摘 要:民航气象是机场地面管制不可缺少的部分。本文笔者主要阐述了SAWS-1(B)型自动气象观测系统的原理及应用。随着民航规范的不断完善,新技术的不断应用,SAWS-1(B)型自动观测系统的精度、功能也在不断提升。为中国民航大力发展中、小型支线机场策略提供了技术保障。通过对硬件、软件,材料等各方面的不断研究,自动气象观测系统的精确性、实时性、稳定性等各方面都有了很大的提高。
0 引言
气象数据和气象条件是民航地面保障不可缺少的部分。飞机着陆、起飞或在空中飞行,都受到气象条件的制约。风会改变飞机的升力和滑跑距离,气温会影响飞机的载重,气压直接关系到飞机进近和着陆安全,恶劣的能见度或跑道视程直接威胁着飞机的起飞和降落,暴雨引起跑道积水会影响飞机的起降安全,冰雹会损坏飞机和地面设施等。因此,民航地面气象观测与飞行关系密切,是飞行安全的重要保障工作之一。SAWS-1(B)型自动气象观测系统是专门用于民航机场气象部门气象数据的自动采集、计算处理和存储的自动观测设备。它可以连续自动测量风向、风速、温度、湿度、气压、降水等气象要素,并结合目前尚未实现自动测量的项目(如云、能、天)由人工观测后键入观测结果,经计算机按《民航地面气象观测规范》和《国际航空气象电码》的要求进行计算处理、编报、显示、打印报文和报表,并实现观测资料的存盘和查询,航空电码报和明语报的编制、转发等功能。
1 信号采集系统
SAWS-1(B)自动气象观测系统对环境场的测量是通过6个单独的传感器来实现的。其主要测量性能指标见表1。由于这是一个开放型的系统,它的测量参数、测量范围、分辨力、不确定度都可根据用户的实际需求和所选传感器的不同予以选取与修正。
1.1 风速传感器
风速传感器的风速感应元件为一碳纤维三杯式风杯组件。信号变换电路为光电转换器,风组带着转轴下端的一个多狭缝光栅盘一起旋转,光栅盘与一个红外发光管固定板和一个硅光敏三极管及光电转换整形电路的固定板组成一个光断续器,将机械转动变换成光电脉冲,风杯组每旋转一圈时,光栅盘使光束断续通过n次,使光电转换电路产生n个脉冲输出。风杯组旋转的转速与风速的关系成正比,因此输出的脉冲频率也是同风速成正比的,其关系式为:
V=a+bF
式中:V为风速(m/s);a,b为风速常数,传感器类型不同常数亦不同;F为风杯角频率(输出脉冲频率值)。
1.2 风向传感器
风向传感器采用对称平衡的单板式风向标带着转轴下固定的1个多狭缝七位循环二进制(格雷)码盘转动,产生格雷码输出以确定风向值。七位格雷玛盘表示128个示值,将1圈360°等分为128个方位,每1个方位值为2.812 5°。七位格雷码盘上的7个圆环狭缝与装有发光二极管固定板上的7个红外发光管和装光敏三极管固定板上的7个硅光敏三极管在一垂直面上一一对应。在风向标转动时,码盘狭缝位置产生位移,使7个光敏三极管的导通情况相应发生变化,从而产生不同的7位二进制码,表示不同的风向值。但是,风向标每转动1个2.812 5°,只变化1个二进码,因而使编码发生的误差降至最小值。风向传感器的光电转换脉冲电路共有7组独立的电路。
1.3 温度传感器
温度测量采用Pt100铂电阻温度传感器。由VAISALA公司生产,其工作原理是:在温度作用下,铂金丝的电阻随之变化,根据铂电阻阻值的变化,可以反演出该电阻对应的温度。铂电阻元件是一种精确、灵敏、稳定的温度传感器。其电阻和温度关系近于线性。
1.4 湿度传感器
温湿度传感器采用高分子薄膜湿敏电容“HUMICAP180”作为湿度感应元件,经测量电路变换后输出0~1 V电压信号,所对应相对湿度为0~100%。
1.5 雨量传感器
雨量传感器的感应器由承水器、上翻斗、计量翻斗和计数翻斗等构成。其工作过程是:雨水由承水口汇集,进入上翻斗,上翻斗的作用使降水强度近似于大降水强度,然后进入计量翻斗计量,计量翻斗翻动1次为0.1 mm降水量。随后雨水由计量翻斗倒入计数翻斗。在计数翻斗的中部装有1块小磁钢,磁钢的上面装有1个干簧开关,计数翻斗翻动1次,则开关闭合1次,送出1个雨量脉冲信号。
