空管气象系统介绍

空管气象系统一、空管气象系统介绍航空气象是保障民航安全运行的重要基础，同时也是国家气象的重要组成部分。航空气象的发展目标就是适应我国航空强国和气象强国发展战略的要求，把航空气象做大做强，尽快提高气象系统管理能力、运行水平和对外服务质量。中国民航在改革开放中迅猛发展，以中国、新加坡、日本为代表的亚洲航空运输业在世界民航中占据着举足轻重的地位，中国民航正力争在本世纪头20年实现由航空大国向航空强国跨越的目标。近年来，我国航空气象的服务水平有了很大提高，但仍然落后于我国航空业的发展，不能满足航空安全飞行与效益飞行的需求，与发达国家还有相当大的差距。航空运输业的快速发展，迫切需要航空气象的整体能力适应新的要求。努力提高民航气象服务水平，不断完善服务方式，进一步增强服务意识，人力开发有针对性的产品，努力提供个性化服务，并实现集中统一服务。下面针对空管方面正在使用的气象系统和设备我们进行一一介绍下面是某地民航系统气象系统设备的性能参数卫星云图系统（1）主要性能指标：卫星转发器：亚洲四号卫星 C波段 C11H转发器上行频率范围：6258.756266.78MHz（发垂直）下行频率范围：4033.754041.75MHz（收水平）载波数量：单载波符号率：6666K调制编码：QPSK、3/4FEC、188/204RS（2）附属设备静止卫星接收处理系统软件极轨卫星接收处理软件气象卫星广播传真系统（1）主要性能指标：工作电压：AC190V240V工作温度：0-40（2）附属设备计算机打印机调制解调器气象数据库系统（1）主要性能指标：工作电压：AC190V240V工作温度：0-40（2）附属设备计算机气象自动填图系统（1）主要性能指标：工作电压：AC100V240V 150W工作温度：10-25工作湿度：20%-80%最高分辨率：6pi 600*1200打印速度：3.3（m2/hr）最大打印速度：610mm（2）附属设备计算机打印机气象Micaps系统（1）主要性能指标：工作电压：AC190V240V工作温度：0-40（2）附属设备计算机路由器数据终端单元气象遥测系统（1）主要性能指标：测量范围分辨率准确度气温-50-+500.10.2风向036035风速060m/s0.1m/s（0.5+0.03V）m/s雨量04mm/m0.1mm10mm时：0.4mm10mm时：4%湿度0100%RH1%RH80%时：8%RH80%时：4%RH气压5501060hpa0.1hpa0.3hpa（2）附属设备观测场部分：自动气象站跑道测风站：风向风速传感器系统主机系统终端气象自动观测系统（1）主要性能指标：工作电压：AC220V10%工作温度：-40-+60工作湿度：0100%RH（2）附属设备通讯机服务器大气透射仪前向散射仪云高仪自动气象站电子气压计温湿传感器超声风传感器雨量筒气象雷达（1）主要性能指标：工作频率：937030MHz脉冲功率：75KW脉冲宽度：1us工作波长：3cm重复频率：400周勃瓣宽度：1.5（2）附属设备收发机柜天控机柜系统主机系统终端三、单独系统的原理介绍3.1 卫星云图系统附属设备静止卫星接收处理系统软件极轨卫星接收处理软件图3-1 卫星云图卫星云图自问世以来, 由于其直观、实时的特点被广泛应运于气象、水利、农业、军事、民航、能源、石油、港口、电力等单位。卫星云图(satellite cloud imagery)由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表面特征的图像。利用卫星云图可以识别不同的天气系统，确定它们的位置，估计其强度和发展趋势，为天气分析和天气预报提供依据。在海洋、沙漠、高原等缺少气象观测台站的地区，卫星云图所提供的资料，弥补了常规探测资料的不足，对提高预报准确率起了重要作用。图3-2是卫星云图系统的框图。图3-2 卫星云图系统结构卫星云图处理系统的功能，概括起来有数据采集、分层显示、投影变换、边缘勾划和窗口套准打印等功能。3.2 民航气象情报数据库系统及民航卫星气象传真广播接收系统民航气象情报数据库系统及民航卫星气象传真广播接收系统是运行在民航航空气象领域集气象数据管理、数据通讯和信息服务为一体的应用系统。