Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теоретическое и экспериментальное исследование методов и приборов для измерения высоты нижней границы облаков применительно к задаче метеообеспечения авиации

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое и экспериментальное исследование методов и приборов для измерения высоты нижней границы облаков применительно к задаче метеообеспечения авиации"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО П1ДРОМЕТЕОРОЛОПШ II МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ им. р ^ ф д А.И.ВОЕЙКОВ А

\ 2 СЕ!! На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Андрей Анатольевич .■

УДК 551,508

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ П ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ ИГ ЛШИТСЛЬНО К ЗАДАЧЕ МЕТЕООБЕСПЕЧЕНИЯ • чЦИИ

Специальность 04.00.22 - геофизнга АВТОРЕФЕРАТ

1

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Санкт-Петербург 1994

Работа шиолнена п Главной геофизической обсерватории имел ■ А. И. Воейкова.

Научный руководитель: доктор технических наук, старин научный сотрудник С.М. Персии.

Официальные оппоненты: , доктор физико-математических

наук, старший научный сотруднш А.Д. Егоров.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник , С.Н. .Трушин.

Ведущая оршннзацня: Российский Государственнь Гидрометеорологический институт.

Зашита состоится 28 сентября 1994 года в 13 часов на заседай» специализированного совета Д 024.06.01 по ходатайству о присужден! учёной степени доктора наук при Главной геофизической обсерватор! имени А.И. Воейкова по адресу: 194018, Санкт-Петербу[ ул. Карбышева, 7."

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гпавш геофизической обсерватории имени А.И. Воейкова.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Учёный секретарь '

специализированного

сонета, проф., д.г.н. Н.В. Кобышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение интенсивности воздушного движе-[ия повысило требования к метеорологической' информации, ее |бъему, достоверности, оперативности получения и предъявления пот-1ебителю. Удовлетворить эти требования можно только путем создания овременных автоматизированных систем управления воздушным дви-сением, позволяющих осуществлять взлет н посадку в сложных мстео-юлогическнх условиях. ■'.

Такие системы строятся на базе современных измерительных при-юров, метеорологических датчиков, использующих современные тех-ические средства. Это позволяет реализовать в них более сложные ме-оды н алгоритмы получения, обработки и представления информации, онучать качественно новые метеорологические характеристики, 'азработка таких систем требует проведения исследований по статн-тнческой структуре метеорологических элемептов, методам получения анных и алгоритмам нх обработки.

Одним из наиболее важных метеорологических элементов, опреде-яющнм уело в га взлета н посадки воздушных судов, является высота ихней границы облаков (ВНГО). Снижение минимумов взлёта и по-адкн самолётов и возросшие возможности технических средств требу->т совершенствования методов измерения ВНГО и замены устаревшей ппаратуры для измерения ВНГО, используемой в настоящее время в эропортах страны.

Для решения указанных вопросов требуется исследование путей по-ышения точности и достоверности измерений ВНГО, разработка но-ых алгоритмов обработки данных с учётом возможностей сопремен-ых технических средств и возросших требований потребителей мете-ннформацин, создание приборов нового поколения и их внедрение в эропортах и на сети.

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной ра-отн является: исследование и разработка алгоритмов обработки дан-ых для получения устойчивых и достоверных 'характеристик ВНГО; сследование возможности получения дополнительных характеристик блачности (количества облаков нижнего яруса, высоты и количества тоёв облачности); экспериментальная проверка разработаттых тгоритмов; разработка новых приборов для автоматического

измерения ВНГО с использованием предложенных в работе алгоритме обработки данных.

Получены новые данные но временно структуре ВНГО, в том числе по результатам однократных одною пульсных зондирований ВНГО с высоким временным разрешением.

Проведено исследование методов обработки отраженного сингал полученного при зондировании атмосферы длинным световым импул сом. .

Прог.едйн анализ методов повышения достоверности информаш сГ> облачности при аналоговой н цифровой обработке сигнала, в тс числе методов уменьшения влияния выбросов, вызванных как апнар турнымн погрешностями, так и естественными метеорологически* причинами, например, разрывами в облачности, дымкой, осадками т.д. ' •

Разработаны алгоритмы получения информации о слоях в условш многослойной облачности и дополнительных характеристик о( лачности. • ''

По большому массиву инструментальных наблюдений получены р зультаты экспериментальной проверки предлагаемых алгоритмов.

