发射机发出报文信息，经过 1090MHz数据链传输，并以Cat 021格式编码报文。9. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，位于地面上的广播式自相关监 视地面站发射机发出空中交通情报服务广播信息，经过1090MHz数据链传输，并以Cat 021 格式编码的报文信息。10. 根据权利要求1所述空域风场探测系统，其特征在于，所述风场重构设备对接收到 的广播式自相关监视报文信息进行信号处理和解码，利用广播式自相关监视报文信息中的 地速、真空速计算航空器的实时风速和方向。
【文档编号】G01W1/02GK205427210SQ201521052433
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月16日
【发明人】李静, 徐自励, 唐勇, 罗晓
【申请人】中国民用航空总局第二研究所