天氣雷達(dá)和航線融合顯示系統(tǒng)研究

摘? 要：華南地區(qū)對(duì)流天氣發(fā)生頻繁，雷雨天氣對(duì)飛行安全有重要影響。為實(shí)現(xiàn)廣州白云機(jī)場(chǎng)終端區(qū)范圍航路天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升管制和氣象部門的協(xié)同效率，將天氣雷達(dá)和航路疊加顯示是一種最直觀的辦法。該系統(tǒng)通過B/S架構(gòu)部署在航空氣象綜合服務(wù)系統(tǒng)上，基于HTML5標(biāo)準(zhǔn)利用瀏覽器腳本語言JavaScript調(diào)用函數(shù)繪制航線，用戶可以把航線進(jìn)行像素級(jí)操作。該系統(tǒng)針對(duì)管制部門需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)已投入正式運(yùn)行，為相關(guān)部門工作人員運(yùn)行決策提供了強(qiáng)有力的支持。

關(guān)鍵詞：空管;天氣雷達(dá);航線;融合;JavaScript

中圖分類號(hào)：V355.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0038-04

Research on Weather Radar and Air Route Fusion Display System

ZHENG Yiran

（Meteorological Center of Middle South Regional Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China，Guangzhou? 510403，China）

Abstract：Convective weather occurs frequently in south China and thunderstorm weather has an important influence on flight safety. In order to realize the real-time monitoring of air route weather in the terminal area of Guangzhou Baiyun airport and improve the coordination efficiency of control and meteorological departments，the superposition display of weather radar and air route is the most intuitive method. This system is deployed on the aviation weather integrated service system through B/S architecture. Based on HTML5 standard，the airline is drawn by calling functions in JavaScript，the browser script language，and the user can operate the airline at the pixel level. The system is designed according to the requirements of the control department，and has been put into formal operation，providing a strong support for the staff of relevant departments to make operational decisions.

Keywords：ATC;weather radar;air route;fusion;JavaScript

0? 引? 言

隨著航班量持續(xù)上漲、空域相對(duì)不足，天氣因素對(duì)航班運(yùn)行的影響日益突出。據(jù)2019年5月中國民航局公布的報(bào)告指出，天氣原因?qū)桨嗟挠绊懧蔬_(dá)到四成以上[1]。尤其在華南地區(qū)對(duì)流天氣頻發(fā)的情況下，天氣雷達(dá)在空中交通管制的應(yīng)用中到了不可或缺的地位[2]。然而，由于天氣雷達(dá)圖的使用者眾多，各用戶的具體需求不同。對(duì)于區(qū)域管制、流量控制、終端管制等用戶來說，他們需要?dú)庀螽a(chǎn)品能服務(wù)于管制業(yè)務(wù)。此前，他們往往要根據(jù)其他系統(tǒng)上航線的位置、或依據(jù)記憶來建立航線與天氣雷達(dá)圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這暴露了兩個(gè)問題：一是查找時(shí)間較長，二是對(duì)應(yīng)定位可能存在偏差的情況。為解決特定用戶的需求，為管制用戶提供直觀、可靠的雷達(dá)航線疊加系統(tǒng)協(xié)助決策是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

在雷雨天氣下，空中交通管制指揮人員需要根據(jù)氣象雷達(dá)圖和機(jī)組的繞飛預(yù)案來選擇一條安全、便于管制指揮的“航路”，然后利用雷達(dá)來引導(dǎo)飛機(jī)按照這一“航路”飛行[3]。機(jī)場(chǎng)附近的天氣應(yīng)為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，廣州白云機(jī)場(chǎng)的多普勒天氣雷達(dá)能探測(cè)雷達(dá)站周圍半徑約250千米范圍內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流天氣和云雨分布，管制員根據(jù)機(jī)組通報(bào)的信息和天氣距離機(jī)場(chǎng)的距離推測(cè)雷雨覆蓋機(jī)場(chǎng)的時(shí)間，根據(jù)這一時(shí)間提前控制進(jìn)港航班減速、等待，防止飛機(jī)到達(dá)目的地機(jī)場(chǎng)后因天氣不滿足著陸標(biāo)準(zhǔn)而復(fù)飛、返航、備降[3]。截至2020年，白云機(jī)場(chǎng)共有三條跑道投入使用：東內(nèi)、東外和西跑道。機(jī)場(chǎng)的管制人員還要根據(jù)天氣、風(fēng)向的不同來選擇向南或向北運(yùn)行的航班進(jìn)離場(chǎng)方向。

