本发明涉及基于气象雷达显示地形信息的方法，包括如下步骤：(a)获得飞行中的飞机的俯仰角a；(b)设置正俯仰角冗余b、负俯仰角冗佘c；(c)选取俯仰方向上的扫描角范围为大于等于‑a‑c并小于等于‑a+b，水平方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域；(d)利用雷达对所述空间扫描区域进行扫描，将回波信息中距离最接近飞机的地形数据进行整合，并将最接近飞机的地形边缘线进行叠加形成地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。根据本发明的方法显示出来的地形警戒线，可以在飞机在偏远的山区并丧失位置信息时地形数据库不可用的情况下，提供必要的有威胁的地形信息。
1.一种基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(c)选取俯仰方向上的扫描角范围为大于等于-a-c并小于等于-a+b，平面方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域；
(d)利用雷达对所述空间扫描区域进行扫描，对于每个选取的俯仰方向上的扫描角，在平面方向上±90度的扫描角范围内发射并接收回波，获得所在平面内的各个扫描角对应的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，得到此俯仰方向上的扫描角所对应的地形边缘线，将不同俯仰方向上的扫描角的地形边缘线进行叠加，所形成的最靠近飞机的地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
2.如权利要求1所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，还包括如下步骤：(e)设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从所述地形轮廓线朝向飞机方向得到新的地形轮廓线，所述新的地形轮廓线上的每一点距离所述地形轮廓线的最近距离都为X，以此所述新的地形轮廓线作为飞机飞行的安全边界。
3.如权利要求1或2所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线。
4.如权利要求3所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，所述光滑曲线拟合采用多项式拟合，得到的光滑曲线为多项式表达的曲线。
5.如权利要求3所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述正俯仰角冗余b和/或所述负俯仰角冗余c是根据地形高度冗余、雷达仰俯的精度和/或雷达探测高度的精度进行确定。
6.如权利要求3所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述正俯仰角冗余b取为0.01度，所述负俯仰角冗余c取为0.01度。
7.如权利要求2所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述距离冗余X设定为一个确定数值。
8.如权利要求2所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述距离冗余X基于飞机水平位置误差和机组响应时间来设定。
9.如权利要求3所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述地形轮廓线单独显示或与气象图层信息叠加显示。
10.一种基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的高度H；
(b)以飞机所在飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2，平面方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域；
(c)对于高度Altitude满足：H-H2＜Altitude＜H+H1，选取气象雷达在不同的高度Altitude上的地形回波数据，获得所在平面内的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，得到此高度所对应的地形边缘线，将不同高度所对应的地形边缘线进行叠加，形成地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
11.如权利要求10所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，还包括如下步骤：(d)设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从所述地形轮廓线朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，所述新的地形轮廓线上的每一点距离所述地形轮廓线的最近距离都为X，以此所述新的地形轮廓线作为飞机飞行的安全边界。
12.如权利要求10或11所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线。
13.如权利要求12所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，所述光滑曲线拟合采用多项式拟合，得到的光滑曲线为多项式表达的曲线。
14.如权利要求10或11所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述向上高度冗余H1或向下高度冗余H2基于GPS高度误差、无线电高度误差和/或大气数据的高度误差来设定。
