RU2755491C1 - Method for detecting icing zones in the take-off and landing sectors of aircraft in a meteorological radar complex - Google Patents

Abstract

FIELD: airport facilities.

SUBSTANCE: invention relates to signal processing methods in meteorological radar complexes (MRC) and can be used to detect icing zones in the take-off and landing sectors of aircraft. The method consists in the fact that with the help of a meteorological radar station of the near airfield zone (MRC NAZ), which is part of the MRC and installed directly at the airfield, in the take-off and landing sector of the aircraft, the atmosphere is scanned in the azimuth and angular planes, the power of the reflected signal is estimated. Then, for each pulse volume, the reflectivity Z* of the atmosphere is calculated, the reflectivity threshold Z_thr is set, corresponding to the meteorological product - weak rain. When the threshold is exceeded, the minimum and maximum ranges with high reflectivity are fixed with the corresponding heights H₁ and H₂. Then, with the help of a thermal profiler, which is part of the MRC, the value of the height of the zero isotherm H_T=0 is measured. After that, when the conditions Z≥Z_thr, Н_cur≥Н_T=0, H₁≤Н_cur≤Н₂ are simultaneously fulfilled (where N_cur is the current value of the aircraft flight altitude in the take-off and landing sector), a decision on the presence of an icing zone is taken, otherwise it is not.

EFFECT: increase in the efficiency of detecting icing zones in the take-off and landing sectors of the aircraft.

1 cl, 2 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к способам обработки сигналов в метеорологических радиолокационных комплексах (МРЛК) и может быть использовано для обнаружения зон вероятного обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов (ЛА).The invention relates to methods for signal processing in meteorological radar systems (MRLK) and can be used to detect areas of probable icing in the sectors of takeoff and landing of aircraft.

Известен способ определения появления гололедно-изморезевых отложений с помощью ледоскопа, состоящего из круглого фанерного диска диаметром 30 см, который можно поднимать и опускать на вертикальной оси, вкопанной в землю, кольца диаметром 20 см, проволки диаметром 0,2-0,3 мм, заключающийся в том, что фанерный диск устанавливается на одном уровне с поверхностью снега для сбора изморози и инея, закрепляют кольцо на стержне на удалении 20 см от верхнего конца стержня для сбора изморози, натягивают проволку между кольцом и верхним концом стержня для наблюдения изморозевых отложений, снимают и взвешивают каждый датчик [1].There is a known method for determining the appearance of ice and sea deposits using an ice scope consisting of a round plywood disk with a diameter of 30 cm, which can be raised and lowered on a vertical axis dug into the ground, rings with a diameter of 20 cm, wires with a diameter of 0.2-0.3 mm, consisting in the fact that the plywood disk is installed flush with the surface of the snow to collect frost and frost, fix the ring on the rod at a distance of 20 cm from the upper end of the rod for collecting frost, pull the wire between the ring and the upper end of the rod to observe the frost deposits, remove and weigh each sensor [1].

Недостатком данного способа является локализация измерений в одной точке, где устанавливается ледоскоп, и отсутствие возможности их пролонгации в пространстве, в том числе в секторах взлета и посадки ЛА.The disadvantage of this method is the localization of measurements at one point, where the ice scope is installed, and the lack of the possibility of their prolongation in space, including in the takeoff and landing sectors of the aircraft.

Известен способ обнаружения в доплеровском метеорологическом радиолокаторе (ДМРЛ-С) зон вероятного обледенения, заключающийся в последовательном азимутальном круговом сканировании атмосферы на нескольких углах места антенны в диапазоне 0-90 градусов, записи данных в каждом наблюдении в выходном «объемном файле», где в сферической системе координат последовательно, для каждого элемента конического сечения сохраняются координаты - дальность, азимут и угол места, а также измеренные характеристики радиоэха, в результате обработки «объемных файлов» строится трехмерная модель облачной атмосферы в полусфере радиолокационного обзора, с помощью которой в соответствии выражением [2]There is a known method of detecting zones of probable icing in a Doppler meteorological radar (DMRL-S), which consists in sequential azimuthal circular scanning of the atmosphere at several antenna elevation angles in the range of 0-90 degrees, recording data in each observation in the output "volume file", where in a spherical the coordinate system sequentially, for each element of the conical section, the coordinates are stored - the range, azimuth and elevation, as well as the measured characteristics of the radio echo; as a result of processing the "volumetric files", a three-dimensional model of the cloudy atmosphere in the hemisphere of the radar survey is built, with the help of which, in accordance with the expression [2 ]

