Галаева Ксения Игоревна. Метод и алгоритмы оценки опасных ветровых метеоявлений в секторах взлёта и посадки воздушных судов

Краткое описание

Галаева Ксения Игоревна. Метод и алгоритмы оценки опасных ветровых метеоявлений в секторах взлёта и посадки воздушных судов;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет гражданской авиации»], 2023

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский государственный технический университет гражданской
авиации» (МГТУ Г А)
На правах рукописи
ГАЛАЕВА
Ксения Игоревна
МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ОПАСНЫХ ВЕТРОВЫХ МЕТЕОЯВЛЕНИЙ В СЕКТОРАХ ВЗЛЁТА И ПОСАДКИ ВОЗДУШНЫХ
СУДОВ
2.9.6 «Аэронавигация и эксплуатация авиационной техники»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
Доктор технических наук, доцент Болелов Эдуард Анатольевич
Москва
2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Обозначения и сокращения 5
Введение 7
1. Обоснование необходимости повышения точности оценки 17 ветровых характеристик в секторах взлета и посадки воздушных судов
1.1 Анализ влияния метеообстановки и ветровых характеристик 22 метеоявлений на безопасность полётов в районе аэродрома
1.2 Анализ возможностей современных средств и систем анализа 25 метеообстановки в районе аэродрома
1.3 Обоснование приоритетных путей повышения точности оценки 50 опасных ветровых метеоявлений в секторах взлета и посадки в районе аэродрома
1.4 Постановка задачи 5 6
Выводы по 1 главе 58
2. Разработка технического облика секторного режима и метода 62 оценивания опасных ветровых метеоявлений метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны
2.1 Анализ особенностей функционирования метеорологического 62 радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны в обзорном режиме
2.2 Разработка технического облика секторного режима работы в 73 метеорологическом радиолокационном комплексе ближней аэродромной зоны
2.3. Разработка метода оценки ветровых параметров и характеристик в 84
метеорологическом радиолокационном комплексе ближней
аэродромной зоны
Выводы по 2 главе 95

3. Разработка алгоритмов оценки опасных ветровых метеоявлений 98 для секторного режима метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны
3.1 Разработка алгоритма оценки удельной скорости диссипации 99 турбулентной энергии и анализ его эффективности
3.2 Разработка алгоритма оценки горизонтального и вертикального 134 сдвигов ветра и анализ его эффективности
Выводы по 3 главе 163
4. Разработка методик валидации метеоданных, рекомендаций по 165 применению алгоритмов оценки опасных ветровых метеоявлений в секторном режиме метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны
4.1. Разработка методик валидации метеорологических 165
радиолокационных данных метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны
4.2. Анализ результатов валидации метеорологических 179
радиолокационных данных метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны, полученных в ходе испытаний
4.3 Разработка практических рекомендаций и концепции применения 187 алгоритмов оценки опасных ветровых метеоявлений в секторном режиме метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны
Выводы по 4 главе 200
Заключение 202
Список использованных источников
Приложения
Приложение А. Основные технические характеристики существующих наземных метеорологических радиолокационных станций Х-диапазона отечественного и иностранного производства Приложение Б. Базы статистических данных для сравнения ветровых характеристик по данным МРЛК БАЗ и априорно достоверных (эталонных) метеорологических источников Приложение В. Расчёт точности определения сдвигов ветра

Список литературы

Заключение
В диссертационной работе представлено решение актуальной, имеющей важное значение для воздушного транспорта Российской Федерации, научно¬технической задачи разработки метода и алгоритмов оценивания опасных ветровых метеоявлений в наземных метеорологических радиолокационных комплексах ближней аэродромной зоны.
Решение научно-технической задачи опиралось на проведенный и представленный в работе анализ метеоугроз и состояния метеообеспечения полетов воздушных судов в районе аэродрома, позволивший выявить:
- противоречие практического характера между отсутствием в отечественных разработках наземных метеорологических радиолокаторов ближней зоны аэродрома секторного режима работы с оценкой опасных ветровых метеоявлений в секторах взлёта и посадки и необходимостью повышения ситуационной осведомлённости диспетчеров управления воздушным движением и экипажей воздушных судов о метеорологической обстановке в районе аэродрома;
- противоречие научного характера между необходимостью повышения точности оценки ветровых метеоявлений в секторах взлёта и посадки воздушных судов, с одной стороны, и отсутствием метода и алгоритмов оценки опасных ветровых метеоявлений в наземных метеорологических радиолокаторах ближней аэродромной зоны, с другой стороны.