1.6 气压传感器
气压传感器选用民航气象部门认可的振动筒式压力传感器,这种压力传感器具有性能稳定,测量分辨率和精度高等特点。其工作原理为:弹性金属圆筒在外力作用下发生振动,当筒壁两边存在压力差时,其振动频率随压力差而变化,该传感器就是利用这一原理进行气压测量的。
2 观测场设置
民航气象观测场的设置有很多不同于地方气象站的地方。自动气象站应安装在位于下滑台附近(通常位于沿着跑道,距跑道入口端约300 m、距跑道中心线一侧120 m)的专供安装自动气象站设备的气象观测场内。总体要求为:场内仪器应按照“北高南低,互不影响”的原则进行合理布置,高的仪器安装在北面,低的仪器顺次安装在南面,南北对齐,东西排列成行,应避免仪器被阴影遮蔽,影响正常感应。仪器之间应保持一定的距离,以利于空气流通。通常南北间距不小于3 m,东西间距不小于4 m,仪器距围栏不小于3 m。之所以把气象观测站设置在跑道入口端是从更好的服务于飞机的起降考虑的。跑道入口处的风向、风速直接影响到飞机的起降安全。跑道入口处的场面气压和修正海平面气压是飞机校准高度的重要参数。温湿度及雨量的测量可以体现跑道的适飞状态。
3 数据传输系统
由于自动气象观测站大都安装在机场跑道入口处,离气象观测值班室较远,一般都要2~3 km以上,因此就存在一个气象数据远距离传输的问题。目前,视距离的远近,有3种方式可供选择,分别是光隔离长线驱动器、专线MODEM和无线GPRS。3种方式各有自己的优缺点。
3.1 光隔离长线驱动器
自动气象站与数据处理计算机之间的通讯是通过RS-232C接口实现的。RS-232C标准规定通讯距离为50 ft,采用RS-232C标准通讯的数据设备之间,由于受RS-232C标准的限制其通讯距离只能达到50 ft。光隔离长线驱动器,可使数据通讯设备之间的通讯距离延长至两公里。由于光隔离长线驱动器采用光电隔离技术,使得数据设备之间没有电接触,只有光传送,所以能确保设备安全。使用光隔离长线驱动器传输数据的系统,只要布设一根四芯的信号线,即可进行2 km以内的稳定可靠的信号传输。
3.2 专线MODEM
如果通讯距离超过2 km或布设信号电缆有困难的地方,可以考虑使用专线MODEM。专线MODEM是通过对信号的调制解调,把数字信号调制成模拟信号,进行长距离传输后再把模拟信号调制成数字信号的一种通讯方式。它可以使用电话线作为信号线,经过交换机跳接后连接,可以说有电话的地方就可以使用专线MODEM通讯。一般民航机场的观测场和值班室分建在跑道的两边,跑道上不能埋设信号线,但下滑台里一般都有机场建设施工时所铺设的多对电话线,所以现在的民航机场大多采用这种通讯方式。
3.3 无线GPRS
在以上2种通讯方式都不能实现的时候,还可以考虑使用无线GPRS通讯方式进行数据通讯。其原理是利用移动通信公司的GPRS网络,把数据发送到移动公司的服务器,再通过Internet网络把数据接收到数据处理计算机。此方法的优点是通讯网络架设方便,缺点是使用成本高,受移动及Internet网络的影响大,偶尔还可能存在数据延时。
4 数据处理、存储报警系统
当自动气象站所采集的气象数据正确传送到气象观测员所使用的计算机后,就要按民航地面观测的行业规范及各个机场的特殊要求进行数据校验、显示、报警、存储等一系列操作。
4.1 数据校验
自动气象站采集器在按预设频率采集完各传感器的信息后编制成数据报文。数据通过通讯链路进入观测计算机。无论通过以上3种通讯方式中的哪一种,都存在通讯中产生误码的可能,数据的误码可能在自动编报时生成错误的航空报,从而影响航空安全。因此,我们在数据传输时增加了校验,也就是说在传回计算机的每条报文中添加一部分冗余字符,在用约定的算法计算后进行对比校验,以确定报文的正确性。对于发现有误码的报文,采取丢弃并要求采集器重发的方式予以解决。