гдеwhere

- отношение мощности принятого сигнала к уровню внутреннего шума приемника ДМРЛ-С;

- the ratio of the received signal power to the internal noise level of the DMRL-S receiver;

П - метеопотенциал ДМРЛ-С;P is the DMRL-S meteorological potential;

θ - ширина луча диаграммы направленности антенны в азимутальной и угломестной плоскостях,θ is the beamwidth of the antenna pattern in the azimuth and elevation planes,

формируются отражаемости атмосферы, представляющие собой набор карт метеорологических характеристик облачности и осадков, по которым оценивается вертикально-интегрированная водность VIL в соответствии с выражением [3]the reflectivity of the atmosphere is formed, which is a set of maps of meteorological characteristics of cloudiness and precipitation, according to which the vertically-integrated water content VIL is estimated in accordance with the expression [3]

гдеwhere

Zi - радиолокационная отражаемость в столбе в i-ом дискрете по высоте;Zi - radar reflectivity in the column in the i-th discrete in height;

Δh - шаг по высоте от i-го до i+1 дискрета высоты,Δh - step in height from i-th to i + 1 discrete height,

устанавливают пороговое значение величины VIL=0,03 кг/м, при превышении текущего значения VIL его порогового значения принимают решение о наличии обледенения по данным водности метеообразования в высотном слое между изотермами 0° и -15°С, при этом температурный профиль - высоты изотерм определяются путем двухкратного в сутки аэрологического зондирования по данным соседних метеостанций [3].set the threshold value of VIL = 0.03 kg / m, when the current value of VIL exceeds its threshold value, a decision is made on the presence of icing according to the water content of meteorological formation in the height layer between the isotherms of 0 ° and -15 ° C, while the temperature profile is the height of the isotherms are determined by twice a day aerological sounding according to the data of neighboring meteorological stations [3].

Недостатком данного способа является низкая эффективность обнаружения зон вероятного обледенения в секторах взлета и посадки ЛА.The disadvantage of this method is the low efficiency of detecting areas of probable icing in the sectors of takeoff and landing of aircraft.

Это обусловлено тем, что, во-первых, ДМРЛ-С, как правило, устанавливаются без привязки к аэродромам, следовательно формируют метеопродукты во всей полусфере без детализации в секторах взлета и посадки ЛА, во-вторых, для определения температурного профиля в районе аэродрома используются недостаточно точные данные аэрологического зондирования атмосферы, которые обновляются только дважды в сутки, при этом аэрологическая станция может находиться на удалении десятков-сотен километров от ДМРЛ-С и аэродрома, в-третьих, вертикально-интегрированная водность (выражение (2)) не описывает водность в каждой точке глиссады или траектории набора или снижения высоты.This is due to the fact that, firstly, DMRL-S, as a rule, are installed without reference to aerodromes, therefore, they form meteorological products in the entire hemisphere without detailing in the aircraft take-off and landing sectors, and secondly, to determine the temperature profile in the aerodrome area, they are used insufficiently accurate data of aerological sounding of the atmosphere, which are updated only twice a day, while the aerological station may be located at a distance of tens to hundreds of kilometers from the DMRL-S and the airfield, thirdly, the vertically integrated water content (expression (2)) does not describe the water content at each point of the glide path or climb or descent trajectory.