Практическая значимость работы. Полученные в диссе)Угационнс работе теоретические и экспериментальные результаты предназначен для использования при метеорологическом обеспечении авиаци: Реализация' предлагаемых методов и алгоритмов позволяет повысит надежность и достоверность информации о ВНГО, необходимой щ обеспечения безопасности взлета и посадки воздушных судов.

В настоящее время результаты работы непосредственно использ; юте я при разработке новых приборов дня измерения ВНГО и ал гори мов обработки информации об облачности в разрабатываемых ааро; ромных информационно-измерительных метеорологических систе нового поколения. При непосредственном участии автора разработан внедрен датчик высоты облаков автоматических метеорологическ* станций; разработан и подготовлен к государственным прнемочны испытаниям ' автономный ' датчик высоты облаков на ба: микропроцессора.

Шлашкг.члшхасахея!

1. Результаты .экспериментальных исследований статнстичсскс структуры ВНГО яо даипым измерений с малым временным разреш нием. Исследование влияния иа статистическую структуру алгоритм«

эработки, в том числе осреднения, дискретности измерений, ракетных процедур контроля данных и др.

2. Практические алгоритмы обработки вертикального профиля от-икеиного сигнала. Обоснование методов получения значения ВНГО эи использовании аналоговой и цифровой обработки данных.

3. Алгоритмы повышения достоверности информации об общности, в том числе уменьшений влияния выбросов метсороло-неского и инструментального характера.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследоплшгз: ггорнтмов автоматизации наблюдений за облачностью, получения 1зличных дополнительных .характеристик облачности (балльность, вьг-1та и число слоев) с использованием методов распознавания образов.

5. Новые датчики высоты облаков, позволяющие автоматизировать мерение ВНГО на аэродромах, повысить точность и достоверность [формации о ВНГО.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доклад ьг-лпсь на Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии 1осква, 1986 г.),.на IV и V Всесоюзных научно-практических конфе-нцкях по безопасности полетов в гражданской авиации (Санкт-гтербург, ОЛАГА, 1985 г., 1988 г.), на конференциях молодых еных и специалистов (1990, 1991 г.), на каучно-техпкческои конфе-пиии "Современное состояние, проблемы морской и воздушной нави-ции", (1992 г.). На конференции молодых ученых н специалистов в 89 г. доклад занял первое место.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх 1П, заключения и списку литературы. Общий объём работы состаигш-127 страниц, список щггературы - 72 наименования на 7 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

йо_ВВД1ешш освещается актуальность проводимого в работе иссле-здшш, сформулирована цель работы и перечислены основные задачи, лаемые в диссертации.

Ищшя_гаш посвящена результатам экспериментальных исследова-Г< пространственной и временной структуры ВНГО, выполненные по ц шому массиву данных измерений, в том числе с малым-интервалом :меннои дискретизации (порядка 1 с).

В п. 1.1 по материалам работ различных авторов проводится иссле дование статистических характеристик временной и пространственно структуры ВНГО. Даётся определение ВНГО применительно к задач метеообеспечения авиации, показывается, что необходимо цоаогаа тельное исследование изменчивости ВНГО.

Приводятся результаты экспериментов по измерению .ВНГО с пс вишенной частотой и полученные при этом статистические характер* стики: дисперсия за различные ингервалн времени, структурные фу» кции, коэффициенты корреляции для разных реал1»аций с различны временем дискретизации.

Помимо характеристик изменчивости ВНГО по данным 15 с и 1,5 измерений были построены статистические модели рядов ВНГО, дак щие наглядное представление о статистической структуре о( лачности. , .

Показана необходимость логической обработки исходных данны для повышения достоверности результатов измерений и выдачи их по* ребителю. .•

В и.1.2 главы на основании результатов, полученных выше при и следовании изменчивости ВНГО, а также нормативных документе даётся обоснование требований к измерению нижней границ облачности на аэродроме.

Исходя нз характера решаемой задачи (обеспечение безопасност взлёта н посадки воздушных, судов) определяется пространственная временная область, для которой должны быть репрезентативны дат» измерений ВНГО. Показано, что из-за задержек при распространен! информации всегда имеет место прогноз, т.е. экстраполяция данных I время этой задержки. Формулируются две задачи: сверхкраткосрочнь прогноз на интервал до 2 мин и на интервал 10-20 мин. Для обе! задач выдаваемая информация, как правило, представляет результат н которой аналоговой и цифровой обработки данных мгновешшх изм рений. Необходимое осреднение определяется, исходя из размера о( р.повапия низкой облачности, являющегося опасным для воздушно! судна.

