一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法技術

本發明專利技術公開了一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，首先通過氣象雷達獲取相關氣象數據，劃設出不同危險等級的雷暴區域，確定每個等級雷暴區域的位置以及影響范圍；其次根據雷暴區域危險等級，建立航空器改航路徑規劃模型；最后結合動態改航路徑規劃方法，實時為航空器規劃一條避讓雷暴危險區域的安全飛行路徑，實現危險天氣下的航空器改航，本發明專利技術能實現在危險氣象條件下為航空器自動規劃一條安全的飛行路徑，有效地降低航空管制人員的工作負荷，保證航空器在危險天氣下的安全飛行。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及航空管制領域專項
，具體涉及一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法。
技術介紹
隨著我國民航運輸業的快速發展，大量航班延誤隨之而來，其中危險天氣已經成為影響我國航班延誤的一個重要因素，因此如何減少危險天氣下的航班延誤現象、提高空域資源的利用率、確保航空器安全飛行，已經成為急需我們解決的問題。在民用航空系統中，危險天氣是指對航空器飛行安全有影響的天氣現象，主要為：雷暴、湍流、風切變、視程障礙和大風等，根據歷史民航氣象飛行事故統計數據來看，有47％的飛行事故由雷暴導致，因此本專利技術建立在對雷暴分析的基礎上進行改航研究，后續提到的危險天氣均指代雷暴。危險天氣下的航空器改航是指在危險天氣影響航空器計劃航線的情況下，為航空器安排一條安全、經濟的臨時航線來避讓危險天氣。目前，危險天氣下的改航研究多采用假設的天氣數據，沒有很好的與我國氣象系統相結合。本專利技術聚焦于危險天氣下的航空器改航技術，結合氣象雷達提供的數據，為航空器在雷暴氣象條件下規劃一條安全的飛行路徑。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術提供一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，在雷暴氣象條件下，結合氣象系統為航空器規劃一條安全的飛行路徑，減少危險天氣下的航班延誤現象、提高空域資源的利用率、確保航空器安全飛行。所采用的技術方案是：一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，包括以下步驟：步驟1，化設雷暴區域根據氣象雷達提供的雷達回波圖片，采用圖像處理技術分離出不同等級的雷暴區域，同時結合氣象雷達提供的回波頂高以及回波底高圖片，獲取每個雷暴區域的高度變化范圍，并將不同等級的雷暴區域顯示在空圖上；步驟2，改航策略建模根據步驟1劃設的雷暴區域，結合對應的雷暴危險等級，充分考慮飛行員工作負荷、航空器性能等限制因素，以單個航空器作為研究對象，建立改航路徑規劃的數學模型；步驟3，動態規劃改航路徑針對雷暴不斷運動、變化的特點，結合改航策略模型、雷暴區域水平影響范圍以及高度影響范圍，實時為航空器規劃改航路徑。本專利技術提供的方法的有益效果在于：首先通過氣象雷達獲取相關氣象數據，劃設出不同危險等級的雷暴區域，確定每個等級雷暴區域的位置以及影響范圍，該方法不同于傳統的劃設單一危險天氣區域的方法，本專利技術對不同等級的雷暴區域進行劃設，同時確定雷暴的高度變化范圍；其次根據雷暴區域危險等級，以改航路徑最短，平均改航路徑危險等級最小為優化目標建立航空器改航路徑規劃模型；最后結合動態改航路徑規劃方法，實時為航空器規劃一條避讓雷暴危險區域的安全飛行路徑，該方法與傳統動態改航路徑規劃方法的不同之處在于，考慮雷暴水平影響范圍的同時，還考慮了雷暴高度變化范圍對改航路徑規劃的影響。因此，本專利技術能實現在危險氣象條件下為航空器自動規劃一條安全的飛行路徑，有效地降低航空管制人員的工作負荷，保證航空器在危險天氣下的安全飛行，提高空域資源利用率，有效地減少危險天氣下的航班延誤。