4.2 数据显示
观测计算机在正确收到气象数据报文后就要及时在显示屏上更新数据,以便观测及预报人员及时了解观测场的信息。综合民航地面气象观测的要求及我们系统的实际情况,把数据刷新的时间定为30 s 1次。界面上显示了所有采集到的观测量及二次计算导出量,根据对航空安全的影响程度由左至右排列。在界面的下部为前15 min内的部分重要数据的曲线,风向的360°直观图(并标注跑道方向)和传感器状态指示。
4.3 报警
报警为监测系统的重要组成部分,可以提示气象观测人员很多重要的信息。SAWS-1(B)型自动气象观测系统的报警分为通讯链路报警、传感器状态报警、大风过界及恢复报警和特定风场报警。
4.3.1 通讯链路报警
自动气象站采集器和观测计算机通过以上3种通讯方式中的一种保持着1次/30 s数据传输。当某次数据传输不能正确接收到的时候,界面右上角的通讯指示就会变成黄色,以提示观测员注意,并等待下次通讯。当有累计6次即3 min未收到数据的时候,通讯指示变成红色,计算机发出报警声提示机务人员检查通讯线路。引起通讯不畅的因素有很多,最常见的有通讯电缆损坏、串口卡故障、通讯芯片损坏等。当然,如果用无线GPRS通讯的话,还有可能是移动网络或Internet网络故障。
4.3.2 传感器状态报警
自动气象站采集器对每个气象传感器都设有1个上下限的阀值。当传感器出现故障或信号采集中由于电磁干扰产生误差,导致采集的数据超出阀值。因此,对传感器定义了上溢、正常、下溢3种状态,在每次和计算机通讯的数据报文中都添加每个传感器状态位。界面上实时显示的传感器状态可以帮助观测人员对数据进行更为准确的分析。每个传感器的状态不仅会影响到本要素的实时数据的准确性,还会牵涉到一些导出量的可信度,如露点(由温度和湿度计算所得)、10 min平均风向(由前300个采样的数据矢量平均所得)等。所以在传感器状态出现异常时界面上会出现红字提示并报警。
4.3.3 大风过界及恢复报警
风向风速是民航气象观测中一个很重要的要素,直接影响到飞机的起降,当风速大于17 m/s时称为大风。当出现大风时观测员必须发大风SPECI报通知机组及航空管制部门注意。当风速从17 m/s以上回落到17 m/s以下时必须发大风解除SPECI报。因此在风速过17 m/s的时候都有语音提示观测人员。
4.3.4 特定风场报警
对于有些山地机场,由于地形特殊,可能在跑道的两边或跑道顶端不远处有山,这就对某些特定方向的风十分敏感。比如黄山机场,在风向介于280°~ 340°之间,风速超过3 m/s就要发SPECI报并通知航空管制员。因此在特定风场情况出现时也需要语音提示观测人员。
4.4 数据存储
数据存储视情况而定,一般默认是在观测计算机上建立ACCESS数据库,存储每小时的正点资料,以及1次/30 s瞬时资料。正点资料永久保存,瞬时资料视磁盘空间和数据库检索速度随时删除,但必须保证最近1个月的资料。因按民航规定,一旦发生飞行事故,必须要提供本航站及相关航站事故发生时及上推2 h的每分钟气象观测资料,以便作为事故认定的依据。对某些有要求并有能力进行数据维护及二次开发的航站,我们还提供在SQL数据服务器上的写入接口,写入的数据内容和观测计算机上的数据是一致的。
5 航空报编制、转发
民航地面气象观测及预报的最终服务对象为机组及航空管制部门。所以观测及预报的内容都必须编制成符合中国民航空中交通管理局规定格式的报文,通过转报系统发往北京、上海的数据中心及有航班往来的航站。现在的航空报主要是电码报,但也在试着同时编写明语报,在以后的民航气象规范中可能要逐步规范。明语报只能在本航站内转发,便于本航站内的各个部门了解气象信息。