Цель изобретения - повысить эффективность обнаружения зон вероятного обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов.The purpose of the invention is to improve the efficiency of detecting areas of probable icing in the sectors of take-off and landing of aircraft.

Для достижения цели с помощью метеорологической радиолокационной станции (МРЛС) ближней аэродромной зоны (БАЗ), входящей в состав метеорологического радиолокационного комплекса (МРЛК) и устанавливаемой непосредственно на аэродроме, в секторе взлета и посадки ЛА осуществляется сканирование атмосферы в азимутальной и угломестной плоскостях, оценивается мощность отраженного сигнала, для каждого импульсного объема вычисляется отражаемость Z атмосферы в соответствии с выражением (1).To achieve the goal, using the meteorological radar station (MRS) of the near aerodrome zone (BAZ), which is part of the meteorological radar complex (MRLK) and installed directly at the aerodrome, the atmosphere is scanned in the azimuth and elevation planes in the aircraft take-off and landing sector, the power is estimated the reflected signal, for each pulse volume, the reflectivity Z of the atmosphere is calculated in accordance with expression (1).

Далее устанавливают порог отражаемости Z_пор, соответствующий метеопродукту - слабый дождь, при превышении которого величиной отражаемости Z в координатах дальность - азимут фиксируются минимальная и максимальная дальности с высокой отражаемостью с соответствующими высотами H₁ и Н₂. С помощью теплового профилемера, входящего в состав МРЛК и установленного в точке установки МРЛС БАЗ, измеряется значение высоты нулевой изотермы Н_T=0. В [4] показано, что температурный профиль, измеренный в точке установки МРЛС БАЗ при отсутствии прохождения атмосферных фронтов (так как фронтальные зоны характеризуются значительными изменениями температуры воздуха до десятков градусов), может быть пролонгирован на дальность до 10 км, что вполне достаточно для этапов взлета и посадки летательных аппаратов. При одновременном выполнении условийNext, the threshold of reflectivity Z_{pores is set} , corresponding to the meteorological product - light rain, when exceeded by the value of reflectivity Z in the coordinates range - azimuth, the minimum and maximum ranges with high reflectivity are fixed with the corresponding heights H₁ and H₂ . With the help of a thermal profiler, which is a part of the MRLK and installed at the point of installation of the MRLS BAZ, the value of the height of the zero isotherm H_{T = 0} is measured. It is shown in [4] that the temperature profile measured at the point of installation of the BAZ MRLS in the absence of the passage of atmospheric fronts (since the frontal zones are characterized by significant changes in air temperature up to tens of degrees) can be prolonged to a distance of up to 10 km, which is quite enough for stages takeoff and landing of aircraft. When conditions are met simultaneously

гдеwhere

Н_тек - текущее значение высоты полета ЛА в секторе взлета и посадки, принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями существует зона вероятного обледенения, в противном случае -при невыполнении хотя бы одного из условий (3), принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями отсутствует зона вероятного обледенения.Н_tech - the current value of the aircraft flight altitude in the take-off and landing sector, make a decision that there is a zone of probable icing at these altitudes with the corresponding ranges, otherwise, if at least one of the conditions (3) is not met, a decision is made that that at these heights with the corresponding ranges there is no zone of probable icing.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются следующие.New features with significant differences are the following.

1. Установка МРЛС БАЗ и теплового профилемера, входящих в состав МРЛК, непосредственно на аэродроме.1. Installation of MRLS BAZ and a thermal profiler, which are part of the MRLK, directly at the airfield.

2. Фиксация минимальной и максимальной дальности с высокой отражаемостью с соответствующими высотами H₁ и Н₂.2. Fixing the minimum and maximum range with high reflectivity with the corresponding heights H₁ and H₂ .

3. Измерение значения высоты нулевой изотермы Н_T=0 с помощью профилемера, установленного в точке установки МРЛС БАЗ.3. Measurement of the value of the height of the zero isotherm Н_{T = 0} using a profiler installed at the point of installation of the BAZ MRLS.

