成都空管自動(dòng)化系統(tǒng)中氣象高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究

姜晉源 范宇

摘? 要：氣象高空風(fēng)數(shù)據(jù)作為一個(gè)實(shí)時(shí)實(shí)地的重要變化參數(shù)，參與到空管自動(dòng)化系統(tǒng)對于飛行計(jì)劃的四維軌跡預(yù)測中，使之計(jì)算出的經(jīng)濟(jì)巡航模式更符合航空器飛行的實(shí)際情況，其重要性不言而喻。文章就成都現(xiàn)場氣象高空風(fēng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的引接方式、數(shù)據(jù)格式、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件功能模塊、壓縮方式與內(nèi)容更新等方面展開深入系統(tǒng)的研究和剖析。為現(xiàn)用氣象高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)和空管自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)工作和故障處理提供寶貴資料。

關(guān)鍵詞：高空風(fēng);GRIB;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：V355.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）07-0064-02

Abstract： As an important change parameter in the real-time field， the meteorological high-altitude wind data is involved in the four-dimensional trajectory prediction of the flight plan by the air traffic control automation system， so that the calculated economic cruise mode is more in line with the actual situation of aircraft flight. Its importance is self-evident. In this paper， the introduction mode， data format， hardware system structure， software function module， compression mode and content update of Chengdu field meteorological high-altitude wind data system are deeply and systematically studied and analyzed. It provides valuable information for the maintenance and fault processing of the current meteorological high-altitude wind data front-end system and air traffic control automation system.

Keywords： high altitude wind; GRIB; system structure

1 概述

高空風(fēng)對空管自動(dòng)化系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在飛行計(jì)劃的四維軌跡預(yù)測。由于航空公司注重航空器節(jié)油帶來的效益，所以在四維軌跡預(yù)測的算法中，往往更傾向于采用航空器的經(jīng)濟(jì)巡航模型進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)楦呖诊L(fēng)對于航空器的經(jīng)濟(jì)巡航模型有著不小的影響，從而高空風(fēng)數(shù)據(jù)作為了一個(gè)實(shí)時(shí)實(shí)地的重要變化參數(shù)，參與到四維軌跡預(yù)測的計(jì)算過程中，使之計(jì)算出的經(jīng)濟(jì)巡航模式更符合航空器飛行的實(shí)際情況。

2 什么是高空風(fēng)與高空風(fēng)數(shù)據(jù)

高空風(fēng)是近地面層以上大氣層中的風(fēng)，是在水平氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力共同作用下形成。高空風(fēng)通常是用探空氣球的飛升軌跡測量出來。

高空風(fēng)數(shù)據(jù)采用了GRIB數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸和記錄，GRIB全稱是Gridded Binary，即網(wǎng)格化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，于1985年在世界氣象組織（WMO）基礎(chǔ)系統(tǒng)委員會(huì)第八次會(huì)議中正式成為大規(guī)模網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議。

目前，GRIB數(shù)據(jù)格式主要分為GRIB1和GRIB2兩種數(shù)據(jù)格式。其中，GRIB1被廣泛用于WAFS產(chǎn)品，但是在ICAO（國際民用航空組織）使用GRIB1傳輸或存檔時(shí)出現(xiàn)了一些缺陷。而GRIB2可以傳輸多個(gè)網(wǎng)絡(luò)場的數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有模塊性的結(jié)構(gòu)，具有更多的壓縮方式特別是對譜數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的壓縮支持，具有IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)表示法。因此，GRIB2數(shù)據(jù)項(xiàng)更多、數(shù)據(jù)精度更高、傳輸能力更穩(wěn)定，并且是氣象數(shù)據(jù)服務(wù)器中高空風(fēng)數(shù)據(jù)采用的格式，可直接點(diǎn)對點(diǎn)傳輸無需格式轉(zhuǎn)換，是目前普遍采用的GRIB數(shù)據(jù)格式。

