一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法

技术领域

本发明涉及航空管制领域专项技术领域，具体涉及一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法。

背景技术

随着我国民航运输业的快速发展，大量航班延误随之而来，其中危险天气已经成为影响我国航班延误的一个重要因素，因此如何减少危险天气下的航班延误现象、提高空域资源的利用率、确保航空器安全飞行，已经成为急需我们解决的问题。

在民用航空系统中，危险天气是指对航空器飞行安全有影响的天气现象，主要为：雷暴、湍流、风切变、视程障碍和大风等，根据历史民航气象飞行事故统计数据来看，有47％的飞行事故由雷暴导致，因此本发明建立在对雷暴分析的基础上进行改航研究，后续提到的危险天气均指代雷暴。

危险天气下的航空器改航是指在危险天气影响航空器计划航线的情况下，为航空器安排一条安全、经济的临时航线来避让危险天气。目前，危险天气下的改航研究多采用假设的天气数据，没有很好的与我国气象系统相结合。本发明聚焦于危险天气下的航空器改航技术，结合气象雷达提供的数据，为航空器在雷暴气象条件下规划一条安全的飞行路径。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法，在雷暴气象条件下，结合气象系统为航空器规划一条安全的飞行路径，减少危险天气下的航班延误现象、提高空域资源的利用率、确保航空器安全飞行。所采用的技术方案是：

一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法，包括以下步骤：

步骤1，化设雷暴区域

根据气象雷达提供的雷达回波图片，采用图像处理技术分离出不同等级的雷暴区域，同时结合气象雷达提供的回波顶高以及回波底高图片，获取每个雷暴区域的高度变化范围，并将不同等级的雷暴区域显示在空图上；

步骤2，改航策略建模

根据步骤1划设的雷暴区域，结合对应的雷暴危险等级，充分考虑飞行员工作负荷、航空器性能等限制因素，以单个航空器作为研究对象，建立改航路径规划的数学模型；

步骤3，动态规划改航路径

针对雷暴不断运动、变化的特点，结合改航策略模型、雷暴区域水平影响范围以及高度影响范围，实时为航空器规划改航路径。

本发明提供的方法的有益效果在于：首先通过气象雷达获取相关气象数据，划设出不同危险等级的雷暴区域，确定每个等级雷暴区域的位置以及影响范围，该方法不同于传统的划设单一危险天气区域的方法，本发明对不同等级的雷暴区域进行划设，同时确定雷暴的高度变化范围；其次根据雷暴区域危险等级，以改航路径最短，平均改航路径危险等级最小为优化目标建立航空器改航路径规划模型；最后结合动态改航路径规划方法，实时为航空器规划一条避让雷暴危险区域的安全飞行路径，该方法与传统动态改航路径规划方法的不同之处在于，考虑雷暴水平影响范围的同时，还考虑了雷暴高度变化范围对改航路径规划的影响。因此，本发明能实现在危险气象条件下为航空器自动规划一条安全的飞行路径，有效地降低航空管制人员的工作负荷，保证航空器在危险天气下的安全飞行，提高空域资源利用率，有效地减少危险天气下的航班延误。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法整体流程图

图2是本发明提供的一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法的雷暴区域划设流程图

图3是本发明提供的一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法的动态改航路径规划流程图

图4是本发明提供的一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法中所述的雷暴等级圈示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

结合图1、图2、图3，本发明提出的一种基于气象雷达数据的危险气象条件下的航空器改航方法，具体包括以下步骤：

步骤1，化设雷暴区域

根据气象雷达提供的雷达回波图片，采用图像处理技术分离出不同等级的雷暴区域，同时结合气象雷达提供的回波顶高以及回波底高图片，获取每个雷暴区域的高度变化范围，并将不同等级的雷暴区域显示在空图上；具体为：

步骤101，对雷达回波图进行处理，获得每个回波等级的RGB颜色值，并根据雷暴等级，获取每个等级雷暴像素点的位置；

步骤102，对回波顶高、回波底高图进行处理，获得每个高度的RGB颜色值，并根据步骤101中得到的雷暴像素点位置，在回波顶高图和回波底高图中获取相应的回波顶高、回波底高数据；

