RVSM空域航空器高度保持性能监视系统及方法

摘要

本发明涉及一种RVSM空域航空器高度保持性能监视系统及方法，系统包括：绝对高度获取模块；数据采集及预处理模块；高度保持偏差数据处理模块。方法包括：采集航空器的高精度绝对高度、许可飞行高度和实际飞行高度，获取航空器飞行轨迹点序列对应的测高基准的差异值，对这些信息进行处理得到高度保持偏差信息。利用本发明不仅能获得高精度的航空器的总垂直高度偏差，还可以得到人为因素造成的高度偏差和设备精度等造成的系统高度误差，从而更准确、有效地监视航空器高度保持性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空器高度保持性能监视系统及方法，特别是指对RVSM空域航空器的高度保持性能进行监视的系统及方法。

背景技术

随着全球航空运输量的持续增长，由于飞行高度层不足而导致的空域拥塞问题已经成为空管发展的瓶颈，使航空运输企业蒙受了巨大的经济损失。为了更充分地利用空域资源，显著提升空域容量和提高利用率，世界各国先后实施缩小垂直间隔标准(Reduce vertical Separation Minimum，简称RVSM)。但是，缩小垂直间隔标准意味着将增大航空器之间的碰撞风险，影响航空运输安全，所以航空器的高度保持能力的好坏将直接关系到RVSM空域运行安全水平。航空器高度保持性能监视系统就是为了实现对RVSM空域内飞行的航空器高度保持性能的监视。通过对航空器飞行高度的监测，确保航空器飞行高度偏差保持在安全范围之内，进而保证航空器飞行安全。

但是，目前航空器飞行高度测量主要是依赖地面雷达站测距或是间接获取机载气压高度表数据实现，前者测量精度不高，后者无法给出高度偏差，都无法实现航空器高度保持性能高精度监视的要求，更无法分析产生航空器高度保持偏差的原因。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种RVSM空域航空器高度保持性能监视系统及方法，使得不仅能获得高精度的航空器总垂直偏差，还可以得到人为因素造成的高度偏差和设备精度等造成的系统高度误差，从而更准确、更有效地监视航空器高度保持性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种RVSM空域航空器高度保持性能监视系统，包括：

绝对高度获取模块，用于采集载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息并处理得到航空器的绝对高度信息；

数据采集及预处理模块，用于获取航空器的实际飞行高度信息、许可飞行高度信息、航空器飞行区域的测高基准差异值；

高度保持偏差数据处理模块，用于对该许可飞行高度信息进行处理得到航空器的许可飞行高度的真实高度信息，并对该许可飞行高度的真实高度信息、该绝对高度信息、该实际飞行高度信息和该许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差数据。

通过该系统，可以得到航空器总垂直偏差、对指定高度的飞行设置偏差及高度测量系统误差三种高度保持偏差数据，对三种高度保持偏差数据进行分析就可以更准确、更有效地监视航空器高度保持性能，还可以分析航空器所用设备对高度保持性能产生的影响以及人为因素对高度保持性能产生的影响，从而消除大的航空器高度偏差，更精确监视航空器高度，更好保证航空器飞行安全，提高空域利用率。

本发明还提供了一种RVSM空域航空器高度保持性能监视方法，主要包括以下步骤：

采集载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息并处理得到航空器的绝对高度信息；

采集航空器的许可飞行高度信息、实际飞行高度信息及航空器飞行区域的测高基准差异值；

结合缩小垂直间隔空域的大气参数及该航空器飞行区域的测高基准差异值对所述许可飞行高度信息进行处理得到许可飞行高度的真实高度信息；

对该许可飞行高度的真实高度信息、该绝对高度信息、该实际飞行高度信息和该许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差信息。

利用该方法可以得到高精度的航空器总垂直偏差、对指定高度的飞行设置偏差及高度测量系统误差三种高度保持偏差数据，通过分析三种高度保持偏差数据可以更准确、有效地监视航空器高度保持性能，又能获得航空器所用设备对高度保持性能的影响以及人为因素对高度保持性能的影响，特别是能够对人为因素的影响产生的偏差进行分析和量化，从而消除大的航空器高度偏差，更好的保证航空器飞行安全，提高空域利用率。

附图说明

图1为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统高度保持偏差处理模块的结构示意图；

图2为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统实施例1的结构示意图；

图3为获得载波相位信息、基准信息的系统结构示意图；

图4为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统实施例2的结构示意图；

图5为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统实施例3的结构示意图；

图6为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视方法的总流程图；

图7为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视方法实施例1的流程图；

图8为航空器上的GPS接收机获得载波相位信息、基准信息的流程图；

图9为本发明中得到绝对高度信息的具体流程图；

图10为地面二次雷达接收机获取航空器的实际飞行高度信息的流程。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