根據(jù)國際民航組織ICAO的定義，航空氣象服務(wù)的目標(biāo)是為航空飛行的安全、正常和效率作貢獻(xiàn)。技術(shù)要適應(yīng)理念，本設(shè)計(jì)主要關(guān)注點(diǎn)在于對(duì)天氣雷達(dá)產(chǎn)品的展示和服務(wù)的優(yōu)化，即研究如何將氣象信息與管制信息融合展示，協(xié)助管制部門在不同的天氣條件下對(duì)航班運(yùn)行管理做出更好的決策。

1? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1? 整體設(shè)計(jì)思路

為保證天氣雷達(dá)和航線融合顯示系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：

（1）實(shí)用性。注重考慮產(chǎn)品實(shí)效，主要滿足用戶基本需求，優(yōu)先保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其次保證功能的實(shí)用，側(cè)重符合用戶使用習(xí)慣;

（2）可交互性。要考慮提升用戶體驗(yàn)，使用占用資源少、響應(yīng)快的前端技術(shù);

（3）可擴(kuò)展性。既要考慮當(dāng)前的需要，也要保證該系統(tǒng)能適應(yīng)未來的新產(chǎn)品需求，能夠方便調(diào)整模塊，拓展其他功能。

通過產(chǎn)品界面的設(shè)計(jì)和具體功能的配置來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的目標(biāo)，主要從以下方面著手：

（1）設(shè)計(jì)產(chǎn)品界面;

（2）對(duì)用戶需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，研究數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)錄入;

（3）融合航跡和雷達(dá)圖。要確定航線在地圖顯示的定位問題，將雷達(dá)圖設(shè)置為底層，航線設(shè)置為疊加層動(dòng)態(tài)顯示。

1.2? 詳細(xì)產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)天氣雷達(dá)和航線融合系統(tǒng)前需要分析產(chǎn)品呈現(xiàn)界面，針對(duì)用戶需求提供系統(tǒng)選項(xiàng)。雷達(dá)航線融合系統(tǒng)建立天氣雷達(dá)信息和航線融合的二維視圖，可以定制不同跑道、不同起飛方向航線和天氣雷達(dá)的融合顯示，提高氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的實(shí)用性和表現(xiàn)力，更直觀地顯示各種天氣系統(tǒng)和航線的相對(duì)位置，對(duì)管制部門能夠在遇到危險(xiǎn)天氣時(shí)快捷做出決策，如圖1所示。

基于用戶習(xí)慣，設(shè)置用戶界面左邊為展示區(qū)，右邊為選擇區(qū)。下面重點(diǎn)介紹選擇區(qū)的設(shè)計(jì)思路。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶需結(jié)合不同范圍、類型、仰角或高度層的雷達(dá)圖查看天氣信息。整理用戶需要和產(chǎn)品類型，設(shè)計(jì)出符合要求的雷達(dá)圖選項(xiàng)：機(jī)場(chǎng)管制用戶常用的雷達(dá)圖一般為60 km/125 km/250 km范圍，對(duì)應(yīng)范圍的有高度層為3 km/6 km的CAPPI（constant altitude plan position indicatin，等高平面位置顯示）雷達(dá)產(chǎn)品和MAX（maximum reflectivity product，最大反射率顯示）雷達(dá)產(chǎn)品。為了簡化選項(xiàng)，最終呈現(xiàn)的界面，雷達(dá)圖范圍單獨(dú)設(shè)置一個(gè)選項(xiàng)，有60/125/250三個(gè)選框;雷達(dá)圖產(chǎn)品類型和范圍合為一個(gè)選項(xiàng)，有CAPPI 3KM/CAPPI 6KM/MAX三個(gè)選框。

廣州白云機(jī)場(chǎng)共有三條跑道，西跑道和東內(nèi)、東外跑道，為了方便用戶查看，應(yīng)將顯示頁面跑道的顯示位置和目前機(jī)場(chǎng)的物理位置相對(duì)應(yīng)（即左/中/右分別為西跑道01/東內(nèi)跑道02L/東外跑道02R）。根據(jù)管制用戶使用習(xí)慣，在界面增加選擇運(yùn)行方向的按鍵，提供三條跑道向北、向南運(yùn)行的雷達(dá)疊加選項(xiàng)，02表示向北方向運(yùn)行，應(yīng)包含向北的進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)航線，20表示向南運(yùn)行，同理該選項(xiàng)應(yīng)包含向南的進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)航線。

