專利名稱：用于改善相關氣象確定的系統(tǒng)和方法
用于改善相關氣象確定的系統(tǒng)和方法
背景技術：
IntuVue RDR-4000型雷達結合了測定體積的、三維緩沖區(qū)的概念，其使以前在機載氣象雷達中并不可用的一些特征成為可能。那些特征中的一個是(通過來自飛行管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或從當前的高度、垂直速度和/或地速中推斷出的數(shù)據(jù))提供與預定的飛機飛行路徑相關的氣象顯示的自動模式。通常地，相關氣象被定義為從預定的飛機飛行路徑以上4000英尺延伸到飛機預定的飛行路徑以下4000英尺的走廊(包絡)，有著以下的基本修正
下側邊界被限制為平均海平面25，000英尺的最大值；
下側邊界被限制為平均海平面O英尺的最小值(體積測定緩沖區(qū)的限制)；上側邊界被限制為平均海平面60，000英尺的最大值(體積測定緩沖區(qū)的限制)；以
及
上側邊界被限制為距地高度或平均海平面10，000英尺的最小值(取決于飛機的類型)。圖I示出了這些修正。氣象或者更具體地，在包絡內的反射率和湍流數(shù)據(jù)以純色(綠色、黃色、紅色)被顯示在水平顯示屏上。反射率是雷達系統(tǒng)測量的氣象特性。反射率提供了降雨率的粗略估計。湍流指示(通常以洋紅色顯示)指明了在雷達可探測降水量的區(qū)域中由雷達估計為包含劇烈湍流的區(qū)域。在顯示屏上的任意點處所顯示的顏色由在相關的包絡內的大地之上的縱列部分中的最大反射率所確定。例如，如果在相關的包絡內的任何的縱列部分是紅色的，那么在相應的顯示點所顯示的值將是紅色的。如果最大值是黃色，在相應的顯示點所顯示的值將是黃色，且對于綠色是類似的。在包絡外的氣象被稱為“非相關”氣象，并可以被消除(不顯示)或被顯示為用交叉線畫成陰影的顏色(取決于機組成員的選擇)。如果啟用顯示，其僅僅被顯示在相關氣象是低于綠色閥值的區(qū)域中。為了顯示的優(yōu)先權，任何綠色或上述相關氣象被覆蓋在所有非相關氣象上，例如，綠色相關具有比紅色非相關聞的優(yōu)先權。具有相關的(純色)和非相關的(用交叉線畫成陰影的顏色)顯示的實例被示出在圖2中。由于與對流天氣(例如雷暴)的特性有關的氣象學原因，選擇在包絡的下側邊界上的25，000英尺的限制。本質上地，對流天氣具有垂直風，其可以代表對飛機的危險因素。這些有潛在危險的垂直風的范圍并不必然被限制于高反射率的區(qū)域或與高反射率的區(qū)域相聯(lián)系。對于此的原因之一是在結冰海拔((TC等溫線的海拔)之上，大量的水被凍結。超出結冰海拔的海拔高度越高，凍結水的百分比越高。凍結水(“冰”)不會向雷達返回和液態(tài)水一樣強的信號。所有其它條件都相同(微粒大小和密度)，冰返回的功率因子大約為液態(tài)水的五分之一(7分貝)。盡管雷達補償凍結水的較低的反射率因子，以確保雷暴單體的最大反射部分被呈現(xiàn)給飛行員，對流單體位于結冰海拔高度或者在結冰海拔高度之下的部分被包括在相關的包絡中是必要的。從而25，OOO英尺的選擇，在危險對流活動可能存在的條件下其代表良好平均的O V等溫線，或者至少代表高反射率將會發(fā)生的安全海拔。在過去幾年(從大約2005年起)中的操作經(jīng)驗已經(jīng)表明在一些環(huán)境下，25，000英尺最大下側邊界(MLB)的使用具有一些副作用。這些環(huán)境包括在有層狀類型氣象或低級別和非危險的對流情況下的高海拔操作(大約35，000英尺)。層狀(非對流)氣象以低的或非天然存在的垂直風為特征，并且通常在其上或其中飛行是安全的。它通常不會垂直延伸到可能發(fā)生對流氣象的高度，但它有時可能會延伸到25，000英尺。非危險的對流氣象也可能在25，000英尺范圍內達到頂點。