Делается вывод о том, что задача сверхкраткосрочного прогноза я ляегся одной из основных задач, определяющих требования к метеор! лошческой информации и системе измерений на аэродроме.

Исследуется вффективность различных прогностических а горитмои. Показывается, что рациональный выбор осреднения при п лучении отсчетов и повышение частоты дискретизации да<

Ше простой подход, состоит в обработке профилей Тваиие, осреднение) и применении к ним пороговых алгоритмов. Такой алгоритм,. разработанный автором, экспериментально исследовался на описанном выше макете. Были получены хорошие результаты на большом числе реализаций, соответствующих различным погодным условиям.

В п.2.3 исследуются алгоритмы статистической обработки результатов измерений - второго этапа обработки данных. Цель этой обработки - иовышенне достоверности результатов измерений, и получение характеристик облачЕюсти. Из анализа различных алгоритмов делается вывод о том, что наиболее эффективным является подход, построенный на основе теории распознавания образов.

В разделе работы анализируются различные критерии группировки н отбираются наиболее подходящие для решения данной задачи. Приводится экспериментальный материал, иллюстрирующий работу данного алгоритма. Результаты экспериментального исследования показывают, что разработанные алгоритмы дают хорошее совпадение с данными наблюдателей.

Хрехьзицщш! посвящена результатам разработок и экспериментального исследования новых приборов для измерения ВНГО.

В ¡1,3,1 главы производится анализ разработанных в настоящее время методов измерения высоты облаков, а также отечественных в зарубежных приборов.

Делается вывод об отставании отечественных приборов по сравнению с зарубежными аналогами н необходимости разработай новых приборов и оснащения ими аэропортов и сет.

Ин. 3.2-3.4 главы носвашены разработкам и экспериментальному исследованию трёх новых приборов для измерения ВНГО. Технические решен;'"!, заложенные в приборах, защищены авторскими свидетельствам н. ,

В ¡1.1,2 таны рассматривается прибор для непрерывных измерений и регистрации ВНГО в составе автоматических станций и выдачи обработанного результата измерении потребителю.

В этом, приборе используется аналоговое выделение результата т-м-рсиич (пороговое устройство). Дня повышения устойчивости работы и достоверности результата измерения в приборе используются технические решения, нсивояякнцие улучшить работу датчика при плохом соотношении сигнал/шум, а также точность работа- измерительного ч раита прибора.

В устройстве применена схема защиты от так называемых "местннков" - ложных сигналов^ получаемых пз ближней зоны светолокатора (до 500 м) от слабозамугненных слоев атмосферы, не представляющих опасности для авиации.

В аэропорту г. Риги и в Белоруссии проводились сравнительные испытания датчиков со схемой защиты от ложных сигналов и без нее. Датчики с защитой показали более устойчивую работу но облакам и значительно метшее число недостоверных показаний.

В настоящее время прибор прошел испытания и серийно выпускается в составе автоматических станций для оснащения аэропортов и метеорологической сети страны.

Следующая разработка - датчик высоты облаков с применением микропроцессора - рассматривается в п.3,2. Применение микропроцессора позволило реализовать алгоритмы статистической обработки данных, что существенно повысило достоверность результата измерений.

Микропроцессор также используется в приборе для управления работой датчика и оптимальной настройки измерительного канала.

Алгоритм статистического анализа, заложенный в программе устройства, включает в себя определение мажор ¡тарного скользящего среднего значения ВНГО за 30 с и минимального его значения за 2 мин.' Алгоритм позволяет исключать случайные выбросы во входных данных.

Прибор может использоваться как в составе автоматических станций, так и автономно.

В работе приводятся результаты экспериментальных сравнительных испытаний прибора, проводившиеся на полевой базе в п. Воейково, доказывающие эффективность разработанных автором алгоритмов.

Прибор успешно прошел заводские испытания. Опытные образцы подготовлены к государственным приемочным испытагпюм.

В п.3.4 рассматривается датчик высоты облаков с квантованием сигнала.

В приборе при получении измерительной информации используются цифровые методы обработки сигнала, основанные на быстродействующей дискретизации (аналого-цифровом преобразовании) и запоминании эхо-сигнала. Алгоритмы обработки двумерного массива данных были рассмотрены в птаве 2 настоящей работы.