要實(shí)現(xiàn)航線覆蓋，簡單的方式有先通過作圖軟件繪制航線，生成圖片后再疊加到天氣雷達(dá)圖上。但考慮到用戶需要放大縮小查看航線關(guān)鍵點(diǎn)附近天氣情況的操作習(xí)慣，這種操作方式顯得不夠?qū)嵱们也焕陂L期維護(hù)：一是針對(duì)不同類型的雷達(dá)圖，需要分別制作多張航線圖，修改和維護(hù)成本高;二是在縮放操作時(shí)，因小尺寸和大尺寸航線圖像素不一，可能造成航線在小尺寸預(yù)覽時(shí)過細(xì)、大尺寸預(yù)覽時(shí)又過粗的情況;三是需要考慮加載時(shí)間，為了保證航線在放大情況下不出現(xiàn)馬賽克，制作像素需足夠高，但這會(huì)影響網(wǎng)頁加載時(shí)間。另外，需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)標(biāo)注航線導(dǎo)航點(diǎn)功能，即當(dāng)用戶勾選“導(dǎo)航點(diǎn)”選項(xiàng)時(shí)在雷達(dá)圖上對(duì)應(yīng)位置顯示導(dǎo)航點(diǎn)名。綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的繪圖能力，適合使用HTML5的Canvas標(biāo)記元素來進(jìn)行圖像繪制。

2? 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1? 繪制航線

疊加顯示航線是該系統(tǒng)的核心功能，該系統(tǒng)將使用瀏覽器腳本語言JavaScript調(diào)用Canvas自帶的函數(shù)（即方法）進(jìn)行圖形繪制。HTML5提供了Canvas標(biāo)記元素。相較于傳統(tǒng)的在服務(wù)器端先畫好圖片，再把圖片發(fā)到瀏覽器中，或用第三方插件顯示的方式，Canvas繪圖與瀏覽器渲染引擎結(jié)合緊密，節(jié)約了資源，極大地簡化了圖形和網(wǎng)頁中其他元素的交互過程[4]。將雷達(dá)圖作為底圖，創(chuàng)建一個(gè)Canvas元素充當(dāng)覆蓋在底圖上的2D渲染位圖區(qū)，并利用JavaScript代碼訪問該區(qū)域，根據(jù)繪圖函數(shù)繪制跑道、航線、標(biāo)識(shí)等二維圖像。如圖2所示，用戶進(jìn)入頁面系統(tǒng)后，系統(tǒng)初始化加載默認(rèn)設(shè)置，繪制航線并疊加在不同高度、范圍、類型的雷達(dá)圖上。

系統(tǒng)建立一個(gè)存儲(chǔ)4張航線圖的對(duì)象_ATM_LINES，分別以02/20/02fs/20fs作為對(duì)象的4個(gè)鍵名，每個(gè)鍵的值是一個(gè)字符串?dāng)?shù)組，數(shù)組的一個(gè)元素即一條航線途經(jīng)的多個(gè)航線點(diǎn)名，數(shù)組的長度即畫出對(duì)應(yīng)航線圖所需的航線數(shù)量。將上述航線點(diǎn)名作為索引，建立一個(gè)存儲(chǔ)航線點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)象_ATM_POINTS，鍵名為航線點(diǎn)名，鍵值為其經(jīng)緯度坐標(biāo)。

定義drawLineOne（）函數(shù)，在初始化或捕捉到用戶選擇航線的事件后，傳入Canvas獲取的繪圖對(duì)象、_ATM_LINES的航線點(diǎn)名數(shù)組元素、線的樣式等參數(shù)，再把航線點(diǎn)名作為參數(shù)傳入geo2xy（）函數(shù)，遍歷計(jì)算所有航線點(diǎn)在繪圖坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，繪制用戶選擇的航線圖。當(dāng)用戶縮放時(shí)，jQuery捕獲產(chǎn)品圖縮放事件，獲取其縮放級(jí)別后按比例改變航線寬度重繪航線。

