Повышение безопасности воздушного движения на основе совершенствования метеорологического обеспечения полетов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Сокол, Павел Павлович

• Сокол, Павел Павлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сокол, Павел Павлович

Таблица сокращений.

Введение.

Глава 1. Пути повышения уровня метеорологического обеспечения полетов.

1.1 Обеспечение полетов.

1.2 Метеорологическое обеспечение полетов.

1.3 Особенности взаимодействия метеослужб со службами УВД.

1.4 Современные МРЛС.

1.5 Возможности повышения уровня метеорологического обеспечения полетов на основе совершенствования алгоритмов функционирования МРЛС.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Математические модели структуры осадков.

2.1 Пространственная структура осадков в виде дождя.

2.2 Пространственная структура осадков в виде снега и града.

2.3 Модели отражаемости радиоволн от различных видов осадков.

2.4 Спектры доплеровских частот отраженных радиосигналов.

2.5 Поляризационное разнесение как метод анализа микроструктуры гидрометеоров. слоем.1U

4.5 Примеры реализации алгоритмов анализа тонкой структуры гидрометеоров.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение безопасности воздушного движения на основе совершенствования метеорологического обеспечения полетов»

Современный этап развития мировой гражданской авиации характеризуется увеличением интенсивности воздушного движения, причем эти тенденции носят нарастающий характер. Отсюда постоянно повышаются требования к обеспечению безопасности полетов (БП). Поддержание заданного уровня БП, определенного документами Международной Организации ГА (ИКАО), зависит от очень многих факторов, среди которых одним из главенствующих является фактор метеорологических условий во время выполнения полета воздушного судна (ВС). Неблагоприятные метеорологические условия вызывают, прежде всего, задержку рейсов, т.е. приводят к снижению регулярности полетов и в то же время неблагоприятные метеорологические условия полета в значительной мере влияют на безопасность полетов. Именно метеорологические условия в основном и создают понятие "полеты в особых условиях", к которым относятся:

- Полеты в зонах обледенения, грозовой деятельности и сильных ливневых осадков, сильной болтанки, повышенной электрической активности атмосферы, сдвига ветра, пыльной бури.

При возникновении в полете признаков приближения к зоне опасных метеорологических явлений или получении соответствующей информации командир ВС обязан принять меры для обхода опасной зоны, если полет в ожидаемых условиях не разрешен Руководством по летной эксплуатации. При наличии, например, в районе аэродрома вылета мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности, экипаж обязан оценить возможность взлета и определить порядок обхода мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности, и зон сильных ливневых осадков. Другими словами, нужна высокая точность получения метеоданных для принятия соответствующих решений, как командиром ВС, так и диспетчером УВД.

Кроме вышесказанного, метеорологические условия могут приводить к "особым случаям" в полете, к которым относят возникновение следующих метеоявлений:

На аэродроме вылета и посадки — гроза, град, сильная болтанка, сильный сдвиг ветра, гололед, сильное обледенение, смерч, ураган, сильная пыльная буря, сильные ливневые осадки; По маршруту полета — гроза, град, сильное обледенение, сильная болтанка.

При встрече с опасными метеоявлениями по маршруту полета, командир ВС обязан принять меры для их обхода. При невозможности их обхода путем изменения маршрута или высоты полета, экипаж обязан возвратиться на аэродром вылета или произвести посадку на ближайшем запасном аэродроме.

Все это говорит о том, что к метеоинформации, получаемой экипажем ВС или диспетчером УВД, предъявляются очень высокие требования по точности оценки сложившейся ситуации. Данную оценку на борту ВС получают от бортовой метеорадиолокационной станции, а на земле от авиационных метеостанций (АМС). Следовательно, эти устройства должны обеспечивать своевременное и точное определение сложившейся во время полета метеообстановки.

Неправильная оценка метеообстановки может привести либо к изменению маршрута или к вынужденному прекращению полета, хотя в этом может не быть необходимости. В наиболее тяжелых случаях неправильная оценка метеоусловий полета может привести к авиакатастрофе.