В ходе исследований в работе были получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ метеоугроз, влияющих на безопасность полетов в районе аэродрома и проанализирован состав и возможности современных средств метеообеспечения полетов.
2. Обоснован технический облик секторного режима работы МРЛК БАЗ, включающий характеристики и структуру алгоритмического обеспечения секторного режима.
3. Разработан метод и алгоритмы оценки опасных ветровых метеоявлений (горизонтальный и вертикальный сдвиги ветра, турбулентность) для секторного режима работы МРЛК БАЗ.
4. Разработаны методики валидации метеоданных о ветровых метеоявлениях в МРЛК БАЗ применительно к секторному режиму работы.
5. Разработаны рекомендации и основные положения концепции применения алгоритмов оценки опасных ветровых метеоявлений в секторном режиме МРЛК БАЗ в интересах аэронавигационного обеспечения полетов.
На основе полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:
1. Метеоусловия оказывают значительное влияние на безопасность полётов. Более 60% авиационных событий происходят при неблагоприятных метеоусловиях. При этом уровень метеорологического обеспечения на аэродромах гражданской авиации по-прежнему остается низко информативным и не соответствует реальным метеоугрозам. Это особенно актуально для аэродромов класса Д, Е, аэродромных площадок и временных аэродромов, расположенных в отдалённых регионах Российской Федерации.
Установлено, что снизить уровень авиационных происшествий можно за счет повышения ситуационной осведомлённости диспетчеров УВД и экипажей ВС о метеорологической обстановке в районе аэродрома.
2. Проведение наблюдений за явлениями погоды, метеоизмерения на аэродромах осуществляется, как правило, комплексными системами КРАМС-4 и АМИС-РФ и др., в составе которых находятся датчики, определяющие погодные явления и характеристики в точке «in situ». Системы КРАМС-4 и АМИС-РФ сильно ограничены в возможностях определения опасных ветровых метеоявлений на аэродроме. Анализ средств метеообеспечения полетов на аэродромах позволил установить, что для регистрации опасных ветровых метеоявлений, таких как сдвиги ветра, турбулентность требуется компактный, не требующий больших финансовых затрат на установку и наладку метеорологический радиолокатор. Внедрение такого метеорологического радиолокатора позволит повысить уровень безопасности полетов воздушных судов в районе аэродрома при выполнении взлетно-посадочных операций.
3. Существующие метеорологические радиолокаторы, обслуживаемые структурами Росгидромета различны по тактико-техническим характеристикам и частотным диапазонам (Х-, С-, S-диапазоны). Установлено, что на территории РФ в оперативную практику внедрены метеолокаторы:
- технически и морально устаревшие некогерентные радиолокаторы МРЛ-5;
- доплеровские поляризационные радиолокаторы ДМРЛ-С, внедряются в рамках ФЦП с 2008 г. с значительной задержкой ввиду их дороговизны, трудностей на этапах монтажа и эксплуатации.
Кроме этого, ДМРЛ-С не является аэродромным метеолокатором, он не предназначен для работы в зоне ответственности аэродрома и не создан для аэродромных метеорологических органов, обслуживанием ДМРЛ-С занимается структура Росгидромета - Центральная аэрологическая обсерватория. Помимо этого, запланированная сеть метеолокаторов ДМРЛ-С не охватывает аэродромы Дальнего Востока, Крайнего Севера. Несмотря на очевидные перспективы промышленного и социального развития Арктической зоны РФ, судоходства по Северному морскому пути, где наблюдаются полярные мезоциклоны с сильнейшими осадками и ураганными ветрами, в указанном регионе запланирована только одна доплеровская радиолокационная станция ДМРЛ-С.
Таким образом, необходимо создание малогабаритного метеорадиолокатора Х-диапазона, способного автоматически работать вблизи аэродромов в экстремальных погодных условиях.
