探空气球空间位置监测与航空安全应用

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1、探空气球空间位置监测与航空安全应用杨小民，彭勃，杨忠全湖南省气象培训中心，湖南长沙410125摘要：从近年來我国航空飞行高度层数量增加着眼，利用现冇L波段高空探测系统获取的气球经、纬度偏移量,对探空气球空间位置进行准确定位，给出了计算方法。及时将探空气球的空间位置信息传送给航空E行管制部门参考，以避免探空气球在穿过航线上空时给航空安全造成影响。关键词：航空安全，探空气球，空间位置，轨迹。中图分类号：P412.2：V355文献标识码：B随着社会的进步和经济的发展，飞行航线越来越密集，气象高空观测每天施放的探空

2、气球及探空仪与飞机在高空相遇的几率大为提高，因此增加了航线飞行器的危险性或者减少了空域的利用率。如果及时向飞行管制部门提供探空气球准确的空I'日、位置，就可以通过合适的管制指挥有效地规避危险，在时间上、空间上最大限度地利用空域。基于这一想法，利用现有L波段高空探测系统获取的气球经、纬度偏移量，通过计算，确肚探空气球的空间位置，以满足航空安全的需要。1实时监测探空气球空间位置的必要性1.1民航飞行高度层现状根据国务院、中央军委和国家空管委的统一箭署，中国民航于2007年门月22日北京时间零时起,在我国缩小飞行

3、高度层垂直间隔。此次在我国8400m以上、12500m以下的空域实施缩小飞行髙度层垂直间隔，飞机巡航高度层由过去的7个堤加到13个。实施缩小垂直间隔之前,8400m以上飞行高度层实施600m的垂直间隔;缩小垂直间隔之后，垂直间隔缩小为300nr,空域容量和利用率得到明显提高。1.2探空气球的漂移轨迹风向、风速等要素叫探空气球充灌氢气后在地面时的直径约为2m,该气球携带探空仪，探空仪与气球之间相隔为30m,用专用绳子连接，升速大约300-400m/min,可升至30km的高度。探空气球升空后将不断膨胀，750

4、g气球爆炸时的直径可达6-8m,3探空气球在空中随风飘移，其轨迹完全由高空的风向、风速决定，因而每次探测施放的探空气球漂移轨迹各不相同。1.3民航安全与高空气彖探测的矛盾气象保障日益重要，高空气象探测除了每天定时施放探空气球进行观测外，还经常因突发事件接受应急服务、科研任务等进行加密加测，增加了每天施放探空气球的次数和不确定性⑵。由于空域看在探空气球时必定影响飞行活动并且带来危险，为了避免危险，空屮管制只允许两者之一进入该空域。受到限制的一般是气象探空一方。中国气象卮规定，无论任何单位组织的任何形式的非常规

5、加密观测、科学试验观测，凡涉及空域管理问题，都必级经有关飞行管制部门批准，方可组织相关探测。E此，如果飞行管制运行部门能够实时地监控探空台球的位置，就能有效精细地利用空域的侵占时段迪行空屮管制，从而为双方的业务运行提供更多的利用时段，增加气象探空的作业时段。（la）（lb）2.1探测系统的气球位置探测能力L波段高空气象探测系统（以下简称L波段系统）是我国自行研制的新一代高空气象探测系统，目前正在全国探空站普遍应用，具有自动化程度高、观测资料精度高和釆集数据频率高等优点。它能够直接测量和输出探空气球的空间位置

6、。2.1.1GFE（L）1型雷达的气球定位原理GFE（D1型雷达是利用跟踪探空气球探测高空气象要素的。探空气球上带有无线电回答器（简称回答器）升空，探测吋GFE（L）1型雷达在地血向它发出’询问’’信号，回答器就对应地发冋"回答"信号s。根据每一对询问与冋答信号Z间的时间之隔和回答信号的来向，就可以测定每一瞬I'可探空气球的空间距离，同时通过定向天线测岀气球的方位和仰角，从而获得气球相对于雷达站的精确位置化2.1.2数据处理软件L波段高空气象探测雷达终端与探测雷达配套使用,完成雷达控制、监测、数据录取、处理

7、和生成各种气象产品的任务，系统每秒可得到一组关于探空气球离雷达站的仰角、方位角、直线距离（斜距）和高度的数据。2.2相对经、纬度偏移量的计算相对经、纬度偏差量的计算，就是利用雷达测得的球坐标数据，根据以下将要介绍的公式，计算得到每分钟气球所处位置距测站的相对经、纬度偏差量，再用等压面、特性层、对流层、大风层、规定高度层的时间进行线性内插得到各层次资料的相对经、纬度偏移量。探测过程中的探空气球距探测雷达的最大水平距离，相对于地球表面量级很小，所以在高空气彖探测空间定位计算中可以把地表面（球面）看成一个平面。大

8、气折射误差、电磁波传播误差和地球曲率误差也都很小。因此，探空气球相对经纬度偏移量可用下列简化公式计算。首先，计算气球的水平投影距离（L）和几何高度（H）:L=S-cosaY=L-cos（2b）B…测站纬筱处截'面•半径（R'）可利用下式⑸得R‘=（R+H）cos6（3）式中，R为地球的半径;6为测站纬度。最后，可以得到相对纬度偏移（△§）和相对经度偏移（△；«）:△6=arctan[Y/CR+H）]（4a）△准=