3 什么是四維軌跡與四維軌跡預(yù)測

四維軌跡是航空器在空間中的三維位置點(diǎn)坐標(biāo)和航空器在每個(gè)位置點(diǎn)相應(yīng)的過點(diǎn)時(shí)間所組成的一系列點(diǎn)的集合[2]。通過四維軌跡，空管自動(dòng)化系統(tǒng)可以預(yù)測到航空器進(jìn)入系統(tǒng)所轄區(qū)域、席位所轄扇區(qū)、離開扇區(qū)或區(qū)域的時(shí)間，不僅能夠準(zhǔn)確的將相應(yīng)的飛行計(jì)劃與通過監(jiān)視手段（如航管雷達(dá)、ADS-B、ADS-C、多點(diǎn)定位等方式）獲得的真實(shí)航跡相耦合（即俗稱航跡套上標(biāo)牌），還能夠在準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)將移交信息通知到下一個(gè)扇區(qū)或者區(qū)域。

四維軌跡預(yù)測是指航空器在起飛前就通過飛行計(jì)劃、歷史飛行數(shù)據(jù)、雷達(dá)資料、氣象信息等對該架飛機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行預(yù)測，并不斷計(jì)算更新飛行軌跡上各個(gè)航跡點(diǎn)的過點(diǎn)時(shí)間及飛行計(jì)劃的生命周期[3]。

為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)油的目的，航空公司更愿意將空中的航班保持在該航空器最經(jīng)濟(jì)的空速和高度下，所以四維軌跡預(yù)測的算法往往會(huì)偏向于采用航空公司申請的巡航空速和巡航高度（RFL），在計(jì)算時(shí)使該航班盡量早的進(jìn)入巡航高度，且盡量晚的離開巡航高度，作為經(jīng)濟(jì)模型。此時(shí)氣象高空風(fēng)就會(huì)對四維軌跡預(yù)測所需的巡航地速產(chǎn)生一定程度的影響，從而影響到四維軌跡中后續(xù)的預(yù)計(jì)過點(diǎn)時(shí)間及高度。四維軌跡的預(yù)計(jì)過點(diǎn)時(shí)間改變，意味著自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算出來該航班預(yù)計(jì)進(jìn)入、離開管制區(qū)域的時(shí)間也會(huì)發(fā)生改變，會(huì)影響飛行計(jì)劃與監(jiān)視航跡的自動(dòng)相關(guān)時(shí)機(jī)和相鄰管制區(qū)域飛行計(jì)劃電子自動(dòng)移交時(shí)機(jī);預(yù)計(jì)飛越高度改變，意味著飛行計(jì)劃經(jīng)過的管制扇區(qū)也會(huì)發(fā)生改變，會(huì)影響管制對該飛行計(jì)劃的提前關(guān)注[4]。

4 高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)

該系統(tǒng)作為空管自動(dòng)化系統(tǒng)的前置系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)減輕空管自動(dòng)化系統(tǒng)對高空風(fēng)數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷，不僅要篩選出需要的數(shù)據(jù)，還要提供正確的數(shù)據(jù)格式。所以該系統(tǒng)應(yīng)該具備有效數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的能力，同時(shí)也要及時(shí)的獲取更新的數(shù)據(jù)。

4.1 高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

成都現(xiàn)場整個(gè)高空風(fēng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由一套前置系統(tǒng)工作站和一套路由器組成，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理隔離，工作站使用單獨(dú)的網(wǎng)口連接氣象服務(wù)器，而用戶端統(tǒng)一使用另一個(gè)網(wǎng)口，所以工作站均需要提供兩個(gè)物理網(wǎng)口。

路由器（Router）又稱網(wǎng)關(guān)設(shè)備（Gateway），通過其路由功能可以將一個(gè)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)子網(wǎng)，以連接不同網(wǎng)段的終端用戶。該系統(tǒng)采用的路由器具有四口交換的功能，滿足當(dāng)前的引接需求。

在成都現(xiàn)場有三套系統(tǒng)（主用自動(dòng)化系統(tǒng)、備用自動(dòng)化系統(tǒng)及AMAN系統(tǒng)）需要高空風(fēng)數(shù)據(jù)，其中主用自動(dòng)化系統(tǒng)需要GRIB1格式數(shù)據(jù)，而備份自動(dòng)化系統(tǒng)和AMAN系統(tǒng)需要GRIB2格式數(shù)據(jù)，三套系統(tǒng)均接入路由器，在路由器中的路由表添加相應(yīng)的路由以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