北京的气象数据库系统将是整个民航气象情报数据库系统的核心数据库。北京的卫星气象传真广播通讯系统将是面向全国各级航站气象台和六个气象分中心数据库的通讯枢纽。该系统的投人运行将使北京气象中心逐步成为全球民航系统的航空气象服务主中心。直接为全国民航气象系统提供全套常规气象分析图表和统一的用于国内航班的飞行：气象文件，并面向全国民航机场实施卫星广播发送服务。系统基本任务为民航国内、国际飞行提供及时的、准确的、全国统一的标准化综合气象信息服务。系统的特点 大规模的分布式数据库系统 使用先进的广域分布数据库管理系统，对各种实时收集的气象信息数据及各种气象服务产品进行完善的管理，支持全国范围内数据库间的数据交换、检索查询及各种气象业务应用，同时支持国际间的气象情报交换。 大规模的气象数据处理系统 对收集的气象信息资料进行处理加工，生成各种航空气象服务所需要的产品。 大规模通讯网络系统 支持分布式数据库之间及时可靠的数据交换，各种气象信息及产品的接收、传送和广播，是全国范围的计算机广域网络。 不间断运行的业务系统 24小时不间断地收集、处理各种气象信息，并及时地交换和广播气象信息。 可不断扩展的开放系统 可以方便地扩展以适应信息量的增长，满足民航气象服务不断发展的需要。 系统基本结构整个民航数据库及卫星传真广播系统的主干由此系统和6个分中心系统(上海、广州、沈阳、成都、西安、乌鲁木齐)组成，各中心之间通过卫星的点到点通信信道组成数据库广域网络。 由北京气象中心通过卫生信道，对全国的6个分中心及其它53个主要的机场地面站广播气象的图形和数据文件。 北京气象中心与民航总局、国家气象局通过电话专线实现网络的互联及气象数据的传送。 每个中心系统及机场地面站系统是由数据库子系统、通讯子系统、各种气象服务应用系统及网络子系统共同组成的局域网域。 各中心及机场地面站仍保留原有AFTN通讯线路，用以实现航空气象情报的报文收集和交换。 北京气象中心以8条程控拨号电话线路作为辅助通讯线路，实现与全国6个分中心、民航总局、国家气象局及53个机场地面站之间的卫星通信线路及电话专线的备份，并支持对各中心、机场地面站及其它远程服务对象的随时的远程拨号访问服务，还可通过远程拨号访问获取所需的信息资料。我国航空气象服务系统的现状与发展趋势我国航空气象服务系统的发展大致经历了三个阶段：第一阶段：以单机和独立的业务系统为主体的阶段。时间大致为20世纪80年代到90年代初期。这一阶段的IT发展特征是，计算机硬件的价格开始降低，为其在国内普及应用提供了条件。正是在这一时期，计算机走入了气象行专业。但这时各气象系统几乎都处于相互独立状态，大量的数据是以独享方式存在的，没有实现信息的整合。此时的气象服务方式是在飞机起飞前，机组或相关人员到气象预报室查询有关的气象信息，气象资料也仅限于一些气象报文，对一些图形图像资料、数值预报产品等均无法获取。第二阶段：以局域网和数据库为基础的网络CS/服务模式阶段。时间大致为90年代中期至今。这一阶段的TI发展特征是，网络的迅速崛起及网络数据库的普遍应用。这时民航气象数据库系统开始建设，该系统采用了当时非常先进的商用SYBASE数据库(气象数据库在当时基本上都采用专用数据库)，主机选用了SUN，网络为10M单层结构，各气象中心之间可进行IP访问，但与所属航站未实现IP网络通讯。此时各中心之间可进行一些产品交换，特别是数值预报产品，此时的服务方式除少熬用户单位通过安装客户端软件来远程获取必须的气象资料外，大部分用户仍需到预报室来了解天气情况，但由于受数据格式、传输方式的约束，像雷达回波图、卫星云图、AWOS资料等机组无法远程获取。第三阶段：以局域网和数据库为基础的网络BS/服务模式阶段。时间大致为90年代后期至今。由于CS/模式的种种局限性，以及随着Internet/Intarnet技术的不断发展，尤其是基于WEB的信息发布和检索技术，导致了整个应用系统的体系结构从CS/向更灵活的BS/结构演变，在上世纪90年代末期，在我国的大部分航空气象部门都通过自主开发，开始采用BS/模式向用户提供航空气象服务。经过实践证明，Brower/Server服务模式是一种非常好的航空气象服务模式，有理山相信这种模式将在一定时间长期存在。