進一步地，由于雷達波束的波束寬度不能被無限制地變窄的事實，雷達“感知”反射率的存在的高度可以被擴展到某種程度。天線波束“擴展”所感知的反射率的程度是波束寬度和從雷達到該氣象的距離的函數(shù)。天線的波束寬度的狹窄度由給定的運行頻率和天 線大小的物理性質以反比關系被限制；也就是說波束寬度隨著更高的頻率和更大的物理天線尺寸而減少。因此，由于25，000英尺的MLB，存在這樣的情況，飛機正飛行在高海拔處，其下的非危險氣象被指示為“相關的”。進一步，當飛機接近40nm且垂直光束范圍減少時，這些相關的指示原來常常是非相關的。這晚于做出操作決定以有效地避免氣象所希望的時間(也就是，如果繞飛或爬上氣象是必要的，則最好是早些進行它而非晚些)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了用于對在海拔高度上的飛機改善相關氣象確定的系統(tǒng)和方法。示例性的系統(tǒng)包括氣象雷達組件以及在三維(3D)緩沖區(qū)中存儲雷達反射率和湍流數(shù)據(jù)(也就是氣象雷達數(shù)據(jù))的存儲器。處理器在預定參考海拔高度上使用所存儲的氣象雷達數(shù)據(jù)在距離飛機的一個或多個位置上計算垂直積分反射率。如果所計算的垂直積分反射率大于預定的閥值，則該處理器接著將相關氣象包絡的下側邊界從第一數(shù)值調節(jié)到第二數(shù)值。相關氣象包絡的所調節(jié)的下側邊界的范圍與具有比預定閥值大的所計算的垂直積分反射率的氣象雷達數(shù)據(jù)相關聯(lián)。顯示設備以第一方式顯示位于相關氣象包絡中的氣象雷達數(shù)據(jù)，以及以第二方式顯示在位于相關氣象包絡外的氣象雷達數(shù)據(jù)。在發(fā)明的一個方面，參考海拔高度大于29，000英尺。在發(fā)明的另一個方面，第二數(shù)值比第一數(shù)值更接近于飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個。在發(fā)明的又一個方面，第一數(shù)值是25，000英尺，而第二數(shù)值是在距離飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個的3000和5000英尺之間。


參考以下附圖，本發(fā)明的優(yōu)選的和替代的實施例被詳細記述在下文圖I是按照現(xiàn)有技術所形成的實例飛行剖面和相關氣象包絡的剖面圖；圖2是按照現(xiàn)有技術所產(chǎn)生的氣象雷達圖；圖3示出了按照本發(fā)明的實施例所形成的實例雷達系統(tǒng)；
圖4和6是按照本發(fā)明所形成的相關氣象的包絡的剖面視圖；圖5和7分別是與圖4和6中示出的那些相比照的按照現(xiàn)有技術所形成的相關氣象的包絡的剖面視圖；圖8-1是與示出在圖5和7中的情形相關聯(lián)的氣象雷達圖；圖8-2是與示出在圖4和6中的情形相關聯(lián)的氣象雷達圖；圖9-1是按照現(xiàn)有技術所產(chǎn)生的氣象雷達圖；以及圖9-2是按照本發(fā)明所產(chǎn)生的氣象雷達圖。
具體實施例方式圖3示出了用于在飛機20上提供更精確的飛行計劃/路徑的氣象信息的實例系 統(tǒng)30。該系統(tǒng)30包括雷達顯示系統(tǒng)38，其包括氣象雷達系統(tǒng)40、顯示處理器42、存儲器43、顯示設備44、和與顯示處理器42耦合的用戶接口 48。飛機20也包括其它飛機系統(tǒng)46，例如航空數(shù)據(jù)計算機(ADC)，其與氣象雷達系統(tǒng)40和雷達顯示系統(tǒng)38信號通信。顯示處理器42被電耦合到雷達系統(tǒng)40、顯示設備44、ADC、和存儲器43。