步骤103，保存回波反射率大于等于指定雷暴等级的像素点以及该像素点对应的坐标，形成一张该等级雷暴区域的图片；

步骤104，对步骤103得到的某一等级的雷暴区域图片，采用图像处理技术，获取该雷暴区域的多边形轮廓；

步骤105，根据气象雷达所在位置的经纬度坐标、图片的分辨率以及雷暴区域在图片上的位置坐标，计算不同等级雷暴区域像素点对应的经纬度坐标；

步骤106，根据雷暴区域的经纬度坐标，将不同等级雷暴区域轮廓用不同颜色绘制到空图上，形成雷暴等级圈。

雷暴区域根据气象雷达的回波等级信息划分为0-6个等级，如下表所示：

表1雷暴区域等级划分

步骤2，改航策略建模

根据步骤1划设的雷暴区域，结合对应的雷暴危险等级，充分考虑飞行员工作负荷、航空器性能等限制因素，以单个航空器作为研究对象，以改航路径最短，平均改航路径危险等级最小为优化目标建立改航路径规划的数学模型；

目标函数：

Dis表示改航路径长度，其中p₀、p_NT+1为改航起始点与结束点，p_i为改航过程中的转弯点，N_T为转弯点个数，l_d(p_i,p_i+1)表示航段p_i-p_i+1的航程；Safe表示改航路径的平均危险等级，等于每段改航路径所经雷暴区域的危险等级之和。其中echo为雷暴区域的危险等级，d_echo(p_i,p_i+1)为该等级的雷暴区域影响(p_i,p_i+1)段改航路径的航段长度。

约束条件：

echo＜3(1)

$l_d(p_i,p_{i+1})\ge l_{d}min,\forall i=0,...,N_T---\left(2\right)$

${\theta }_{p_i}\le {\theta }_{max},\forall i=1,...,N_T---\left(3\right)$

式(1)表示出于安全考虑，改航路径不允许经过危险等级大于3的雷暴区域；式(2)表示为了保障航空器顺利完成转弯，其航段长度应大于等于最短航段长度，其中l_dmin表示最短航段长度；式(3)表示结合航空器性能以及飞行员操纵水平，航空器的转弯角度应小于等于允许的最大转弯角度，其中θ_pi表示改航路径的转弯角度，θ_max表示允许的最大转弯角度。

步骤3，动态规划改航路径

针对雷暴不断运动、变化的特点，结合改航策略模型、雷暴区域水平影响范围以及高度影响范围，实时为航空器规划改航路径。具体为：

步骤301，根据航空器巡航速度、气象雷达更新时间，判断航空器在该时间片飞行时是否受到雷暴影响，若有影响，则转至步骤302，否则结束；

步骤302，设置当前时间片i＝1；

步骤303，根据第i个时间片对应的危险天气区域(雷暴危险等级大于3的区域)位置、水平影响范围，结合航空器计划飞行路径的经纬度信息，判断航空器在二维空间是否受到该雷暴区域遮挡，若遮挡，则转至步骤304，否则转至步骤307；

步骤304，根据航空器飞行高度与该时间片对应的危险天气区域的高度变化范围，判断航空器是否在该高度范围内飞行，是则转至步骤305，否则转至步骤307；

步骤305，对于需要改航的航空器，确定改航起始点与结束点，利用改航策略模型规划一条改航路径；

步骤306，根据改航路径航程、航空器巡航速度以及气象雷达更新时间，计算改航路径需要飞行的时间片个数n；

步骤307，i＝i+1；

步骤308，预测航空器沿改航路径飞行一个时间片后的位置，设置该位置为P，根据第i个时间片对应的危险天气区域的位置、水平范围，结合航空器计划飞行路径的经纬度信息，判断航空器从P点到改航结束点的改航路径是否受到雷暴遮挡，若遮挡，则转至步骤309，否则转至步骤307；

步骤309，根据航空器飞行高度，该时间片对应的危险天气区域的高度变化范围，判断航空器是否在该高度范围内飞行，是则转至步骤310，否则转至步骤307；

步骤310，以P为改航起始点，改航结束点不变，重新进行改航路径规划；

步骤311，若i＝n，动态改航路径规划结束，否则转至步骤307。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。