高空風(fēng)前置系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括三大模塊：數(shù)據(jù)獲取模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)推送模塊，具體如下。

數(shù)據(jù)獲取模塊：定期通過FTP協(xié)議從氣象中心服務(wù)器獲取高空風(fēng)數(shù)據(jù)目錄，用遞歸的方式瀏覽目錄，根據(jù)文件創(chuàng)建時(shí)間來判斷需要更新的文件，將其拉取到存儲(chǔ)空間中。

格式轉(zhuǎn)換模塊：氣象服務(wù)器提供的高空風(fēng)數(shù)據(jù)為GRIB2格式，在獲取文件后，使用GRIBAPI進(jìn)程將該文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GRIB1格式，再根據(jù)原相對目錄放入GRIB1存放的目錄中。

數(shù)據(jù)推送模塊：根據(jù)引接的終端系統(tǒng)設(shè)備的需要，通過FTP協(xié)議將原本獲取的GRIB2格式的高空風(fēng)數(shù)據(jù)文件或轉(zhuǎn)換為GRIB1格式的高空風(fēng)數(shù)據(jù)文件，選擇其中一種格式推送到終端系統(tǒng)中。

4.3 高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)的存儲(chǔ)與更新

為了盡可能減少數(shù)據(jù)所占用的空間，高空風(fēng)數(shù)據(jù)采用了特殊的編碼方式，可以用如下公式來說明：

Y×10D=R+（X×2E）

其中Y為原始數(shù)據(jù)，D為10的指數(shù)冪，R為數(shù)據(jù)集中的最小值，X為數(shù)據(jù)的編碼值，E為2的指數(shù)冪。

先將所有原始數(shù)據(jù)寫成Y×10D形式，然后減去數(shù)據(jù)集中的最小值R，所得的值再轉(zhuǎn)化為X×2E的形式。最后把D、E、R、X按照一定的格式寫入文件中形成GRIB數(shù)據(jù)文件。

成都現(xiàn)場的高空風(fēng)前置系統(tǒng)通過暫存的方式存放從氣象數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取的高空風(fēng)GRIB2格式數(shù)據(jù)和經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后的GRIB1格式數(shù)據(jù)，并且在每次更新開始前自動(dòng)清空暫存的數(shù)據(jù)。在獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)，完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件放入GRIB1所在的暫存器中。

在氣象數(shù)據(jù)服務(wù)器中，高空風(fēng)數(shù)據(jù)每六個(gè)小時(shí)新增一組，并涵蓋了全球范圍的數(shù)據(jù)。為了減輕空管自動(dòng)化系統(tǒng)處理的負(fù)荷，本系統(tǒng)按照更新時(shí)間進(jìn)行篩選，并獲取最新的高空風(fēng)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

將高空風(fēng)數(shù)據(jù)接入成都空管自動(dòng)化系統(tǒng)對四維軌跡的影響仍然在研究和驗(yàn)證中，理論上是可以更準(zhǔn)確的預(yù)測軌跡，為管制工作帶來更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。高空風(fēng)數(shù)據(jù)前置系統(tǒng)通過篩選、定期更新和格式轉(zhuǎn)換，不僅能降低空管自動(dòng)化系統(tǒng)處理高空風(fēng)數(shù)據(jù)負(fù)荷，還能滿足其對數(shù)據(jù)格式的要求，是未來高空風(fēng)數(shù)據(jù)接入時(shí)不可或缺的。

參考文獻(xiàn)：

[1]A GUIDE TO THE CODE FORM FM 92-IX Ext. GRIB Edition 1（Technical Report No.17， Geneva， May 1994（WMO TD-No.611）.

[2]Anthony Masalonis， et al. Using Probabilistic Demand Predictions for Traffic Flow Management Decision Support [C]. AIAA Guidance Navigation and Control Conference and Exhibit Providence， Rhode Island， 2004.

[3]Francisco J Zapata. Automation System Subsystem Specification[Z]. Torrejón de Ardoz： Indra Sistemas S.A.，2013.

[4]武曉光，張軍峰，蔣海行.grib數(shù)據(jù)及其在航跡預(yù)測中的應(yīng)用[J].航空計(jì)算技術(shù)，2013，43（6）.