成都空管自動化系統中氣象高空風數據前置系統結構的研究

姜晉源 范宇

摘? 要：氣象高空風數據作為一個實時實地的重要變化參數，參與到空管自動化系統對于飛行計劃的四維軌跡預測中，使之計算出的經濟巡航模式更符合航空器飛行的實際情況，其重要性不言而喻。文章就成都現場氣象高空風數據系統的引接方式、數據格式、硬件系統結構、軟件功能模塊、壓縮方式與內容更新等方面展開深入系統的研究和剖析。為現用氣象高空風數據前置系統和空管自動化系統的維護工作和故障處理提供寶貴資料。

關鍵詞：高空風;GRIB;系統結構

中圖分類號：V355.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

高空風對空管自動化系統的影響主要體現在飛行計劃的四維軌跡預測。由于航空公司注重航空器節油帶來的效益，所以在四維軌跡預測的算法中，往往更傾向于采用航空器的經濟巡航模型進行計算，因為高空風對于航空器的經濟巡航模型有著不小的影響，從而高空風數據作為了一個實時實地的重要變化參數，參與到四維軌跡預測的計算過程中，使之計算出的經濟巡航模式更符合航空器飛行的實際情況。

2 什么是高空風與高空風數據

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

高空風數據采用了GRIB數據格式進行傳輸和記錄，GRIB全稱是Gridded Binary，即網格化的二進制數據格式，于1985年在世界氣象組織（WMO）基礎系統委員會第八次會議中正式成為大規模網格化數據的傳輸協議。

目前，GRIB數據格式主要分為GRIB1和GRIB2兩種數據格式。其中，GRIB1被廣泛用于WAFS產品，但是在ICAO（國際民用航空組織）使用GRIB1傳輸或存檔時出現了一些缺陷。而GRIB2可以傳輸多個網絡場的數據，同時還具有模塊性的結構，具有更多的壓縮方式特別是對譜數據和圖像數據的壓縮支持，具有IEEE標準浮點表示法。因此，GRIB2數據項更多、數據精度更高、傳輸能力更穩定，并且是氣象數據服務器中高空風數據采用的格式，可直接點對點傳輸無需格式轉換，是目前普遍采用的GRIB數據格式。

3 什么是四維軌跡與四維軌跡預測

四維軌跡是航空器在空間中的三維位置點坐標和航空器在每個位置點相應的過點時間所組成的一系列點的集合[2]。通過四維軌跡，空管自動化系統可以預測到航空器進入系統所轄區域、席位所轄扇區、離開扇區或區域的時間，不僅能夠準確的將相應的飛行計劃與通過監視手段（如航管雷達、ADS-B、ADS-C、多點定位等方式）獲得的真實航跡相耦合（即俗稱航跡套上標牌），還能夠在準確的時間點將移交信息通知到下一個扇區或者區域。

四維軌跡預測是指航空器在起飛前就通過飛行計劃、歷史飛行數據、雷達資料、氣象信息等對該架飛機的飛行軌跡進行預測，并不斷計算更新飛行軌跡上各個航跡點的過點時間及飛行計劃的生命周期[3]。

為了達到經濟節油的目的，航空公司更愿意將空中的航班保持在該航空器最經濟的空速和高度下，所以四維軌跡預測的算法往往會偏向于采用航空公司申請的巡航空速和巡航高度（RFL），在計算時使該航班盡量早的進入巡航高度，且盡量晚的離開巡航高度，作為經濟模型。此時氣象高空風就會對四維軌跡預測所需的巡航地速產生一定程度的影響，從而影響到四維軌跡中后續的預計過點時間及高度。四維軌跡的預計過點時間改變，意味著自動化系統計算出來該航班預計進入、離開管制區域的時間也會發生改變，會影響飛行計劃與監視航跡的自動相關時機和相鄰管制區域飛行計劃電子自動移交時機;預計飛越高度改變，意味著飛行計劃經過的管制扇區也會發生改變，會影響管制對該飛行計劃的提前關注[4]。

4 高空風數據前置系統

該系統作為空管自動化系統的前置系統，應當減輕空管自動化系統對高空風數據處理的負荷，不僅要篩選出需要的數據，還要提供正確的數據格式。所以該系統應該具備有效數據篩選和數據格式轉換的能力，同時也要及時的獲取更新的數據。

4.1 高空風數據前置系統硬件結構

成都現場整個高空風數據系統硬件結構由一套前置系統工作站和一套路由器組成，如圖2所示。為實現網絡數據的物理隔離，工作站使用單獨的網口連接氣象服務器，而用戶端統一使用另一個網口，所以工作站均需要提供兩個物理網口。

路由器（Router）又稱網關設備（Gateway），通過其路由功能可以將一個子網的數據傳輸到另一個子網，以連接不同網段的終端用戶。該系統采用的路由器具有四口交換的功能，滿足當前的引接需求。

在成都現場有三套系統（主用自動化系統、備用自動化系統及AMAN系統）需要高空風數據，其中主用自動化系統需要GRIB1格式數據，而備份自動化系統和AMAN系統需要GRIB2格式數據，三套系統均接入路由器，在路由器中的路由表添加相應的路由以實現不同網段之間的數據傳輸。

4.2 高空風數據前置系統軟件結構

高空風前置系統軟件結構包括三大模塊：數據獲取模塊、格式轉換模塊和數據推送模塊，具體如下。

數據獲取模塊：定期通過FTP協議從氣象中心服務器獲取高空風數據目錄，用遞歸的方式瀏覽目錄，根據文件創建時間來判斷需要更新的文件，將其拉取到存儲空間中。

格式轉換模塊：氣象服務器提供的高空風數據為GRIB2格式，在獲取文件后，使用GRIBAPI進程將該文件的數據轉換為GRIB1格式，再根據原相對目錄放入GRIB1存放的目錄中。

數據推送模塊：根據引接的終端系統設備的需要，通過FTP協議將原本獲取的GRIB2格式的高空風數據文件或轉換為GRIB1格式的高空風數據文件，選擇其中一種格式推送到終端系統中。

4.3 高空風數據前置系統的存儲與更新

為了盡可能減少數據所占用的空間，高空風數據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為原始數據，D為10的指數冪，R為數據集中的最小值，X為數據的編碼值，E為2的指數冪。

先將所有原始數據寫成Y×10D形式，然后減去數據集中的最小值R，所得的值再轉化為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數據文件。

成都現場的高空風前置系統通過暫存的方式存放從氣象數據服務器獲取的高空風GRIB2格式數據和經格式轉換后的GRIB1格式數據，并且在每次更新開始前自動清空暫存的數據。在獲取數據的同時，完成數據格式的轉換并且將轉換后的數據文件放入GRIB1所在的暫存器中。

在氣象數據服務器中，高空風數據每六個小時新增一組，并涵蓋了全球范圍的數據。為了減輕空管自動化系統處理的負荷，本系統按照更新時間進行篩選，并獲取最新的高空風數據。

5 結束語

將高空風數據接入成都空管自動化系統對四維軌跡的影響仍然在研究和驗證中，理論上是可以更準確的預測軌跡，為管制工作帶來更準確的數據。高空風數據前置系統通過篩選、定期更新和格式轉換，不僅能降低空管自動化系統處理高空風數據負荷，還能滿足其對數據格式的要求，是未來高空風數據接入時不可或缺的。

參考文獻：

[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數據及其在航跡預測中的應用[J].航空計算技術，2013，43（6）.