4. На основе анализа выполнений условий (3) принятие решения о существовании или отсутствии зоны вероятного обледенения.4. Based on the analysis of the fulfillment of conditions (3) making a decision on the existence or absence of a zone of probable icing.

Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.These features have significant differences, since they were not found in the known methods.

Применение всех новых признаков позволит с высокой эффективностью обнаружить зоны вероятного обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов.The use of all new features will make it possible with high efficiency to detect areas of probable icing in the take-off and landing sectors of aircraft.

На рисунке 1 приведена блок-схема МРЛК, в состав которого входят МРЛС БАЗ, тепловой профилемер и вычислитель, реализующий предлагаемый способ, на рисунке 2 - эпюры, поясняющие предлагаемый способ на примере захода летательного аппарата на посадку.Figure 1 shows a block diagram of an MRLK, which includes a BAZ MRLS, a thermal profiler and a computer that implements the proposed method, in Figure 2 - diagrams explaining the proposed method using the example of an aircraft landing approach.

Способ обнаружения в метеорологическом радиолокационном комплексе зон обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов осуществляется следующим образом (рисунок 1).The method of detecting icing zones in the take-off and landing sectors of aircraft in the meteorological radar complex is carried out as follows (Figure 1).

МРЛК в составе МРЛС ближней аэродромной зоны, теплового профилемера и вычислителя, устанавливается непосредственно на аэродроме. В секторе взлета и посадки (рисунок 2) осуществляется сканирование атмосферы в азимутальной и угломестной плоскостях. В МРЛС (рисунок 1) оценивается мощность отраженного сигнала и для каждого импульсного объема в вычислителе вычисляется отражаемость Z атмосферы в соответствии с выражением (1).MRLK as part of the MRS of the near airfield zone, a thermal profiler and a computer, is installed directly at the airfield. In the take-off and landing sector (Figure 2), the atmosphere is scanned in the azimuth and elevation planes. In the MRLS (Figure 1), the power of the reflected signal is estimated and for each pulse volume in the calculator, the reflectivity Z of the atmosphere is calculated in accordance with expression (1).

Зона с высокой отражаемостью локализуется в вычислителе в координатах дальность - азимут порогом Z_пор=20 дlBZ (слабый дождь), при превышении которого в вычислителе фиксируются (рисунок 2) минимальная D₁ и максимальная D₂ дальности с высокой отражаемостью с соответствующими высотами H₁ и Н₂.The zone with high reflectivity is localized in the calculator in the coordinates range - azimuth with a threshold Z_pore = 20 dlBZ (light rain), when exceeding which the calculator records (Figure 2) the minimum D₁ and maximum D₂ ranges with high reflectivity with the corresponding heights H₁ and H₂ .

С помощью теплового профилемера измеряется значение высоты нулевой изотермы Н_T=0. В вычислителе (рисунок 1) осуществляется анализ выполнения условий (3). При одновременном выполнении условий (3) принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями существует зона вероятного обледенения, в противном случае - при невыполнении хотя бы одного из условий (3), принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями отсутствует зона вероятного обледенения.Using a thermal profiler, the value of the height of the zero isotherm H_{T = 0} is measured. The calculator (Figure 1) analyzes the fulfillment of conditions (3). If conditions (3) are met simultaneously, a decision is made that there is a zone of probable icing at these heights with the corresponding ranges, there is no zone of probable icing.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит повысить эффективность обнаружения зон вероятного обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов.Thus, the use of the proposed method will improve the efficiency of detecting areas of probable icing in the sectors of take-off and landing of aircraft.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений ВМО №8, 2008 г. Обновлено в 2010, 2014 (аналог).1. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation WMO No. 8, 2008. Updated in 2010, 2014 (analogue).

2. Методические указания по производству метеорологических радиолокационных наблюдений на ДМРЛ-С на сети. СПб.: РосГидроМет, 2013, 164 с.2. Guidelines for the production of meteorological radar observations on the DMRL-S on the network. Saint Petersburg: RosHydroMet, 2013, 164 p.