Отсюда очевидно вытекает актуальность научно-практической задачи обеспечения максимальной достоверности и оперативности получаемой от радиолокационных средств метеоинформации. Именно эти вопросы рассматриваются в предлагаемой работе.

Целью диссертационной работы является разработка методов детализации получаемой метеоинформации от авиационных радиолокационных средств для повышения ее достоверности и оперативности и для обеспечения заданного уровня безопасности полетов в АС УВД.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализ возможных путей совершенствования метеорологического обеспечения полетов на основе применения новых алгоритмов обработки метеорологической информации в метеорологических РЛС (МРЛС), входящих в состав АС УВД.

2. Определение наиболее адекватных математических моделей структуры выпадающих осадков и моделей отражаемости радиоволн от них для повышения достоверности метеорологической информации, циркулирующей в АС УВД.

3. Построение статистических моделей отражаемости радиоволн с учетом микроструктуры гидрометеоров в разных стадиях их существования для формирования прогноза изменения метеообстановки на трассе полета ВС.

4. Разработка алгоритмов обработки метеорологической информации для анализа тонкой структуры метеообразований на основе учета поляризационно-доплеровских параметров МРЛС.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Показана возможность повышения уровня метеорологического обеспечения полетов в АС УВД на основе поляризационно-доплеровской обработки метеорологической информации от МРЛС, входящих в состав АС УВД.

2. Предложены математические модели структуры осадков и отражаемости радиоволн от них для повышения достоверности метеорологической информации, циркулирующей в АС УВД.

3. Обоснованы статистические модели отражаемости радиоволн от гидрометеоров в разных стадиях их существования для формирования прогноза изменения метеообстановки на трассе полета ВС.

4. Разработаны алгоритмы обработки метеорологической информации для анализа тонкой структуры метеообразований на основе учета поляризационно-доплеровских параметров МРЛС.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Повысить уровень метеорологического обеспечения полетов в АС УВД, т.е. повысить безопасность полетов на основе учета тонкой структуры метеообразований.

2. Использовать поляризационно-доплеровские алгоритмы обработки метеорологической информации, существенно повышающих достоверность оценки степени опасности метеообразований при выполнении полетов ВС.

3. Оценивать различные стадии перехода гидрометеоров из одного состояния в другое, например, процесс таяния и т.д. для формирования прогноза изменения метеообстановки в зоне ответственности данной АС УВД.

На защиту выносятся методы повышения метеорологического обеспечения полетов в АС УВД на основе применения поляризационно-доплеровской обработки поступающей метеорологической информации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной НТК "Гражданская авиация на современном этапе науки, техники и общества" (2008 г.) и на межкафедральных семинарах в МГТУ ГА (2007-2009 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для опубликования основных научных результатов диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из Введения, четырех разделов, Заключения и списка цитируемой литературы, насчитывающего 61 наименование. Общий объем диссертации составляет 142 стр., включает 71 рис. и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Сокол, Павел Павлович

Основные результаты четвертой главы следующие:

1. Проанализировано использование комбинации параметров Z/„ Zdr и Wd для нахождения трех параметров гамма-распределения, которое описывает стохастичность размеров падающих частиц.

2. Предложены модели для описания отражения радиоволн от дождя разной интенсивности и проведено сравнение результатов, полученных в рамках использования предложенных моделей с результатами измерений.

3. Предложены модели для описания обратного рассеивания радиоволн от тающего слоя и проведено сравнение результатов, полученных в рамках использования предложенных моделей с результатами измерений.

4. Даны примеры реализации алгоритмов анализа тонкой структуры гидрометеоров.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Комбинация поляризационно-доплеровских параметров Zh, Zdr и Wd могут быть использованы для вычисления всех трех параметров гамма-распределения размеров выпадающих частиц, т.е. /I, No и Do- Использование комбинации поляризационных параметров Zjr и Ldr позволяет уточнить значение параметра Wd, если возникает явление турбулентности.