4. Анализ характеристик отечественных и зарубежных метеорологических радиолокационных станций позволил установить, что специализированный секторный режим, который является важным для предоставления данных о сдвигах ветра и турбулентности, представлен только в трех рассмотренных РЛС, из которых к малогабаритным относится только WR-2100. Вместе с тем, метеорадиолокатор WR-2100 с дальностью действия 50 км не покрывает ближнюю зону аэродрома, что делает его практическое использование на аэродромах и аэродромных площадках проблематичным.
Отечественные разработки малогабаритных метеолокаторов с секторным режимом работы отсутствуют. В работе показано, что актуальной является разработка малогабаритного, в перспективе мобильного, метеорадиолокатора ближней зоны аэродрома с секторным режимом работы, обеспечивающим регистрацию опасных ветровых метеоявлений в секторах взлета и посадки воздушных судов.
5. Обработка данных в секторном режиме разделяется на ряд последовательно выполняемых процедур первичной и вторичной обработки информации.
На уровне первичной обработки информации выполняются: импульсно¬доплеровская обработка, измерение мощности шума, обнаружение метеоцелей, измерение радиальной скорости и радиолокационной отражаемости, расчёт интенсивности осадков, измерение параметров турбулентности, оценка скорости ветра.
Вторичная обработка базовых параметров в элементах разрешения по пространству строится на основе первичных данных и обеспечивает: построение карт метеоданных, ГПВ, ГСВ, ВСВ и турбулентностей.
Обоснованы основные параметры МРЛК БАЗ в секторном режиме, обеспечивающие стабильность показателей качества изделия в условиях эксплуатации: ширина диаграммы направленности антенны на прием и передачу: по азимуту и углу места не более 3.3 градуса, уровень боковых лепестков излучения решётки волноводно-щелевой не более минус 25 дБ, точность позиционирования по азимуту не хуже 1°.
Разработанный и обоснованный технический облик МРЛК БАЗ, включающий в себя структуру обработки информации и характеристики секторного режима, являются основой для разработки метода и алгоритма оценки опасных ветровых метеоявлений.
6. Разработан метод оценки опасных ветровых явлений (сдвиги ветра, турбулентность), заключающийся в следующем: в ходе первичной обработки информации в метеорологическом радиолокаторе ближней аэродромной зоны формируются измеренные значения радиальной скорости и ширины спектра радиальных скоростей в каналах дальности. Эти данные являются начальными для формирования данных об удельной скорости диссипации турбулентной энергии, сдвигов ветра: горизонтального и вертикального. Далее на следующем этапе обработки информации осуществляется градация степеней опасности в соответствии с требованиями ИКАО, от слабой степени до чрезвычайной (в случае турбулентности) и от слабой до очень сильной - опасной (в случае сдвигов ветра).
7. Разработаны алгоритмы оценки ветровых метеоявлений для секторов взлета и посадки воздушных судов, позволяющие обеспечить высокую ситуационную осведомленность о метеообстановке на в ближней зоне аэродрома.
В алгоритмическом обеспечении МРЛК БАЗ используется алгоритм радиальной скорости VVP, более приближенный к реальным атмосферным условиям по сравнению с другим существующим алгоритмом VAD, предполагающий наличие горизонтальной однородности поля ветра. Оценка радиальной скорости по алгоритму VVP осуществляется в трёхмерном объёме.
Для оценки турбулентности в облачности в МРЛК БАЗ используется параметр EDR согласно требованиям ИКАО. Входными данными для алгоритма определения EDR являются количество каналов дальности, количество угловых и азимутальных углов, декартовы координаты точек области анализа, значения V и W. Блок-схема алгоритма определения EDR состоит из нескольких составных блоков:
- «Определение количества, начальных элементов и длин серий» формирует из входного массива оценок радиальных скоростей непересекающиеся множества серии;
- «Оценка среднего и дисперсии» возвращает максимально правдоподобные оценки математического ожидания и дисперсии значений радиальной скорости для каждой серии;
- «Оценка интегрального масштаба» возвращает значение интегрального масштаба турбулентных пульсаций скорости ветра.