3. Временные методические указания по использованию информации доплеровского метеорологического радиолокатора ДМРЛ-С в синоптической практике. Вторая редакция. М.: РосГидроМет, 2017. 121 с. (прототип).3. Temporary guidelines for the use of information from the Doppler meteorological radar DMRL-S in synoptic practice. Second edition. M .: RosHydroMet, 2017.112 p. (prototype).

4. Болелов, Э.А., Васильев, О.В., Галаева, К.И. Пространственная изменчивость профиля температуры воздуха в районе аэродрома. Научный вестник ГосНИИ ГА, №29 (340), М.: 2019, с. 146-154.4. Bolelov, E.A., Vasiliev, O.V., Galaeva, K.I. Spatial variability of the air temperature profile in the aerodrome area. Scientific Bulletin of GosNII GA, No. 29 (340), Moscow: 2019, p. 146-154.

Claims (5)

Translated fromRussian

Способ обнаружения в метеорологическом радиолокационном комплексе зон обледенения в секторах взлета и посадки летательных аппаратов, заключающийся в том, что с помощью метеорологической радиолокационной станции ближней аэродромной зоны, входящей в состав метеорологического радиолокационного комплекса и устанавливаемой непосредственно на аэродроме, в секторе взлета и посадки летательных аппаратов осуществляется сканирование атмосферы в азимутальной и угломестной плоскостях, оценивается мощность отраженного сигнала, для каждого импульсного объема вычисляется отражаемость Z атмосферы в соответствии с выражениемA method for detecting icing zones in a meteorological radar complex in the take-off and landing sectors of aircraft, which consists in scanning the atmosphere in the azimuthal and elevation planes, the power of the reflected signal is estimated, for each impulse volume, the reflectance Z of the atmosphere is calculated in accordance with the expression

где

- отношение мощности принятого сигнала к уровню внутреннего шума приемника, П - метеопотенциал, θ - ширина луча диаграммы направленности антенны в азимутальной и угломестной плоскостях радиолокационной станции, устанавливают порог отражаемости Z_пор, соответствующий метеопродукту – слабый дождь, при превышении которого величиной отражаемости в координатах дальность - азимут фиксируются минимальная и максимальная дальности с высокой отражаемостью с соответствующими высотами H₁ и Н₂, с помощью теплового профилемера, входящего в состав метеорологического радиолокационного комплекса и установленного в точке установки метеорологической радиолокационной станции ближней аэродромной зоны обнаружения, измеряется значение высоты нулевой изотермы Н_Т=0 при одновременном выполнении условий:where

is the ratio of the received signal power to the level of the internal noise of the receiver, P is the meteorological potential, θ is the beam width of the antenna directional pattern in the azimuthal and elevation planes of the radar station, set the reflectance threshold Z_pores , corresponding to the meteorological product - light rain, above which the range of reflectivity in coordinates is - the azimuth is recorded the minimum and maximum ranges with high reflectivity with the corresponding heights H₁ and H₂ , using a thermal profiler, which is part of the meteorological radar complex and installed at the installation point of the meteorological radar station of the near aerodrome detection zone, the value of the height of the zero isotherm H_{T is measured = 0} if the conditions are met simultaneously:

где Н_тек - текущее значение высоты полета летательного аппарата в секторе взлета и посадки, принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями существует зона вероятного обледенения, в противном случае - при невыполнении хотя бы одного из условий (2) - принимают решение о том, что на данных высотах с соответствующими дальностями отсутствует зона вероятного обледенения.where H_tech is the current value of the flight altitude of the aircraft in the take-off and landing sector, a decision is made that there is a zone of probable icing at these altitudes with appropriate ranges, otherwise, if at least one of the conditions (2) is not met, the decision is made that there is no zone of probable icing at these altitudes with corresponding ranges.

Images