15.如权利要求11所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述距离冗余X设定为一个确定数值。
16.如权利要求11所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述距离冗余X基于飞机水平位置误差和机组响应时间来设定。
17.如权利要求11所述的基于气象雷达显示地形信息的方法，其特征在于，所述地形轮廓线单独显示或与气象图层信息叠加显示。
基于气象雷达显示地形信息的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通过飞机气象雷达对地形数据处理和显示的方法，尤其涉及通过气象雷达数据获取危险高度地形信息的方法。
背景技术
[0002] 目前，民用航空中使用气象雷达来识别危险的气象信息，同时，气象雷达具备地形探测的模式。实际运用中，气象雷达工作在气象模式时，通常会进行地形杂波抑制，而将地形信息完全过滤掉；而在气象雷达工作在地形图工作模式下时，地形信息只能大致显示出地形的分布，而不能识别有威胁的地形信息。
[0003] 对于气象雷达提供的地形显示信息，目前只能作为一个参考，不能作为识别危险地形的可靠信息来源。而实际上，气象雷达所获取的地形信息中，是包含有判断威胁地形的信息的，但是一直未被充分利用。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提出基于气象雷达显示地形信息的方法，通过充分利用气象雷达所获取的数据，识别出有威胁的地形信息，并通过显示系统显示出来，增强飞机防止发生碰撞的安全系数，并增强飞行员对飞机的信任感。
[0005] 为此，根据本发明的一个方面，提供一种基于气象雷达显示地形信息的方法，包括如下步骤：
[0006] (a)获得飞行中的飞机的俯仰角a；
[0007] (b)设置正俯仰角冗余b、负俯仰角冗余c；
[0008] (c)选取俯仰方向上的扫描角范围为大于等于-a-c并小于等于-a+b，平面方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域；
[0009] (d)利用雷达对所述空间扫描区域进行扫描，对于每个选取的俯仰方向上的扫描角，在平面方向上±90度的扫描角范围内发射并接收回波，获得所在平面内的各个扫描角对应的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，得到此俯仰方向上的扫描角所对应的地形边缘线，将不同俯仰方向上的扫描角的地形边缘线进行叠加，所形成的最靠近飞机的地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供一种基于气象雷达显示地形信息的方法，包括如下步骤：
[0011] (a)使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的高度H；
[0012] (b)以飞机所在飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2，平面方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域；
[0013] (c)选取气象雷达在不同的高度H上的地形回波数据，获得所在平面内的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，得到此高度所对应的地形边缘线，将不同高度所对应的地形边缘线进行叠加，形成地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。根据上述方面中的任何一个或多个，本发明可进一步包括任何一个或多个如下的优选形式。
[0014] 在某些优选形式中，根据本发明的基于气象雷达显示地形信息的方法还包括如下步骤：
[0015] 设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从所述地形轮廓线朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，所述新的地形轮廓线上的每一点距离所述地形轮廓线的最近距离都为X，以此所述新的地形轮廓线作为飞机飞行的安全边界。
[0016] 在某些优选形式中，对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线。由此得到的曲线可以去除旧的地形轮廓线的不光滑毛刺，从而使得新的地形轮廓线光滑，更符合视觉感受。更优地，所述光滑曲线拟合采用多项式拟合，得到的光滑曲线为多项式表达的曲线。由于多项式表达的光滑曲线拥有很多好的数学性质，比如任意阶导数均存在，因此将光滑曲线取作多项式表达的曲线能够更加有利于计算机程序对于曲线的计算与处理。
[0017] 在某些优选形式中，所述距离冗余X设定为一个确定数值。此确定数值可以根据以往飞行经验直接选定，也可以人为地赋予一个确定数值。当所需的安全边界较宽时，则人为地赋予一个较大的距离冗余X的数值，当所需的安全边界较窄时，则人为地赋予一个较小的距离冗余X的数值。
[0018] 在某些优选形式中，所述距离冗余X基于飞机水平位置误差和机组响应时间来设定。由此可以合理地确定距离冗余X的具体数值。
[0019] 在某些优选形式中，所述正俯仰角冗余b和/或所述负俯仰角冗余c是根据地形高度冗余、雷达仰俯的精度和/或雷达探测高度的精度进行确定。如此取值，有利于节约飞机的扫描、处理和存储资源，同时保证飞机具有符合实际飞行需要的俯仰角的开阔程度。更优地，所述正俯仰角冗余b取为0.01度，所述负俯仰角冗余c取为0.01度。在缺乏更多数据信息的情况下，可以直接选取所述正俯仰角冗余b和所述负俯仰角冗余c取为0.01度的数值，保证较为安全的飞行需要的俯仰角的开阔程度。