从目前国内的气象服务总体情况来看，我国气象服务水平与世界先进国家相比还育很大的差距。航空气象服务已由过去单一为飞行服务逐步延伸到航空管制、航线计划、机场调度、异地预报等诸多内容，气象资料的种类起来越多，四川大学仁程硕卜学位论文分布式民航z七象信息服务系统的设计与实现实时性及准确性要求越来越高，t，因此将所有的资料集中后处理再分发，显然无法满足现在用户对航空气象服务的要求，因此，我国现阶段的航空气象服务系统已开始采用分布式的体系结构，将最实时的、使用范围最广、用户最关心的产品存放在wEB服务数据库中，将原始资料、实时资料、历史资料、各种产品以及专业人使用的、经过深加工的产品存放在业务数据库中。这种系统的设计将以数据共享、分散处理、集中优化、快速传输为切入点，系统的效率会得到很人的提高，服务内容及手段可以更加丰富。3.3 气象自动填图系统填图是指把从各地气象站同一时刻的各地气象观测资料，用各种规定的符号和数字，在计算机的帮助下很快填到事先准备好的一张空白底图的相应站点位置上。填好的这张图叫做“天气图”，表示气象要素和天气现象的符号一旦标绘在气象图上，它们就提供出制作天气预报所使用的信息。常规的天气图分为两种，填有地面气象资料的图称为“地面天气图”，填有高空气象资料的图称为“高空天气图”。每一张不同的天气图，反应出不同时间，不同高度，不同地区的大气情况。目前在航空气象部门采用绘图仪填绘纸质天气图和以数据库方式保存天气图两种方式。前者适合于天气人员方便地进行天气分析；后者利于航空专业人员利用网络方便地查看各种天气资料图，为及时掌握天气趋势提供便利。气象填图包括气象资料的收集，传输，处理，绘制等环节，在这些环节中，气象资料的处理是一个非常重要的环节：计算机要实现正确的填绘，首先要得到准确的观测资料，而在观测资料的收集和传输过程中，由于观测站点分布广泛，中间传输环节较为复杂，不可避免会在资料文件中出现一些错误报文，重复报文和无效报文，因此，在计算机进行自动填图的过程之前，必须对原始报文进行检查处理，从而获得完整，正确的气象报文。系统结构：气象自动填图系统主要由填图机，绘图仪，服务器，显示终端和路由器等组成，如图3-3所示。图3-3 气象自动填图系统填图机负责资料传输，处理，填图和分析，通过绘图仪自动填绘纸质天气图，同时将填绘数据存放在气象信息数据库中，相关人员可以通过显示终端数据库调用资料进行查看。本台的原始天气资料从省台气象台获取。填图机是整个填图系统的核心部分，他包括资料传输，资料处理，填图和分析三个功能单元。3.4 气象Micaps系统“气象信息综合分析处理系统”的英文为Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System，简称MICAPS。MICAPS系统是与“9210”工程通讯、数据库系统配套的支持天气预报制作的人机交互系统。34.1 MICAPS系统的功能(一)业务预报员通过该系统能够检索和用字符或图形图像方式显示数据库中所有与业务预报有关的数据，并能通过该系统提供的图形编辑功能对显示的图形进行必要的编辑修改。 (二)该系统应提供足够的图表图形编辑功能及其它工具，帮助业务预报员制作预报并自动生成最终预报产品。 (三)业务须报员通过该系统界面可随时查询本地现代化业务系统中与预报业务有关的各子系统运行状态。 (四)该系统应能自动产生与预报业务管理有关的各种数据，并对它们进行管理和输出。(五)该系统应提供一个二次开发环境，以便各地根据本地具体情况对该系统的各分量进行调整，或在该系统提供的基本功能之上开发新的功能。3.4.2 MICAPS系统与“92l0”工程其它部分的关系图3-4 “9210”系统结构3.5 气象遥测系统气象遥测系统的附属设备：观测场部分：自动气象站跑道测风站：风向风速传感器系统主机系统终端3.5.1 自动气象站自动气象站(AWS)是一个自动化的传统气象站，无论是节省人力或测量偏远地区的气像资料。