专利名称：用于改善相关气象确定的系统和方法
用于改善相关气象确定的系统和方法
背景技术：
IntuVue RDR-4000型雷达结合了测定体积的、三维缓冲区的概念，其使以前在机载气象雷达中并不可用的一些特征成为可能。那些特征中的一个是(通过来自飞行管理系统的数据或从当前的高度、垂直速度和/或地速中推断出的数据)提供与预定的飞机飞行路径相关的气象显示的自动模式。通常地，相关气象被定义为从预定的飞机飞行路径以上4000英尺延伸到飞机预定的飞行路径以下4000英尺的走廊(包络)，有着以下的基本修正
下侧边界被限制为平均海平面25，000英尺的最大值；
下侧边界被限制为平均海平面O英尺的最小值(体积测定缓冲区的限制)；上侧边界被限制为平均海平面60，000英尺的最大值(体积测定缓冲区的限制)；以
及
上侧边界被限制为距地高度或平均海平面10，000英尺的最小值(取决于飞机的类型)。图I示出了这些修正。气象或者更具体地，在包络内的反射率和湍流数据以纯色(绿色、黄色、红色)被显示在水平显示屏上。反射率是雷达系统测量的气象特性。反射率提供了降雨率的粗略估计。湍流指示(通常以洋红色显示)指明了在雷达可探测降水量的区域中由雷达估计为包含剧烈湍流的区域。在显示屏上的任意点处所显示的颜色由在相关的包络内的大地之上的纵列部分中的最大反射率所确定。例如，如果在相关的包络内的任何的纵列部分是红色的，那么在相应的显示点所显示的值将是红色的。如果最大值是黄色，在相应的显示点所显示的值将是黄色，且对于绿色是类似的。在包络外的气象被称为“非相关”气象，并可以被消除(不显示)或被显示为用交叉线画成阴影的颜色(取决于机组成员的选择)。如果启用显示，其仅仅被显示在相关气象是低于绿色阀值的区域中。为了显示的优先权，任何绿色或上述相关气象被覆盖在所有非相关气象上，例如，绿色相关具有比红色非相关闻的优先权。具有相关的(纯色)和非相关的(用交叉线画成阴影的颜色)显示的实例被示出在图2中。由于与对流天气(例如雷暴)的特性有关的气象学原因，选择在包络的下侧边界上的25，000英尺的限制。本质上地，对流天气具有垂直风，其可以代表对飞机的危险因素。这些有潜在危险的垂直风的范围并不必然被限制于高反射率的区域或与高反射率的区域相联系。对于此的原因之一是在结冰海拔((TC等温线的海拔)之上，大量的水被冻结。超出结冰海拔的海拔高度越高，冻结水的百分比越高。冻结水(“冰”)不会向雷达返回和液态水一样强的信号。所有其它条件都相同(微粒大小和密度)，冰返回的功率因子大约为液态水的五分之一(7分贝)。尽管雷达补偿冻结水的较低的反射率因子，以确保雷暴单体的最大反射部分被呈现给飞行员，对流单体位于结冰海拔高度或者在结冰海拔高度之下的部分被包括在相关的包络中是必要的。从而25，OOO英尺的选择，在危险对流活动可能存在的条件下其代表良好平均的O V等温线，或者至少代表高反射率将会发生的安全海拔。在过去几年(从大约2005年起)中的操作经验已经表明在一些环境下，25，000英尺最大下侧边界(MLB)的使用具有一些副作用。这些环境包括在有层状类型气象或低级别和非危险的对流情况下的高海拔操作(大约35，000英尺)。层状(非对流)气象以低的或非天然存在的垂直风为特征，并且通常在其上或其中飞行是安全的。它通常不会垂直延伸到可能发生对流气象的高度，但它有时可能会延伸到25，000英尺。非危险的对流气象也可能在25，000英尺范围内达到顶点。进一步地，由于雷达波束的波束宽度不能被无限制地变窄的事实，雷达“感知”反射率的存在的高度可以被扩展到某种程度。天线波束“扩展”所感知的反射率的程度是波束宽度和从雷达到该气象的距离的函数。天线的波束宽度的狭窄度由给定的运行频率和天 线大小的物理性质以反比关系被限制；也就是说波束宽度随着更高的频率和更大的物理天线尺寸而减少。因此，由于25，000英尺的MLB，存在这样的情况，飞机正飞行在高海拔处，其下的非危险气象被指示为“相关的”。进一步，当飞机接近40nm且垂直光束范围减少时，这些相关的指示原来常常是非相关的。这晚于做出操作决定以有效地避免气象所希望的时间(也就是，如果绕飞或爬上气象是必要的，则最好是早些进行它而非晚些)。