[0020] 在某些优选形式中，地形轮廓线可以单独显示，也可以与气象图层信息叠加显示。由此可以灵活地选择地形轮廓线的显示方式。
[0021] 在某些优选形式中，向上高度冗余H1或向下高度冗余H2基于GPS高度误差、无线电高度误差、大气数据的高度误差来设定。由此可以合理地确定向上高度冗余H1或向下高度冗余H2的具体数值。
[0022] 根据本发明的基于气象雷达显示地形信息的方法能够得到的有益技术效果至少包括：(1)通过气象雷达获取的数据显示出地形警戒线作为飞机飞行的安全边界，可以在飞机在偏远的山区并丧失位置信息时地形数据库不可用的情况下，提供必要的有威胁的地形信息；(2)在地形数据库没有覆盖的区域，地形数据库的地形信息不可用的情况下，此时通过气象雷达提供的地形警戒线可以提供实时的地形数据；(3)气象雷达扫描的地形信息相比地形数据库中地形信息，实时性更好，对于突然改变的地形有更好的适应性；(4)作为TAWS(Terrain awareness and warning system：地形提示和警告系统)的补充，可以增强飞行员对飞机的信任感。
[0023] 在改进的技术方案中，距离冗余X还可使得新的地形轮廓线相比原有的地形轮廓线而言，更加靠近飞机一侧并远离地形一侧，从而为飞机飞行提供了安全系数更高的地形警戒线作为飞机飞行的新的安全边界，使得飞机飞行更为安全。
附图说明
[0024] 图1为根据本发明的基于气象雷达显示地形信息的方法的基本原理示意图；
[0025] 图2a至图2b为根据本发明的基于气象雷达显示地形信息的方法获得的地形轮廓线在显示屏上的示意图，其中图2a中地形轮廓线单独显示，图2b中地形轮廓线与气象图层信息叠加显示。
具体实施方式
[0026] 为了更好地说明根据本发明的基于气象雷达显示地形信息的方法，下面将结合附图进行详细说明。
[0027] 在本发明的第一种实施方式中，如图1所示的水平投影图中，飞机平稳飞行在一定高度，数字1为飞机的飞行中所在位置，数字1’为飞机飞行方向。利用飞机姿态传感器，获得飞机此时的俯仰角a，比如采用惯导或航姿来获取飞机的俯仰角a。随后，飞机需要用机载气象雷达以一定的俯仰扫描角Tilt对其前方空间进行扫描。为了获取飞机高度附近的地形信息，需要气象雷达向水平方向发射雷达波，考虑到波束的宽度和实际雷达探测地形高度的精度，可能会导致不必要的警戒线产生；另外，考虑地球的弧度产生的高度误差，可能会导致应该产生的警戒线丢失。此时设置合适的正俯仰角度冗余b和负俯仰角度冗余c，确定出扫描角Tilt的变化范围，俯仰方向上的扫描角范围为大于等于-a-c(小于零)并小于等于-a+b(大于零)，图中未画出，水平方向上的扫描角范围为±90度之间，从而构成一个空间扫描区域。所述正俯仰角冗余b和/或所述负俯仰角冗余c是根据地形高度冗余、雷达仰俯的精度和/或雷达探测高度的精度进行确定。特别地，当飞机平稳飞行时，正俯仰角度冗余b可以取为0.01度，负俯仰角度冗余c可以取为0.01度。此时，更为具体地，当前方需要扫描的水平距离大于等于80千米时，则正俯仰角度冗余的垂直距离为14米(＝80000×sin(0.01))，负俯仰角度冗余的垂直距离为(-14)米。当然，在实际应用中，正俯仰角度冗余b和负俯仰角度冗余c的取值都是可以根据需要进行变化的，比如正俯仰角度冗余b可以取为10度、5度、2度、1度、0.5度、0.2度、0.1度、0.05度、0.02度、0.01度、0.005度、0.001度等，负俯仰角度冗余c可以取为10度、5度、2度、1度、0.5度、0.2度、0.1度、0.05度、0.02度、0.01度、0.005度、0.001度等，这些正/负俯仰角度冗余的取值都落入本发明的保护范围。更为具体地，再举一例，当选取正俯仰角度冗余b可以取为0.05度，负俯仰角度冗余c可以取为0.05度时，当前方需要扫描的水平距离大于等于80千米时，则正俯仰角度冗余的垂直距离为69.8米(＝80000×sin(0.05))，负俯仰角度冗余的垂直距离为(-69.8)米。其他正/负俯仰角度冗余的正/负俯仰角度垂直距离的计算方法相同。
[0028] 气象雷达在上述俯仰方向和水平方向进行扫描。当俯仰扫描角取为0度时，水平方向上的扫描角范围为±90度之间，发射并接收回波，获得所在平面内的0度俯仰扫描角对应的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，此时投影得到前方的地形边缘线为折线EAB，(此处的折线EAB由直线段EA和AB组成，是为了简便地示意性地展示本发明方法，在实际中，地形边缘线是不规则曲线)。类似地，每隔一个确定角度，比如对于正/负俯仰角度冗余为0.01度，则可以选取0.0001度、0.0002度、0.0005度、0.001度、0.002度或0.005度等中的一个确定角度(这些所列举的角度只是一个示例，这个确定角度也可以是其他比0.01小的角度)，可以逐步增加或减小这个确定角度对-a-c至-a+b中的俯仰扫描角Tilt进行一次平面扫描，水平方向上的扫描角范围为±90度之间，发射并接收回波，获得所在平面内的俯仰扫描角Tilt对应的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，从而得到此俯仰扫描角Tilt对应的地形边缘线。当飞机的气象雷达对-a-c到-a+b的范围的俯仰扫描角Tilt都扫描完毕后，可以将不同俯仰方向上的扫描角的地形边缘线进行叠加，所形成的最靠近飞机的地形轮廓线，可以作为飞机飞行的安全边界。较优地，可以对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，比如使用多项式表达式对曲线进行拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线，从而具有更好的视觉感受。此时整合得到的前方地形轮廓线为折线MFG(此处的折线MFG由直线段MF和FG组成，是为了简便地示意性地展示本发明方法，在实际中，地形轮廓线是不规则曲线)。在三维空间中，该地形轮廓线实际上就是在此高度范围内的地形投影图上的靠飞机一侧的边缘线。