附圖說明圖1是本專利技術提供的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法整體流程圖圖2是本專利技術提供的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法的雷暴區域劃設流程圖圖3是本專利技術提供的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法的動態改航路徑規劃流程圖圖4是本專利技術提供的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法中所述的雷暴等級圈示意圖具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步描述。結合圖1、圖2、圖3，本專利技術提出的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，具體包括以下步驟：步驟1，化設雷暴區域根據氣象雷達提供的雷達回波圖片，采用圖像處理技術分離出不同等級的雷暴區域，同時結合氣象雷達提供的回波頂高以及回波底高圖片，獲取每個雷暴區域的高度變化范圍，并將不同等級的雷暴區域顯示在空圖上；具體為：步驟101，對雷達回波圖進行處理，獲得每個回波等級的RGB顏色值，并根據雷暴等級，獲取每個等級雷暴像素點的位置；步驟102，對回波頂高、回波底高圖進行處理，獲得每個高度的RGB顏色值，并根據步驟101中得到的雷暴像素點位置，在回波頂高圖和回波底高圖中獲取相應的回波頂高、回波底高數據；步驟103，保存回波反射率大于等于指定雷暴等級的像素點以及該像素點對應的坐標，形成一張該等級雷暴區域的圖片；步驟104，對步驟103得到的某一等級的雷暴區域圖片，采用圖像處理技術，獲取該雷暴區域的多邊形輪廓；步驟105，根據氣象雷達所在位置的經緯度坐標、圖片的分辨率以及雷暴區域在圖片上的位置坐標，計算不同等級雷暴區域像素點對應的經緯度坐標；步驟106，根據雷暴區域的經緯度坐標，將不同等級雷暴區域輪廓用不同顏色繪制到空圖上，形成雷暴等級圈。雷暴區域根據氣象雷達的回波等級信息劃分為0-6個等級，如下表所示：表1雷暴區域等級劃分步驟2，改航策略建模根據步驟1劃設的雷暴區域，結合對應的雷暴危險等級，充分考慮飛行員工作負荷、航空器性能等限制因素，以單個航空器作為研究對象，以改航路徑最短，平均改航路徑危險等級最小為優化目標建立改航路徑規劃的數學模型；目標函數：minDis=Σi=0NTld(pi,pi+1)minSafe=Σi=0NTΣecho=06echo6×decho(pi,pi+1)]]>Dis表示改航路徑長度，其中p0、pNT+1為改航起始點與結束點，pi為改航過程中的轉彎點，NT為轉彎點個數，ld(pi,pi+1)表示航段pi-pi+1的航程；Safe表示改航路徑的平均危險等級，等于每段改航路徑所經雷暴區域的危險等級之和。其中echo為雷暴區域的危險等級，decho(pi,pi+1)為該等級的雷暴區域影響(pi,pi+1)段改航路徑的航段長度。約束條件：echo＜3(1)ld(pi,pi+1)≥ldmin,∀i=0,...,NT---(2)]]>θpi≤θmax,∀i=1,...,NT---(3)]]>式(1)表示出于安全考慮，改航路徑不允許經過危險等級大于3的雷暴區域；式(2)表示為了保障航空器順利完成轉彎，其航段長度應大于等于最短航段長度，其中ldmin表示最短航段長度；式(3)表示結合航空器性能以及飛行員操縱水平，航空器的轉彎角度應小于等于允許的最大轉彎角度，其中θpi表示改航路徑的轉彎角度，θmax表示允許的最大轉彎角度。步驟3，動態規劃改航路徑針對雷暴不斷運動、變化的特點，結合改航策略模型、雷暴區域水平影響范圍以及高度影響范圍，實時為航空器規劃改航路徑。