雷達系統(tǒng)40包括雷達控制器50、發(fā)射機52、接收機54、天線56、和天線控制器61?；谒x擇的雷達模式和從用戶接口 48接收的其它飛行員輸入，以及從ADC、飛行管理系統(tǒng)(FMS)、慣性導航系統(tǒng)(INS)、和/或全球定位系統(tǒng)(GPS)(未示出)所接收的飛機數(shù)據(jù)(即高度、速度、位置、航向、翻滾、偏航、俯仰等)，雷達控制器50控制發(fā)射機52和接收機54以通過天線56執(zhí)行信號的發(fā)射和接收。ADC基于從各種飛機飛行系統(tǒng)接受到的信號產(chǎn)生飛行數(shù)據(jù)。雷達系統(tǒng)40從發(fā)射機52發(fā)射雷達信號并且以天線控制器61所確定的方向將天線56在空間中伸出，并且如果目標物60呈現(xiàn)為將能量散射回到接收機，則通過接收機54檢測返回信號。優(yōu)選地，雷達系統(tǒng)40將返回信號數(shù)字化并將數(shù)字化的信號發(fā)送到顯示處理器42。顯示處理器42將接收到的返回信號轉換以供在存儲器43的多維緩沖區(qū)中存儲。顯示處理器42然后基于從用戶接口 48所發(fā)送的任何控制信號或基于來自于雷達系統(tǒng)40的信號，產(chǎn)生二維圖像以供顯示在顯示設備44上。美國專利申請序列號No. 12/640, 976，其在2009年12月12日授權給克利斯欽森(Christianson)，其據(jù)此作為參考文獻而被并入，其公開了一種使用垂直積分反射率(VIR)的計算來辨別危險和非危險氣象的方法。VIR數(shù)據(jù)包括存儲在三維緩沖區(qū)中的單元的列中的反射率數(shù)值的總和，或者對單元的列中的數(shù)值進行積分。系統(tǒng)30對反射率數(shù)值和海拔高度(其各自升到某個次冪)的乘積垂直積分。在一個實施例中，該積分的近似值通過ΣAA被執(zhí)行。
-1其中Zi是在該列中的第i個單元的反射率，hi是指在該列中的第i個單元的高度，N是在三維緩沖區(qū)中的該列中的單元的數(shù)目，而Ah是緩存區(qū)單元的垂直尺寸。如果a=i和b = O被用作冪值，那么這僅僅是反射率的直接垂直積分(也就是VIR)。為了計算垂直積分的液體(VIL)，其是一個在過去使用基于地面的雷達數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的量，使用b = O、a = 4/7，并且結果被乘以3. 44e-6的因子。此因子和4/7的指數(shù)從氣象反射率和液態(tài)水含量(LWC)(其具有kg/m3的單位)之間的冪法則關系中取得。
在另一實施例中，a = 4/7,b = I被用作冪值。這將結果轉化為類似勢能的東西。被升高到高度(h)的質量(m)的勢能由PE = mgh給出，其中g是重力加速度。所以，如果反射率被轉化為LWC (其是類似于質量的量)，乘以海拔高度，那么結果與將水升高到大氣中所用的垂直運動的能量成比例。更大能量的垂直運動被預期會產(chǎn)生更大能量的湍流。本發(fā)明使用VIR的計算以通過去除25，000英尺的平均海平面(MSL)的最大下側邊界(MLB)(除了在參考海拔高度水平存在中等或更大危險級別的位置)來修改相關包絡。在該情況(存在中等或更大的危險級別)下，最大下側邊界(MLB)如前被設為25，000英尺。如果在參考海拔高度上中等的危險情況沒有被檢測到，那么相關包絡僅僅是預定飛行路徑周圍的標稱±4000英尺。在自動操作模式中，參考海拔高度是作為范圍的函數(shù)的預定海拔高度(例如可具有IOnm的一個值和20nm的另一個值等等)。如果存在有效的飛行計劃(就如由FMS或同 等設備所提供的)，那么參考海拔高度是基于該飛行計劃的垂直剖面。如果沒有有效的飛行計劃，那么參考海拔高度是基于當前的飛行路徑的角度。如果飛機正在水平飛行，那么參考海拔高度僅僅是當前海拔高度。