2. Определено, что No и D0 не связаны между собой, но каждый из этих параметров сильно связан (в статистическом смысле) с параметром ц.

3. Комбинация измеренных соотношений между параметрами распределения размеров выпадающих частиц приводит к соотношению Z-R, которое отличается от общепринятого соотношения Маршалла-Палмера. В то же время сравнение полученных данных с реальными измерениями датчика дождя показало, что точность получаемой МРЛС информации об интенсивности дождя повышается несущественно при учете параметра ц.

4. Поляризационно-доплеровские измерения позволяют детально исследовать метеорологические процессы на уровне таяния. Радиолокационная отражаемость на уровне таяния увеличивается, а потом уменьшается по мере изменения размеров выпадающих частиц, их концентрации и диэлектрической постоянной.

5. Для дождя с низкой интенсивностью максимум Zdr может быть высоким и находиться в верхней половине уровня таяния, для умеренного дождя максимум Zdr располагается в нижней части уровня таяния и имеет небольшие значения. При этом в процессе таяния Zdr остается постоянным (для данного дождя), в то время, как параметр Ldr увеличивается в процессе таяния.

6. Корреляционные коэффициенты радиолокационных наблюдений изменяются в процессе таяния, так например, Zh отрицательно коррелирован с Ldr и Zdr в верхней половине уровня таяния и становится положительно коррелированным в нижней части. Эти корреляционные коэффициенты могут быть использованы для моделирования формы сухих снежинок, имеющих приплюснутую форму, которые становятся менее приплюснутыми с увеличением размера частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью работы являлась разработка методов детализации получаемой метеоинформации от авиационных радиолокационных средств для повышения ее достоверности и для обеспечения заданного уровня безопасности полетов в АС УВД.

Для достижения поставленной цели были проанализированы возможные пути совершенствования метеорологического обеспечения полетов ВС на основе применения новых алгоритмов обработки метеорологической информации в МРЛС, входящих в состав АС УВД.

Это потребовало определения наиболее адекватных математических моделей структуры выпадающих осадков и моделей отражаемости радиоволн от них для повышения достоверности метеорологической информации, циркулирующей в АС УВД. В свою очередь это позволило оценивать тонкую структуру гидрометеообразований, что требуют нормативные документы ИКАО, касающиеся метеорологического обеспечения полетов. Предложенные модели были реализованы путем моделирования на ЭВМ и полученные результаты сравнивались с данными экспериментальных исследований. Указанное сравнение показало их удовлетворительное согласие, т.е. в рамках предложенных моделей можно определять форму, размеры, ориентацию, скорость падения и другие характеристики гидрометеоров, что и составляет понятие "тонкая структура метеообразований".

В то же время были построены статистические модели отражаемости радиоволн с учетом микроструктуры гидрометеоров в разных стадиях их существования, что позволяет формировать прогноз изменения состояния метеообстановки на маршруте следования ВС и в аэропортах взлета и посадки. Данные модели также были промоделированы на ЭВМ и сравнивались с экспериментальными данными, которые показали их удовлетворительное согласие.

На основе всей полученной информации были разработаны алгоритмы обработки метеорологической информации для анализа тонкой структуры метеообразований путем учета поляризационно-доплеровских параметров МРЛС, причем предлагаемые алгоритмы обработки метеоинформации могут быть реализованы в эксплуатируемых МРЛС, так как для этого есть все условия (например, наличие поляризационного разнесения в современных МРЛС).

Сказанное выше свидетельствует о том, что с внедрением предложенных алгоритмов обработки метеоинформации, циркулирующей в АС УВД, появляется возможность более полно выполнить требования ИКАО, которые предъявляются к метеорологическому обеспечению полетов, и тем самым существенно повысить безопасность полетов.