发明内容
本发明提供了用于对在海拔高度上的飞机改善相关气象确定的系统和方法。示例性的系统包括气象雷达组件以及在三维(3D)缓冲区中存储雷达反射率和湍流数据(也就是气象雷达数据)的存储器。处理器在预定参考海拔高度上使用所存储的气象雷达数据在距离飞机的一个或多个位置上计算垂直积分反射率。如果所计算的垂直积分反射率大于预定的阀值，则该处理器接着将相关气象包络的下侧边界从第一数值调节到第二数值。相关气象包络的所调节的下侧边界的范围与具有比预定阀值大的所计算的垂直积分反射率的气象雷达数据相关联。显示设备以第一方式显示位于相关气象包络中的气象雷达数据，以及以第二方式显示在位于相关气象包络外的气象雷达数据。在发明的一个方面，参考海拔高度大于29，000英尺。在发明的另一个方面，第二数值比第一数值更接近于飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个。在发明的又一个方面，第一数值是25，000英尺，而第二数值是在距离飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个的3000和5000英尺之间。


参考以下附图，本发明的优选的和替代的实施例被详细记述在下文图I是按照现有技术所形成的实例飞行剖面和相关气象包络的剖面图；图2是按照现有技术所产生的气象雷达图；图3示出了按照本发明的实施例所形成的实例雷达系统；
图4和6是按照本发明所形成的相关气象的包络的剖面视图；图5和7分别是与图4和6中示出的那些相比照的按照现有技术所形成的相关气象的包络的剖面视图；图8-1是与示出在图5和7中的情形相关联的气象雷达图；图8-2是与示出在图4和6中的情形相关联的气象雷达图；图9-1是按照现有技术所产生的气象雷达图；以及图9-2是按照本发明所产生的气象雷达图。
具体实施例方式图3示出了用于在飞机20上提供更精确的飞行计划/路径的气象信息的实例系 统30。该系统30包括雷达显示系统38，其包括气象雷达系统40、显示处理器42、存储器43、显示设备44、和与显示处理器42耦合的用户接口 48。飞机20也包括其它飞机系统46，例如航空数据计算机(ADC)，其与气象雷达系统40和雷达显示系统38信号通信。显示处理器42被电耦合到雷达系统40、显示设备44、ADC、和存储器43。雷达系统40包括雷达控制器50、发射机52、接收机54、天线56、和天线控制器61。基于所选择的雷达模式和从用户接口 48接收的其它飞行员输入，以及从ADC、飞行管理系统(FMS)、惯性导航系统(INS)、和/或全球定位系统(GPS)(未示出)所接收的飞机数据(即高度、速度、位置、航向、翻滚、偏航、俯仰等)，雷达控制器50控制发射机52和接收机54以通过天线56执行信号的发射和接收。ADC基于从各种飞机飞行系统接受到的信号产生飞行数据。雷达系统40从发射机52发射雷达信号并且以天线控制器61所确定的方向将天线56在空间中伸出，并且如果目标物60呈现为将能量散射回到接收机，则通过接收机54检测返回信号。优选地，雷达系统40将返回信号数字化并将数字化的信号发送到显示处理器42。显示处理器42将接收到的返回信号转换以供在存储器43的多维缓冲区中存储。显示处理器42然后基于从用户接口 48所发送的任何控制信号或基于来自于雷达系统40的信号，产生二维图像以供显示在显示设备44上。美国专利申请序列号No. 12/640, 976，其在2009年12月12日授权给克利斯钦森(Christianson)，其据此作为参考文献而被并入，其公开了一种使用垂直积分反射率(VIR)的计算来辨别危险和非危险气象的方法。VIR数据包括存储在三维缓冲区中的单元的列中的反射率数值的总和，或者对单元的列中的数值进行积分。系统30对反射率数值和海拔高度(其各自升到某个次幂)的乘积垂直积分。在一个实施例中，该积分的近似值通过ΣAA被执行。