Выходные массивы алгоритма представляют собой оценки EDR в каналах дальности.
Для оценки сдвигов ветра определяются ГСВ, ВСВ. Для оценки сдвигов ветра требуется оценить характеристики поля скорости ветра в относительно небольшой области (объеме) пространства, что представляется возможным при сканировании главного луча диаграммы направленности МРЛК БАЗ.
Входными данными для алгоритма определения сдвигов ветра являются количество каналов дальности, количество угловых и азимутальных углов, декартовы координаты точек области анализа, значения V и W.
При выполнении алгоритма выполняются следующие блоки:
- «Инициализация»: задаются начальные значения счётчиков метеоцелей, имеющих различные дальности и азимутальные углы;
- «Формирование матрицы коэффициентов и вектора правой части системы линейных алгебраических уравнений»: по мере формирования оценок радиальных скоростей для различных угловых положений антенны при сканировании выполняются вложенные циклы для определения количества метеоцелей;
- «Решение системы линейных алгебраических уравнений»;
- «Формирование выходных данных оценок горизонтального и вертикального сдвигов ветра».
8. Разработанные методики валидации для сопоставления данных об опасных ветровых метеоявлениях содержат правила сравнения по времени, пространству и качеству. Для валидации данных сдвигов ветра, турбулентности к валидации привлекаются данные бортового журнала погоды; для сопоставления вектора смещения облачных образований производится расчёт вектора смещения, осуществляемый по характерным очагам метеорологических явлений; для сопоставления векторного поля скорости - данные радиозонда и AMDAR. В работе приведены формулы статистической обработки накопленной информации: расчет вероятности оправдавшихся и неоправдавшихся случаев, расчет вероятности ложных тревог ГСВ, ВСВ, турбулентности МРЛК БАЗ. В работе приведены таблицы, карты, статистические диаграммы для изучения результатов валидации. Пределы ошибок в оценках скорости и направления ветра, перемещения метеорологических явлений составили не более ±3 м/с и не более ±30°, что удовлетворяет современным требованиям. В ходе сбора статистических данных было выявлено, что выборки оценок ГСВ, ВСВ, EDR являются статистически незначимыми ввиду особенностей сравнения данных по пространству и времени. По этой причине одной из следующих задач стала оценка определения сдвигов ветра и EDR в МРЛК БАЗ.
Приведены оценки для СКО формирования сдвигов ветра. Доказано, что значение дискретности оценки ВСВ составляет 0,5 м/с и соответствует выдвинутым в работе требованиям. В МРЛК БАЗ значение дискретности оценки ГСВ составляет не более 0,2 м/с. и соответствует выдвинутым в работе требованиям. Полученные значения дискретности оценки ГСВ и ВСВ обеспечивают определение уровней градации опасности горизонтального и вертикального сдвига ветра в соответствии с требованиями ИКАО.
Для оценки EDR осуществлено вычисление минимального и максимального значений диапазона оценки EDR. В МРЛК БАЗ диапазоны оценки турбулентности по EDR соответствуют следующим значениям: на дальности до 50 км - от не более 0,1 м2/3/с до не менее 3 м2/3/с; на дальности до 100 км -от не более 0,1 м2/3/с до не менее 3 м2/3/с. Полученные значения EDR полностью покрывают требуемые диапазоны покрытия всех градаций турбулентности согласно требованиям ИКАО.
9. Разработаны практические рекомендации по использованию МРЛК БАЗ, а именно: этапы работы с метеорологическими радиолокационными данными и их графическими представлениями. В работе показано, что определение метеорологических явлений, параметров, характеристик должно быть адаптировано для конкретного региона.
Дальнейшее направление исследований в рамках рассматриваемой научно - технической задачи связано с разработкой методов и алгоритмов обнаружения опасных зон обледенения в секторах взлета и посадки воздушных судов. Кроме этого, для МРЛК БАЗ необходимо разработать и внедрить алгоритмы обнаружение скоплений птиц в секторах взлета и посадки воздушных судов. Полученный в результате метеолокатор будет представлять собой многофункциональный аэродромный радиолокационный комплекс, представляющий достоверную информацию о состоянии воздушного пространства в секторах взлета и посадки воздушных судов