3.6.1.1 自动气象站的主要功能实时监测风速、风向、雨量、温度、湿度、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等九要素气象参数；微电脑气象数据采集仪具有气象数据采集、实时时钟、定时存储、参数设定、参数和气象历史数据掉电保护等功能；汉字液晶键盘人机界面，人机界面友好；手机气象短信功能；标准RS232/485通讯功能，支持MODBUS通讯协议，可以通过有线、移动无线GPRS和无线数传电台等多种通讯方式与气象计算机组成气象监测系统。电源系统有市电、直流和太阳能系统多种方式。采用全不锈钢支架和野外防护箱，外形美观、耐腐蚀、抗干扰。3.6.1.2 自动气象站的分类自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站，通常有以下三种形式：a）有线遥测自动气象站：这种自动站早期用于实时查询气象资料,现在逐渐取代气象站日常主要观测工作。b）无线遥测气象站，又称无人气象站。它包括测量系统、程序控制和编码发射系统、电源三部分组成。该站通常安置在沙漠、高山、海洋(漂浮式或固定式)等人烟稀少的地区,用于填补地面气象观测网的空白处。c）长期自动气象站：长期自动气象站是一种仅仅用于收集资料的气象站。它的资料不对发送，由工作人员定期取回。（例子：2005年中国珠峰综合科考队的科学家们在珠峰海拔6520米的东绒布冰川垭口，成功搭建起了一套长期自动气象观测站，这是目前世界上海拔最高的自动气象观测站。这个自动气象观测站分为两层，能够每10分钟获取一次大气温度、湿度、风向、风速等数据，其中的雪探测仪设备还可以每10分钟获得一次雪深的数据，超声探测仪可以获得三维的风速风向和二氧化碳通量等第一手数据。）3.5.2 风向风速传感器3.5.2.1 风向风速传感器的工作原理介绍风速风向测量是气象监测的重要组成部分,测量风速风向对人类更好地研究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。在农业以及气象检测中，风向风速都是非常重要的参数，由此风向风速仪也成了通用的测量工具。风向风速仪含有两个传感器，风向传感器和风速传感器。这两个传感器可以同时工作，测定风向和风速两个参数。风向风速监测仪的风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件,当风速大于0.4m/s时就产生旋转,信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力驱动下风杯组旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场,通过霍尔磁敏元件感应出脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。计算公式:V=0.1F；V:风速,单位:m/s；F:脉冲频率，单位:Hz；风向风速监测仪的风向传感器的感应组件为前端装有辅助标板的单板式风向标。角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时,通过主轴带动码盘旋转,每转动2.8125,位于码盘上下两侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码,经过整形、倒相后输出。方位-角度-格雷码-二进制码对照表是风向测量单片机编程的重要依据。总的来说，风向风速监测仪的两个传感器具有动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大等特点。下面我们简单介绍下风向风速监测仪的一些主要性能以及技术参数。风向风速仪具有手动、自动和电脑锁定三种模式可选择，三种模式用户可根据需要自行设定。数据保存功能强大，最大可储存60000条数据。风向风速仪具有32通道同时检测的功能，可以实现多点同步检测。其中风向风速仪的最主要参数为风向：0-40m/s；精确度: 0.6m/s；分辨率：0.1m/s；启动风速: 0.5 m/s；稳定性:0.2 m/s/yr；风速量程范围：0-360度；精确度: 0.6度；分辨率：0.1度。3.6 气象自动观测系统自动气象观测系统(AWOS)由美国联邦航空管理局定义，是指能够测量、收集和传输气象数据来帮助气象学家、飞行员和航班调度者计划飞行路线，并为飞机起飞和降落提供必要信息的气象传感器集成系统。