-1其中Zi是在该列中的第i个单元的反射率，hi是指在该列中的第i个单元的高度，N是在三维缓冲区中的该列中的单元的数目，而Ah是缓存区单元的垂直尺寸。如果a=i和b = O被用作幂值，那么这仅仅是反射率的直接垂直积分(也就是VIR)。为了计算垂直积分的液体(VIL)，其是一个在过去使用基于地面的雷达数据所产生的量，使用b = O、a = 4/7，并且结果被乘以3. 44e-6的因子。此因子和4/7的指数从气象反射率和液态水含量(LWC)(其具有kg/m3的单位)之间的幂法则关系中取得。
在另一实施例中，a = 4/7,b = I被用作幂值。这将结果转化为类似势能的东西。被升高到高度(h)的质量(m)的势能由PE = mgh给出，其中g是重力加速度。所以，如果反射率被转化为LWC (其是类似于质量的量)，乘以海拔高度，那么结果与将水升高到大气中所用的垂直运动的能量成比例。更大能量的垂直运动被预期会产生更大能量的湍流。本发明使用VIR的计算以通过去除25，000英尺的平均海平面(MSL)的最大下侧边界(MLB)(除了在参考海拔高度水平存在中等或更大危险级别的位置)来修改相关包络。在该情况(存在中等或更大的危险级别)下，最大下侧边界(MLB)如前被设为25，000英尺。如果在参考海拔高度上中等的危险情况没有被检测到，那么相关包络仅仅是预定飞行路径周围的标称±4000英尺。在自动操作模式中，参考海拔高度是作为范围的函数的预定海拔高度(例如可具有IOnm的一个值和20nm的另一个值等等)。如果存在有效的飞行计划(就如由FMS或同 等设备所提供的)，那么参考海拔高度是基于该飞行计划的垂直剖面。如果没有有效的飞行计划，那么参考海拔高度是基于当前的飞行路径的角度。如果飞机正在水平飞行，那么参考海拔高度仅仅是当前海拔高度。
在手动操作模式中，参考海拔高度由飞行员选择。被手动选择的参考海拔高度是水平的海拔高度部分。其它类型的参考海拔高度可以被手动选择。图4示出了正飞行在飞行高度(FL) 35，000英尺(350)的飞机100的垂直剖面图。在这种情况下，参考海拔高度是FL350，因为FL350或者是用于接下来的η海里(nm)的有效飞行计划的海拔高度，飞机100的当前海拔高度或者是飞机100的当前飞行路径的角度(自动模式)或者是飞行员所选择的海拔高度(手动模式)。位于第一区域102中的气象雷达数据包括VIR数据，其在参考海拔高度(FL350)处被识别为中等或更高。示出在第二区域104中的层云相关的反射率数据与VIR数据相联系，该VIR数据在参考海拔高度(FL350)上低于中等值。因而，相关气象包络110在与第一区域102相关联的范围内返回到FL250的最大下侧边界(MLB)，但在与第二区域104相关联的范围内，相关气象包络110的最大下侧边界(MLB)保持在FL310 (也就是相关海拔高度下4000英尺)。因此，在第一区域102中在修改的相关气象包络110内的气象雷达数据在显示设备44上被显示为相关。在第二区域104中的气象雷达数据在显示设备44上被显示为非相关。图5示出了在相关气象包络没有按照本发明被调节的情况下的图4的垂直剖面图。图6类似于图4，除了相关气象包络122和参考海拔高度124是基于飞机120的爬升剖面图(飞行计划或飞行路径角度)。除了参考海拔高度124随着距离改变，相关气象包络122的调整与以上所述相同地操作。图7示出了在相关气象包络没有按照本发明被调节的情况下的图4的垂直剖面图。图8-1是基于在图5和7中示出的包络而被呈现在气象雷达显示设备上的气象雷达图。相关和不相关气象异常都通过纯色被呈现。图8-2是与在图4和6中示出的情形相关联的气象雷达图。仅仅相关异常通过纯色被呈现。不相关气象异常通过用交叉线画成阴影的颜色被呈现。图9-1示出了按照现有技术所形成的用于当前在FL350附近飞行的飞机的气象雷达显示。