В п.3.4 приводятся алгоритмы работы устройства, разработанные автором на основе экспериментальных исследований, рассмотренных в

глапе 2. Указанные алгоритмы реализованы в экспериментальном образце прибора.

В заключении приводится основные результаты диссертационной работы, которые формулируются следующим Образом.

1. Проведено исследование статистической структуры ВНГО по данным измерений с малым временным разрешением. Исследовано влияние на статистическую структуру алгоритмов обработки, в. том числе, осреднения, дискретности измерений, различных процедур контроля данньсх к др. .

2. Дано обоснование требований. к информации об облачности и системе измерений на аэродроме, исходя из размеров области' временной и пространственной репрезентативности данных наблюдений и характера решаемой задачи. При обосновании требований использован подход к формированию текущих п более устойчивых характеристик ВНГО как к задаче экстраполяции (с в ерхкр атко ср очко го прогноза) значений метеорологических элементов на временной интервал от нескольких минут до десятков минут.

3. Проведен анализ алгоритмов обработки вертикального профиля отражённого сигнала. Разработаны практические алгоритмы обработки отраженного сигнала, Дано обоснование методов получения значения ВПГО при использовании аналоговой н цифровой обработки данных.

4. Рассмотрены алгоритмы повышения достоверности информации об облачности, в том числе уменьшения влияния выбросов метеорологического и инструментального характера. .

5. Ысследорана возможность автоматизации наблюдений за облачностью и получения дополнительных характеристик облачности (балльность, высота и число слоев) с использованием методов статн-сшческой обработки результатов измерений, основанных на теории распознавания образов.

6. Предложены новые технические решения по реализации приборов для измерения высоты нижией границы облаков и повышении достоверное™ получаемой информации, защищенные тремя авторскими ейцдетельепш.ш. . -

7. Разработаны новые датчики высоты облаков, позволяющие автоматизировать измерение ВНГО на аэродромах, повысит, точность и достоверность информации о ВНГО. Осуществляется внедрение датчиков на аэродромах и метеорологической сети.

Основное содержание диссертационной работы представлено в следующих нубя икаш и х:

1. Васильев A.A. Прибор для измерения высоты нижней граннпн облаков. Труды конференции молодых ученых и специалистов Главной геофизической обсерватории им. A.II. Воейкова, Д.. 1990. с.57-65.

2. Васильев A.A. Микропроцессорный прибор для измерения ВНГО. Труды конференции молодых ученых и специалистов Главной геофизической обсерватории им. A.II. Воейкова, Л., 1991.

3. Персии СМ., Апискин Л.В., Васильев A.A., Гусарова Е.В. Микропроцессорный прибор для измерения высоты нижней границы облаков. Труды 1ГО, 1992, вып. 539, с. 3-12.

4. Персшт.С.М., Боропихов A.A., Васильев A.A. Методы повышс-ншгдостоверности измерений высоты нижней границы облаков. Труды ITO, 1992, вып. 539, с. 13-23.

5. Персии С.М., Анискин Л.В., Васильев A.A., Прибор для непрерывного измерения высоты облаков. Всесоюзная научно-практическая конференция по безопасности полетов. Тезисы докладов., Л., 1988, с.35-36.

6. Персии С.М., Анискии Л.В., Романов Е.В, Круглоз P.A. Боровиков A.A. Васильев A.A., Метеорологическое обеспечение воздушной навигации. Тезисы докладов научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы морской и воздушной навигации", С.-П..1992, с. 152.

7. Измеритель ВНГО. Авторское свидетельство №1149766 от 14.12.82. Бюллетень изобретений №36, 1985.

8.Устройство для измерения высоты ипхней границы облаков. Авторское свидетельство N«1631485. Зарегистрировано в Госреестре 1.11,90.

' 9. Отчет по НИР и ОКР Госкомгвдромета, №81034452, 1986, и №01840048895, 1988.

10. Регистратор выпоты облаков РВО-3. Пояснительная записка. Научно-методическое сопровождение, часть 1, СПб, 1989, часть 2, 1990, часть 3, 1991

П.Отчёт НИР Исследование « разработка перспективных методой и технических ср (сто комплекса КАО для контроля метеорологических условий видимости и состояния поверхности В1ТП на аэродромах", часть I, СП 5, 1993, часть 2, 1994.