观测员编写的电码报文一般分为正点、半点和特选报3种,从报文冠字来分的话分为METAR报(正点、半点)和SPECI报(特选)。METAR报为常规报文,由观测员定时编发,SPECI报为发生特殊气象状况,达到本航站设置的警告阀值时编写的报文。SPECI报在民航转报系统中的优先级要高于METAR报。所有的气象观测电码报都必须由预报员添加天气趋势后转发。
电码报的转发,在民航系统都是依靠转报机或转报线路来实现。每个转报机都有自己的接口规范,线路上一般是直接串口或电流环连接,码制上一般是八单位码(ASCII码)或五单位码(国际二号码)。ASCII码是我们通常使用的码制,传输速率较高,一般用于直接串口连接的转报机上。二号码一般用于电流环连接的转报机上,传输速率在300波特率以下。二号码是用5个比特表示一个字符,按照一定的规则编码。其编码表见表1。这种编码共能表示32种字符。为了扩大表示字符的范围,可用上档和下档键,通过“字母换档”和“数字换档”两个专用字符控制,扩大可表示的字符的数量,这样共可表示52个字符。为了适应此类转报机,必须通过程序中设计的函数把ASCII码转换二号码,以300波特率传输。
6 正在研究改进的部分
6.1 能见度
目前,在气象观测员所编写的报文中,云(云况、云量)、能(能见度)、天(天气现象)必须人工观测后输入,这就增加了观测员的工作量和失误率。由于云和天目前还无法量化,必须要由观测员凭经验观察后决定。所以我们把工作的重点放在能见度要素的采集上。SAWS-1(B)气象观测系统是一个开放式的系统,可以挂接多种第三方设备,当前我们正在尝试使用VAISALA公司的PWD11传感器采集能见度。实践表明,其采集精度较高,和SAWS-1(B)系统的兼容性也很好,但采购和维护成本很高,不是很适合小型航站的使用。尽量选用更为经济实用的能见度传感器也是我们的一个研究方向。能见度经过一定的算法进行计算后可得出跑道视程这一对飞行安全极为重要的数据。跑道视程(runway visual range),简称RVR,是指在跑道中线,航空器上的飞行员能看到跑道面上的标志或跑道边界灯或中线灯的距离。对RVR的算法我们也在进一步研究中。
6.2 风向不定VRB
风向不定这个概念只有在航空领域用的较为广泛。风向不定是指在观测时距内风向变化达≥180°,平均风速≤2 m/s为风向不定。民航规定观测时距定为观测前10 min。编报时在观测时距内当风向变化≥60°且风速>2 m/s时,在平均风向之后按顺时针方向加记录风向变化的两个边界值。以前在人工观测时,风向的数据完全依靠观测员在编报前10 min进行持续观测,这就很容易引起观测员的视觉疲劳,从而产生误差。并对某些突现的风向未必能及时观测到。使用SAWS-1(B)自动观测系统后,能够随时收集到编报前10 min内的1次/2 s的风向数据,即300个风向,在这300个风向通过我们设计的算法进行计算后可得出这10 min内风向出现的范围。但这样一来,我们发现VRB出现的概率比人工观测时要高很多。我们正在考虑是否对编报前10 min内采集的300风向中出现率极低的风向予以剔除,或者按照风向出现的频度来计算VRB。这一想法正在和民航空中交通管理局的相关部门进行协调。
7 结束语
随着新材料、新科技以及新的管理模式的出现,SAWS-1(B)型自动气象观测系统的软、硬件也在不停的更新中,以期更好的适应民航事业的发展。
参考文献:
[ 1 ]耿家勤.民航地面气象观测手册[M].北京:中国民用航空总局空中交通管理局,1999.
[ 2 ]国际航空气象电码[M].世界气象组织306号出版物.
[ 3 ]胡玉峰.自动气象站原理与测量方法[M].北京:气象出版社,2004.
[ 4 ] Don Benage Azam Mirza.应用Visual Studio 6.0[M].北京:人民邮电出版社,1999.
本文作者：王 伟,彭 慧