2.2? 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

要實(shí)現(xiàn)繪制的航線與天氣雷達(dá)圖融合，并疊加顯示在同一個(gè)XY坐標(biāo)系中，需要考慮如何將機(jī)場(chǎng)跑道、航線點(diǎn)、雷達(dá)站的經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，以確定精確定位。盡管天氣雷達(dá)圖可能是在不同的仰角或者高度層生成的，但投影到XY屏幕坐標(biāo)系下的距離和方位都是一致的，也就是說回波在XY平面坐標(biāo)系下顯示的位置并不因?yàn)檠鼋腔蛘吒叨鹊牟煌煌琜5]。因此關(guān)鍵點(diǎn)在Canvas繪圖區(qū)上的定位，只需要根據(jù)雷達(dá)圖縮放比例和各點(diǎn)坐標(biāo)和雷達(dá)站坐標(biāo)的相對(duì)位置來計(jì)算。該系統(tǒng)所采用的雷達(dá)圖中點(diǎn)位置為雷達(dá)站所在位置。

（1）在通過點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)求點(diǎn)在圖上的映射時(shí)，需要將經(jīng)緯度即角度轉(zhuǎn)換為弧度，為方便描述，以下計(jì)算所用坐標(biāo)均已經(jīng)過換算：

弧度=經(jīng)緯度×;

（2）假設(shè)地球球心為O點(diǎn)，將雷達(dá)站A點(diǎn)（J0，W0）為參照點(diǎn)，B點(diǎn)（J，W）為目標(biāo)點(diǎn)，通過三角余弦定理換算，得出AOB間的夾角?：

cos?=sinW0*sinW+cosW0*cosW*cos（J-J0）

（3）已知地球半徑R=6 371 km，雷達(dá)圖縮放比例mapScale，通過三角函數(shù)變換，可得出二維平面上點(diǎn)和雷達(dá)站之間的相對(duì)位置：

mapScale;

（4）天氣雷達(dá)圖是以雷達(dá)站為顯示中心，把氣象目標(biāo)物的平視圖以極坐標(biāo)形式顯示出來，如圖3所示;

（5）在該系統(tǒng)中，以圖形可視區(qū)域左上角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，如圖4所示。若已知雷達(dá)圖像區(qū)寬度為Width，高度為Height，則其雷達(dá)中點(diǎn)坐標(biāo)為? ;

（6）綜上，可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)在該系統(tǒng)坐標(biāo)系上的位置（x，y）為? 。

3? 實(shí)例介紹

該系統(tǒng)使用航空氣象綜合服務(wù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口，根據(jù)用戶在操作區(qū)選擇的雷達(dá)圖范圍和產(chǎn)品類型的組合條件生成接口查詢語句，得到返回天氣雷達(dá)產(chǎn)品。通過分層控制來實(shí)現(xiàn)氣象雷達(dá)底圖的定時(shí)刷新、歷史氣象雷達(dá)圖的動(dòng)畫回放功能和不同時(shí)刻的選播功能，對(duì)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無障礙瀏覽，如圖5所示。

在天氣雷達(dá)和航線融合顯示系統(tǒng)的操作界面，通過jQuery捕獲鼠標(biāo)點(diǎn)擊、縮放等事件，完成疊加航線圖的動(dòng)態(tài)繪制和圖片拖拽功能，確保在不同的縮放尺度下航線圖疊加層都能較好地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

天氣雷達(dá)圖是保障航空安全和空中交通管理的重要?dú)庀筚Y料，在進(jìn)行航線融合疊加的過程中，能充分提升產(chǎn)品對(duì)管制用戶的實(shí)用價(jià)值，對(duì)保障飛行安全、減少天氣對(duì)飛行的影響作出了一定的貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上展開更多的融合系統(tǒng)研究，將對(duì)空中交通管理系統(tǒng)起到重要的作用。未來我國民航氣象服務(wù)必將呈現(xiàn)豐富性、準(zhǔn)確性和精細(xì)化程度更高的產(chǎn)品，也將是一個(gè)更加開放、更加融合的航空氣象服務(wù)體系，從用戶需求出發(fā)，不斷改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量，為航班運(yùn)行的正常、安全和效益作出更大的貢獻(xiàn)，為中國從民航大國邁向民航強(qiáng)國的跨越式發(fā)展作出積極的貢獻(xiàn)[6]。

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作者簡介：鄭義然（1993-），女，漢族，廣東潮州人，助理工程師，本科，研究方向：氣象信息系統(tǒng)。