具體為：步驟301，根據航空器巡航速度、氣象雷達更新時間，判斷航空器在該時間片飛行時是否受到雷暴影響，若有影響，則轉至步驟302，否則結束；步驟302，設置當前時間片i＝1；步驟303，根據第i個時間片對應的危險天氣區域(雷暴危險等級大于3的區域)位置、水平影響范圍，結合航空器計劃飛行路徑的經緯度信息，判斷航空器在二維空間是否受到該雷暴區域遮擋，若遮擋，則轉至步驟304，否則轉至步驟307；步驟304，根據航空器飛行高度與該時間片對應的危險天氣區域的高度變化范圍，判斷航空器是否在本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，其特征在于：具體流程如下：步驟1，化設雷暴區域根據氣象雷達提供的雷達回波圖片，采用圖像處理技術分離出不同等級的雷暴區域，同時結合氣象雷達提供的回波頂高以及回波底高圖片，獲取每個雷暴區域的高度變化范圍，并將不同等級的雷暴區域顯示在空圖上；步驟2，改航策略建模根據步驟1劃設的雷暴區域，結合對應的雷暴危險等級，充分考慮飛行員工作負荷、航空器性能等限制因素，以單個航空器作為研究對象，建立改航路徑規劃的數學模型；步驟3，動態規劃改航路徑針對雷暴不斷運動、變化的特點，結合改航策略模型、雷暴區域水平影響范圍以及高度影響范圍，實時為航空器規劃改航路徑。

【技術特征摘要】
1.一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，其特征在于：具體流程如下：步驟1，化設雷暴區域根據氣象雷達提供的雷達回波圖片，采用圖像處理技術分離出不同等級的雷暴區域，同時結合氣象雷達提供的回波頂高以及回波底高圖片，獲取每個雷暴區域的高度變化范圍，并將不同等級的雷暴區域顯示在空圖上；步驟2，改航策略建模根據步驟1劃設的雷暴區域，結合對應的雷暴危險等級，充分考慮飛行員工作負荷、航空器性能等限制因素，以單個航空器作為研究對象，建立改航路徑規劃的數學模型；步驟3，動態規劃改航路徑針對雷暴不斷運動、變化的特點，結合改航策略模型、雷暴區域水平影響范圍以及高度影響范圍，實時為航空器規劃改航路徑。2.根據權利要求1所述的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，其特征在于：所述雷暴區域根據氣象雷達的回波等級信息劃分為0-6個等級，如下表所示：表1雷暴區域等級劃分。3.根據權利要求2所述的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，其特征在于：所述步驟1具體流程如下：步驟101，對雷達回波圖進行處理，獲得每個回波等級的RGB顏色值，并根據雷暴等級，獲取每個等級雷暴像素點的位置；步驟102，對回波頂高、回波底高圖進行處理，獲得每個高度的RGB顏色值，并根據步驟101中得到的雷暴像素點位置，在回波頂高圖和回波底高圖中獲取相應的回波頂高、回波底高數據；步驟103，保存回波反射率大于等于指定雷暴等級的像素點以及該像素點對應的坐標，形成一張該等級雷暴區域的圖片；步驟104，對步驟103得到的某一等級的雷暴區域圖片，采用圖像處理技術，獲取該雷暴區域的多邊形輪廓；步驟105，根據氣象雷達所在位置的經緯度坐標、圖片的分辨率以及雷暴區域在圖片上的位置坐標，計算不同等級雷暴區域像素點對應的經緯度坐標；步驟106，根據雷暴區域的經緯度坐標，將不同等級雷暴區域輪廓用不同顏色繪制到空圖上，形成雷暴等級圈。4.根據權利要求3所述的一種基于氣象雷達數據的危險氣象條件下的航空器改航方法，其特征在于：所述步驟2具體為：結合雷暴危險等級，以改航路徑最短，平均改航路徑危險等級最小為優化目標建立改航路徑規劃數學模型，模型如下：目標函數：Dis表示改航路徑長度，其中p0、為改航起始點與結束點，pi為改航過程中的轉彎點，NT為轉彎點個數，ld(pi,pi+1)表示航段pi-pi+1的航程；Safe表示改航路徑的平均危險等級，等于每段改航...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣昕，陳龍，陳平，
申請(專利權)人：中國船舶重工集團公司第七零九研究所，
類型：發明
國別省市：湖北;42