Таким образом, в работе показаны и обоснованы методы детализации получаемой от МРЛС метеоинформации, что влечет за собой повышение уровня метеорологического обеспечения полетов и, соответственно, повышение уровня безопасности полетов. Это являлось целью предлагаемой работы, которую можно считать достигнутой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сокол, Павел Павлович, 2010 год

1. Анодина Т.Г. и др. Автоматизация УВД. М.: Транспорт, 1992

2. Наставление по производству полетов. НЛП ГА-85. -М.: Воздушный транспорт, 1985.

3. Наставление по метеорологическому обеспечению. НМО-95. -М.: Воздушный транспорт, 1995.

4. Руководство по летной эксплуатации. РЛЭ — М.: Воздушный транспорт.

5. Справочник по радиолокации. Пер. с англ. Под общей редакций М. Сколника. T.l -М.: Сов. Радио, 1976.

6. Справочник по радиолокации. Пер. с англ. Под общей редакций М. Сколника. Т.2 М.: Сов. Радио, 1977.

7. Справочник по радиолокации. Пер. с англ. Под общей редакций М. Сколника. Т.З — М.: Сов. Радио, 1978.

8. Справочник по радиолокации. Пер. с англ. Под общей редакций М. Сколника. Т.4 — М.: Сов. Радио, 1979.

9. Автоматизированные системы УВД. Под ред. С.Г. Пятко, А.И. Красова, СПб:,2004

10. Козлов А.И. и др. Поляризация радиоволн. Т. 1. М.: Радиотехника, 2005.

11. Козлов А.И. и др. Поляризация радиоволн. Т. 2. М.: Радиотехника, 2007.

12. Козлов А.И. и др. Поляризация радиоволн. Т. 3. М.: Радиотехника, 2008.

13. Богородский В.В. и др. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

14. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. -М.: Наука, 1983.

15. Шалыгин А.С., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. — Л.: Машиностроение, 1986.

16. Андреев Г.Н., Егоров Н.С. Радиооборудование летательных аппаратов. М.: РИО МИИГА, 1986.

17. Астанин Л.Ю. (ред.) Тематический выпуск "Методы и средства высокоинформативных радиолокационных измерений". Зарубежная радиоэлектроника, 1991, N 1-2.

18. Леонов А.И. (ред.) Моделирование в радиолокации. М.: Сов. Радио, 1988.

19. Логвин А.И., Епифанцева Д.А. Автоматизированные системы УВД. М.: РИО МГТУ ГА, 2009.

20. Сакач Р.В., Зубков Б.В. и др. Безопасность полетов. М.: Транспорт, 1989.

21. Зубков Б.В. и др. Безопасность полетов. В 3-х томах. М.: РИО МГТУ ГА, 2006.

22. Руководство по производству наблюдений и применению информации с MP Л. М.: Воздушный транспорт, 1995.

23. АС УВД. Справочник. Под ред. В.И. Савицкого. М.: Транспорт, 1988.

24. Правила полетов и обслуживания воздушного движения. Дос. 4444. Изд 13., ИКАО, 1996.

25. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства УВД. М.: Транспорт, 1994.

26. Федеральные правила использования воздушного пространства РФ. Пост. Правительства РФ № 1084 от 22.09.1999.

27. Радиолокационное оборудование АС УВД. Под ред. А. А. Кузнецова. М.: Транспорт, 1995.

28. Авиационная радиолокация. Справочник. Под ред. П. С. Давыдова. -М.: Транспорт, 1984.

29. Акиншин Н.С. и др. Поляризационная селекция и распознавание радиолокационных сигналов. Тула: Лидар, 2000.

30. Сокол П.П. Повышение точности определения интенсивности дождя метеорадиолокатором. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010, стр. 63-67.

31. Сокол П.П. Модели отражаемости радиолокационных сигналов от различных форм единичных гидрометеоров. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010, стр. 68-71.

32. Сокол П.П. Моделирование процесса таяния осадков при радиолокационном наблюдении в системах УВД. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010, стр. 187-191.

33. Сокол П.П., Логвин А.И. Определение тонкой структуры гидрометеоров с помощью метеорологических РЛС. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010, стр. 192-196.