自动气象观测系统，从狭义上说是指自动气象站，从广义上说是指自动气象站网。自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备。如果需要，可直接或在中心站编发气象报告，也可以按业务需求编制各类气象报表。自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成。自动气象站有不同的分类方法，按提供数据的时效性，通常分成实时自动气象站和非实时自动气象站两类。实时自动气象站：能按规定的时间实时提供气象观测数据的自动气象站。非实时自动气象站：只能定时记录和存储观测数据，但不能实时提供气象观测数据的自动气象站。根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站和无人自动站体系结构自动气象观测系统由硬件和系统软件组成，硬件包括传感器、采集器、通讯接口、系统电源、计算机等，系统软件有采集软件和地面测报业务软件。为了实现组网和远程监控，还须配置远程监控软件，将自动气象站与中心站联接形成自动气象观测系统。图3-5是一个自动气象观测系统组网结构图。图3-5 中小尺度自动气象站组网系统拓扑图气象自动观测系统的附属设备：通讯机服务器大气透射仪前向散射仪云高仪自动气象站电子气压计温湿传感器超声风传感器雨量筒3.7 气象雷达图3-6 气象雷达图3-7 气象雷达气象雷达（meteorological radar）是专门用于大气探测的雷达，属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。3.8.1 基本概况气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段，以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.752.4厘米）、X波段（波长 2.43.75厘米）、C波段（波长3.757.5厘米）、S波段（波长7.515厘米）和 L波段（波长1530厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10100厘米和1001000厘米。3.8.2 发展简史第二次世界大战前雷达用于军事目的。1941年在英国最早使用雷达探测风暴。19421943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构的定量探测能力；常规雷达的数字显示和彩色显示也相继出现。70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达；在雷达结构上，广泛采用了集成电路，配备有小型或微型电子计算机，使气象雷达能对探测资料进行实时数字处理和数字化远距离传输；有的天气雷达已能按照预先编好的程序，由电子计算机操纵观测，并逐步向自动化观测网的方向发展。80年代以后，在多普勒雷达的基础上，科罗拉多州立大学电子工程系的教授提出了偏振气象雷达的思想，为大气雷达探测，已经气象资料分析提供了一个更为先进的平台。偏振多普勒雷达参数为分析雨滴等降水信息分布，以及降雨形状分布提供了更为精确的信息。科罗拉多州立大学的CSU-CHILL雷达也是世界上该领域最为先进的天气雷达，CSU-CHILL是美国国家天气雷达设备，由NSF提供资金，科罗拉多州立大学负责。3.8.3 工作原理气象雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用，无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射，稳定层结大气对入射波的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。3.8.4 主要的气象雷达测云雷达、测雨雷达、测风雷达、圆极化雷达、调频连续波雷达、气象多普勒雷达、甚高频和超高频多普勒雷达、探测气象要素和各种天气现象的雷达。