在手動操作模式中，參考海拔高度由飛行員選擇。被手動選擇的參考海拔高度是水平的海拔高度部分。其它類型的參考海拔高度可以被手動選擇。圖4示出了正飛行在飛行高度(FL) 35，000英尺(350)的飛機100的垂直剖面圖。在這種情況下，參考海拔高度是FL350，因為FL350或者是用于接下來的η海里(nm)的有效飛行計劃的海拔高度，飛機100的當前海拔高度或者是飛機100的當前飛行路徑的角度(自動模式)或者是飛行員所選擇的海拔高度(手動模式)。位于第一區(qū)域102中的氣象雷達數(shù)據(jù)包括VIR數(shù)據(jù)，其在參考海拔高度(FL350)處被識別為中等或更高。示出在第二區(qū)域104中的層云相關的反射率數(shù)據(jù)與VIR數(shù)據(jù)相聯(lián)系，該VIR數(shù)據(jù)在參考海拔高度(FL350)上低于中等值。因而，相關氣象包絡110在與第一區(qū)域102相關聯(lián)的范圍內返回到FL250的最大下側邊界(MLB)，但在與第二區(qū)域104相關聯(lián)的范圍內，相關氣象包絡110的最大下側邊界(MLB)保持在FL310 (也就是相關海拔高度下4000英尺)。因此，在第一區(qū)域102中在修改的相關氣象包絡110內的氣象雷達數(shù)據(jù)在顯示設備44上被顯示為相關。在第二區(qū)域104中的氣象雷達數(shù)據(jù)在顯示設備44上被顯示為非相關。圖5示出了在相關氣象包絡沒有按照本發(fā)明被調節(jié)的情況下的圖4的垂直剖面圖。圖6類似于圖4，除了相關氣象包絡122和參考海拔高度124是基于飛機120的爬升剖面圖(飛行計劃或飛行路徑角度)。除了參考海拔高度124隨著距離改變，相關氣象包絡122的調整與以上所述相同地操作。圖7示出了在相關氣象包絡沒有按照本發(fā)明被調節(jié)的情況下的圖4的垂直剖面圖。圖8-1是基于在圖5和7中示出的包絡而被呈現(xiàn)在氣象雷達顯示設備上的氣象雷達圖。相關和不相關氣象異常都通過純色被呈現(xiàn)。圖8-2是與在圖4和6中示出的情形相關聯(lián)的氣象雷達圖。僅僅相關異常通過純色被呈現(xiàn)。不相關氣象異常通過用交叉線畫成陰影的顏色被呈現(xiàn)。圖9-1示出了按照現(xiàn)有技術所形成的用于當前在FL350附近飛行的飛機的氣象雷達顯示。因為氣象雷達數(shù)據(jù)基于具有設定在FL250的最大下側邊界(MLB)的相關氣象包絡而被分配相關性，幾乎所有感知到的氣象雷達數(shù)據(jù)被識別為相關的(也就是純色)。被識別為非相關的氣象雷達數(shù)據(jù)通過用交叉線畫成陰影的顏色來顯示。如圖9-2中所示，按照本發(fā)明對圖9-1中所使用的相同的氣象雷達數(shù)據(jù)進行處理。按照修改的相關氣象包絡，僅僅一小部分的氣象雷達數(shù)據(jù)被確定為相關的。因此，如果飛行計劃要求(或飛行員期望)向右舷45°的轉向，飛行員將很可能請求用于該45°航向的偏離以便避免所顯示的相關氣象。然而，如果示出在圖9-2中的該顯示被觀察到，飛行員可能延遲或不執(zhí)行偏離45°航向變化的請求。這是因為只發(fā)生了非常少的實際相關氣象。本發(fā)明的專利權或特權被主張于其中的實施例 ，其范圍被限定如下。
權利要求