34. Сокол П.П., Логвин А.И. Возможности повышения уровня метеорологического обеспечения полетов на основе совершенствования алгоритмов функционирования МРЛС. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010, стр. 204-205.

35. Атлас. Д. Успехи радарной метеорологии. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

36. Радиметеорология (сист. выпуск). Под ред. Ю.А. Мельника. -Зарубежная радиоэлектроника, 1993, № 4.

37. Афраймович Э.Л. и др. Спектрально-поляризационный метод анализа интерференционной картины радиосигналов. Радиофизика, 1998, №6.

38. Селекция и распознавание на основе локационной информации. По ред. А.Л. Горелика. М.: Радио и связь, 1990.

39. Яновский Ф.И., Панин В.А. Применение антенны с управляемой поляризацией для обнаружения зон града и обледенения. -Радиоэлектроника, 1996 № 4.

40. Яновский Ф.И., Браун И.М. Экспериментальные исследования поляризационных характеристик облаков и осадков. Доклады Сибирского поляризационного семинара " СибПол-2004", Томск, 2004.

41. Marchuk V.V. and other. Methods of Turbulence Detection by Analyzing Precipitation Behavior. Proc. IEEE in Radar Symposium, Krakow, Poland, 2006.

42. Огути Т. Распространение и рассеяние электромагнитных волн в дожде и других гидрометеорах. ТИИЭР, 1983, т. 71, № 9.

43. Рыжков А.В. Поляризационные методы в метеорологической радиолокации. — Зарубежная радиоэлектроника, 1993, № 4.142 е/

44. Старых А.В. Информативность радиополяриметрических измерений характеристик объектов. Научный вестник МГТУ ГА, № 61, 2003.

45. Степаненко В.Д. и др. Радиотеплолокация в метеорологии. — Д.: Гидрометеоиздат, 1987.

46. Шупяцкий А.Б. Радиолокационное рассеяние несферическими частицами. Тр. ЦАО, 1959, вып. 30.

47. Agraval A., Boerner W. Description of a Monostatic Radar Model for Fluctuating Distributed scatterers with Applications to Rain Backscatter. Direct and inverse methods in radar polarimetry. NATO ASI Series. Vol. 350, Part 2, Holland, 1992.

48. Beasly E. Effect of Surface Reflection on Rain Cancelation in Radar Using Circular Polarization. PEEE, 1966, Vol. 54, № 12.

49. Lowama A. and others. Microwave Propagation Through Mixed Ensemble of Hydrometeors Effect of Backscattering. 35-th European Microwave Conference. Paris, 2005.

50. Stapor D. and others. Generalized Analysis of Dual polarization Radar Measurements of Rain. Radio Science, 1984, Vol. 19, № 1.

51. Zrnic D.S., Doviak RJ. Doppler radar and weather observations. N.Y. Academic Press, 1984.

52. Diagnostic of the Environment Using Polarimetric Radar Modeling. IRCTR-S-008-96, Delft, Netherlands, 1996.

53. Reflection of Electromagnetic Waves from Non-uniform Layered Structures. IRCTR-S-010-96, Delft, Netherlands, 1996.

54. Mathematical Modeling for Randomly Non-homogeneous Media. IRCTR-S-011-96, Delft, Netherlands, 1996.

55. Classification of Radar objects. IRCTR-S-008-97, Delft, Netherlands, 1997.

56. Description of Direct and Interfering Electromagnetic Waves in Scattering Problems. IRCTR-S-009-99, Delft, Netherlands, 1999.

57. Measurement Campaigns Using Coherent Radar with Controlled Polarization Capabilities. IRCTR-S-038-00, Delft, Netherlands, 2000.

58. Data Processing and Data Analysis of Experiments. IRCTR-S-016-01, Delft, Netherlands, 2001.

59. Comparisons Between Theory and Experiment. IRCTR-S-031-01, Delft, Netherlands, 2001.

60. Refinement of Theory and Experiment. IRCTR-S-035-01, Delft, Netherlands, 2001.