[0029] 较优地，可以设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从前述的地形轮廓线(即折线MFG)朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，新的地形轮廓线(即折线TUV，此处的折线TUV由直线段TU和UV组成，是为了简便地示意性地展示本发明方法，在实际中，地形轮廓线是不规则曲线)上的每一点距离前述地形轮廓线的最近距离都为X，以此新的地形轮廓线作为飞机飞行的安全边界。距离冗余X使得新的地形轮廓线相比原有的地形线而言，更加靠近飞机一侧并远离地形一侧，从而为飞机飞行提供了安全系数更高的地形警戒线作为飞机飞行的新的安全边界，使得飞机飞行更为安全。具体而言，地形轮廓线的距离冗余是一个基于机组响应时间的冗余，可以通过对航线飞行员的测试来评估一个实用的响应时间，并通过该响应时间和飞机的速度来得到一个响应距离，距离冗余X可以满足机组反应距离的要求。在实践中，距离冗余X可以设定为一个确定数值。此确定数值可以根据以往飞行经验直接选定，也可以人为地赋予一个确定数值。当所需的安全边界较宽时，则人为地赋予一个较大的距离冗余X的数值，当所需的安全边界较窄时，则人为地赋予一个较小的距离冗余X的数值。
[0030] 较优地，如图2a所示，显示屏4中的地形轮廓线2可以单独显示，也可以与气象图层信息3叠加显示，如图2b所示。由此可以灵活地选择地形轮廓线的显示方式。
[0031] 在本发明的第二种实施方式中，如图1所示的水平投影图中，飞机平稳飞行在一定高度，数字1为飞机的飞行中所在位置，数字1’为飞机飞行方向。飞机使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的高度H。向上高度冗余H1或向下高度冗余H2是基于GPS高度误差、无线电高度误差、大气数据的高度误差来设定的，通过设定向上高度冗余H1或向下高度冗余H2可以有效避免由于误差导致的精度问题所产生的影响。由此得到的高度Altitude的取值范围为：H-H2＜Altitude＜H+H1。
[0032] 选取气象雷达在不同的高度Altitude上的地形回波数据，获得所在平面内的距离最接近飞机的地形信息，并在水平面内进行投影，得到此高度所对应的地形边缘线为折线EAB。类似地，每隔一个确定高度间距，比如选取1米、2米、5米、10米、20米或50米等中的一个确定高度间距，可以逐步增加或减小这个确定高度间距对H-H2到H+H1中的高度Altitude上的地形回波数据，并在水平面内进行投影，并得到此高度Altitude对应的地形边缘线。当飞机的气象雷达对H-H2到H+H1的范围的高度Altitude都选取完毕后，将不同高度所对应的地形边缘线进行叠加，形成地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
[0033] 特别地，向上高度冗余H1或向下高度冗余H2可以取为30米或者100英尺左右。
[0034] 较优地，可以对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，比如使用多项式表达式对曲线进行拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线，从而具有更好的视觉感受。此时整合得到的前方地形轮廓线为折线MFG(此处的折线MFG由直线段MF和FG组成，是为了简便地示意性地展示本发明方法，在实际中，地形轮廓线是不规则曲线)。在三维空间中，该地形轮廓线实际上就是在此高度范围内的地形投影图上的靠飞机一侧的边缘线。
[0035] 较优地，可以设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从前述的地形轮廓线(即折线MFG)朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，新的地形轮廓线(即折线TUV，此处的折线TUV由直线段TU和UV组成，是为了简便地示意性地展示本发明方法，在实际中，地形轮廓线是不规则曲线)上的每一点距离前述地形轮廓线的最近距离都为X，以此新的地形轮廓线作为飞机飞行的安全边界。距离冗余X使得新的地形轮廓线相比原有的地形线而言，更加靠近飞机一侧并远离地形一侧，从而为飞机飞行提供了安全系数更高的地形警戒线作为飞机飞行的新的安全边界，使得飞机飞行更为安全。具体而言，地形轮廓线的距离冗余是一个基于机组响应时间的冗余，可以通过对航线飞行员的测试来评估一个实用的响应时间，并通过该响应时间和飞机的速度来得到一个响应距离，距离冗余X可以满足机组反应距离的要求。在实践中，距离冗余X可以设定为一个确定数值。此确定数值可以根据以往飞行经验直接选定，也可以人为地赋予一个确定数值。当所需的安全边界较宽时，则人为地赋予一个较大的距离冗余X的数值，当所需的安全边界较窄时，则人为地赋予一个较小的距离冗余X的数值。
[0036] 较优地，如图2a所示，显示屏4中的地形轮廓线2可以单独显示，也可以与气象图层信息3叠加显示，如图2b所示。由此可以灵活地选择地形轮廓线的显示方式。
[0037] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