因为气象雷达数据基于具有设定在FL250的最大下侧边界(MLB)的相关气象包络而被分配相关性，几乎所有感知到的气象雷达数据被识别为相关的(也就是纯色)。被识别为非相关的气象雷达数据通过用交叉线画成阴影的颜色来显示。如图9-2中所示，按照本发明对图9-1中所使用的相同的气象雷达数据进行处理。按照修改的相关气象包络，仅仅一小部分的气象雷达数据被确定为相关的。因此，如果飞行计划要求(或飞行员期望)向右舷45°的转向，飞行员将很可能请求用于该45°航向的偏离以便避免所显示的相关气象。然而，如果示出在图9-2中的该显示被观察到，飞行员可能延迟或不执行偏离45°航向变化的请求。这是因为只发生了非常少的实际相关气象。本发明的专利权或特权被主张于其中的实施例 ，其范围被限定如下。
权利要求
1.一种由飞机(20)上的系统(30)执行的方法，该方法包括 接收气象雷达数据； 在三维(3D)存储器中存储接收到的气象雷达数据； 在预定参考海拔高度上使用所存储的气象雷达数据在距离飞机的一个或多个位置上计算垂直积分反射率； 如果所计算的垂直积分反射率大于预定的阀值，则将相关气象包络的下侧边界从第一数值调节到第二数值，； 其中相关气象包络的所调节的下侧边界的范围与具有比预定阀值大的所计算的垂直积分反射率的气象雷达数据相关联； 在显示设备(44)上以第一方式显示位于相关气象包络中的气象雷达数据；以及 在显示设备上以第二方式显示位于相关气象包络外的气象雷达数据。
2.权利要求I所述的方法，其中参考海拔高度大于29，000英尺，其中第一数值比第二数值更接近于飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个，其中第一数值是在距离飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个的3000和5000英尺之间。
3.一种在飞机(20)上的系统(30)，该系统具有气象雷达组件(40)，其产生气象雷达数据，该系统包括 被配置成在三维(3D)缓冲区中接收和存储气象雷达数据的存储器(43)； 处理器(42)，被配置成 在预定参考海拔高度上使用所存储的气象雷达数据在距离飞机的一个或多个位置上计算垂直积分反射率； 如果所计算的垂直积分反射率大于预定的阀值，则将相关气象包络的下侧边界从第一数值调节到第二数值，， 其中所调节的相关气象包络的下侧边界的范围与具有比预定阀值大的所计算的垂直积分反射率的气象雷达数据相关联；以及 显示设备(44)，被配置成以第一方式显示位于相关气象包络中的气象雷达数据，以及以第二方式显示位于相关气象包络外的气象雷达数据， 其中参考海拔高度大于29，000英尺， 其中第一数值比第二数值更接近于飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个， 其中第一数值是在距离飞行计划的海拔高度或与飞行路径角度相关联的海拔高度中的至少一个的3000和5000英尺之间。
全文摘要
用于为在海拔高度上的飞机改善相关气象确定的系统和方法。示例性的系统(30)包括气象雷达组件(40)以及在三维(3D)缓冲区中存储气象雷达数据的存储器(43)。处理器(42)在预定的参考海拔高度上使用所存储的气象雷达数据在距离飞机的一个或多个位置上计算垂直积分反射率。如果所计算的垂直积分反射率大于预定的阀值，则该处理器将相关气象包络的下侧边界从第一数值调节到第二数值。所调节的相关气象包络的下侧边界的范围与具有比预定阀值大的所计算的垂直积分反射率的气象雷达数据相关联。显示设备(44)以第一方式显示位于相关气象包络中的气象雷达数据，以及以第二方式显示位于相关气象包络外的气象雷达数据。
文档编号G01W1/00GK102736125SQ201110462170
公开日2012年10月17日 申请日期2011年12月1日 优先权日2010年12月2日
发明者B·P·班奇, P·克里斯蒂安森 申请人:霍尼韦尔国际公司