1.一種由飛機(20)上的系統(tǒng)(30)執(zhí)行的方法，該方法包括 接收氣象雷達數(shù)據(jù)； 在三維(3D)存儲器中存儲接收到的氣象雷達數(shù)據(jù)； 在預定參考海拔高度上使用所存儲的氣象雷達數(shù)據(jù)在距離飛機的一個或多個位置上計算垂直積分反射率； 如果所計算的垂直積分反射率大于預定的閥值，則將相關氣象包絡的下側邊界從第一數(shù)值調節(jié)到第二數(shù)值，； 其中相關氣象包絡的所調節(jié)的下側邊界的范圍與具有比預定閥值大的所計算的垂直積分反射率的氣象雷達數(shù)據(jù)相關聯(lián)； 在顯示設備(44)上以第一方式顯示位于相關氣象包絡中的氣象雷達數(shù)據(jù)；以及 在顯示設備上以第二方式顯示位于相關氣象包絡外的氣象雷達數(shù)據(jù)。
2.權利要求I所述的方法，其中參考海拔高度大于29，000英尺，其中第一數(shù)值比第二數(shù)值更接近于飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個，其中第一數(shù)值是在距離飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個的3000和5000英尺之間。
3.一種在飛機(20)上的系統(tǒng)(30)，該系統(tǒng)具有氣象雷達組件(40)，其產(chǎn)生氣象雷達數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)包括 被配置成在三維(3D)緩沖區(qū)中接收和存儲氣象雷達數(shù)據(jù)的存儲器(43)； 處理器(42)，被配置成 在預定參考海拔高度上使用所存儲的氣象雷達數(shù)據(jù)在距離飛機的一個或多個位置上計算垂直積分反射率； 如果所計算的垂直積分反射率大于預定的閥值，則將相關氣象包絡的下側邊界從第一數(shù)值調節(jié)到第二數(shù)值，， 其中所調節(jié)的相關氣象包絡的下側邊界的范圍與具有比預定閥值大的所計算的垂直積分反射率的氣象雷達數(shù)據(jù)相關聯(lián)；以及 顯示設備(44)，被配置成以第一方式顯示位于相關氣象包絡中的氣象雷達數(shù)據(jù)，以及以第二方式顯示位于相關氣象包絡外的氣象雷達數(shù)據(jù)， 其中參考海拔高度大于29，000英尺， 其中第一數(shù)值比第二數(shù)值更接近于飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個， 其中第一數(shù)值是在距離飛行計劃的海拔高度或與飛行路徑角度相關聯(lián)的海拔高度中的至少一個的3000和5000英尺之間。
全文摘要
用于為在海拔高度上的飛機改善相關氣象確定的系統(tǒng)和方法。示例性的系統(tǒng)(30)包括氣象雷達組件(40)以及在三維(3D)緩沖區(qū)中存儲氣象雷達數(shù)據(jù)的存儲器(43)。處理器(42)在預定的參考海拔高度上使用所存儲的氣象雷達數(shù)據(jù)在距離飛機的一個或多個位置上計算垂直積分反射率。如果所計算的垂直積分反射率大于預定的閥值，則該處理器將相關氣象包絡的下側邊界從第一數(shù)值調節(jié)到第二數(shù)值。所調節(jié)的相關氣象包絡的下側邊界的范圍與具有比預定閥值大的所計算的垂直積分反射率的氣象雷達數(shù)據(jù)相關聯(lián)。顯示設備(44)以第一方式顯示位于相關氣象包絡中的氣象雷達數(shù)據(jù)，以及以第二方式顯示位于相關氣象包絡外的氣象雷達數(shù)據(jù)。
文檔編號G01W1/00GK102736125SQ201110462170
公開日2012年10月17日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權日2010年12月2日
發(fā)明者B·P·班奇, P·克里斯蒂安森 申請人:霍尼韋爾國際公司