航空器的高度偏差处理分析主要包括对三种高度保持数据的处理分析：航空器总垂直偏差，是航空器绝对高度信息和航空器许可飞行高度的真实高度信息之间的垂直几何差值，反映航空器垂直方向总偏差；对指定高度的飞行设置偏差，是航空器的实际飞行高度信息和航空器许可飞行高度信息之间的差值，反映人为操作偏差；高度测量系统误差，假定高度表基准气压值设置正确的情况下，是高度表显示的高度与未受扰动的环境大气压的气压高度的差值，可由航空器总垂直偏差和对指定高度的飞行设置偏差获得，反映设备自身精度等产生的误差。如图1所示，通过航空器的绝对高度信息、许可飞行高度信息、实际飞行高度信息和许可飞行高度的真实高度信息，可以计算获得航空器的三种高度偏差数据。

本发明提供了一种RVSM空域航空器高度保持性能监视系统，包括：

绝对高度获取模块，用于采集载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息并处理得到航空器的绝对高度信息，该绝对高度为几何高度；

数据采集及预处理模块，用于获取航空器的实际飞行高度信息和许可飞行高度信息以及航空器飞行区域的测高基准差异值，航空器的实际飞行高度和许可飞行高度均为气压高度；

高度保持偏差数据处理模块，用于对许可飞行高度信息进行处理得到航空器的许可飞行高度的真实高度信息，该许可飞行高度的真实高度为几何高度，并对该许可飞行高度的真实高度信息、绝对高度信息、实际飞行高度信息和许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差数据。

图2为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统实施例1的结构示意图。如图2所示，系统主要包括：绝对高度获取模块1、数据采集及预处理模块3、高度保持偏差数据处理2；绝对高度获取模块1具体包括全球定位系统数据采集模块11和载波相位差分处理模块12。

绝对高度获取模块1中的全球定位系统数据采集模块11用于从航空器上的全球定位系统(global positioning system，简称GPS)接收机采集载波相位信息及基准站参考信息；从地面跟踪站获取卫星星历信息；绝对高度获取模块1中的载波相位差分处理模块12主要通过利用载波相位差分处理方法、基准站参考信息和跟踪站的卫星星历等信息，消除GPS定位系统的大多数误差，包括卫星星历误差、卫星星钟误差、电离层折射产生的误差、接收机钟差等。载波相位差分处理模块12对获得的载波相位信息及跟踪站的卫星星历信息进行差分解算，通过最小二乘搜索法解决整周模糊度和周跳问题，获得基准站和航空器之间的坐标差值，将坐标差值加上基准站参考信息，得到航空器的世界大地坐标系(World Geodetic System，简称WGS)84坐标，从而获得航空器的高精度绝对高度数据。数据采集及预处理模块3用于从管制中心采集航行情报数据并处理得到许可飞行高度信息，从地面二次雷达接收机中采集信息并处理得到航空器的实际飞行高度信息，从机场参考点的大地高和气压高解算GPS测高基准与气压测高基准的二次差异曲面。高度保持偏差数据处理模块2用于获得许可飞行高度的真实高度信息，并对该许可飞行高度的真实高度信息以及从绝对高度获取模块1获得的高精度绝对高度信息、从数据采集及预处理模块3获得的实际飞行高度信息和许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差信息。具体可以为将高精度绝对高度信息和许可飞行高度的真实高度信息作差，获得航空器总垂直偏差，将实际飞行高度信息和许可飞行高度信息作差，获得对指定高度的飞行设置偏差，根据航空器总垂直偏差和对指定高度的飞行设置偏差获得高度测量系统误差。

全球定位系统数据采集模块11可以采集航空器上GPS接收机中的载波相位信息、基准信息及地面跟踪站的卫星星历信息。如图3所示为航空器上GPS接收机获得载波相位信息及基准信息的示意图。图3包括基准站6、航空器5及若干卫星4。全球定位卫星4不断广播GPS信号，为了保证测量准确度，GPS卫星数目不少于4个；具有已知坐标的基准站6中的GPS接收机首先进行初始化，确定整周模糊度，然后开始进行静态测量：连续接收GPS卫星信号，接收的信息包括载波相位信号；基准站6将载波相位观测值、基准站参考信息通过无线数据链发送给航空器上的GPS接收机，航空器上的GPS接收机也首先进行初始化确定整周模糊度，然后开始接收来自基准站的信息时，同时同步观测相同的卫星并同步采集该卫星的载波相位信息，并采集地面跟踪站的卫星星历信息。

如图4所示，实施例1中的数据采集及预处理模块3具体可为地面二次雷达接收机数据采集及预处理模块31及飞行情报和气象数据采集及预处理模块32和GPS测高基准与气压测高基准的二次差异曲面解算模块33，从而构成了本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统的实施例2。飞行情报和气象数据采集及预处理模块32用于从管制中心和气象部门采集数据，采集的数据主要是与缩小垂直间隔空域有关的航行情报数据和气象部门的缩小垂直间隔空域的大气参数，并通过对航行情报数据进行处理，得到航空器的许可飞行高度信息。地面二次雷达接收机数据采集及预处理模块31用于采集地面二次雷达接收机中的信息并预处理得到所述实际飞行高度信息。地面二次雷达发射机不断扫描其垂直间隔空域范围内的航空器，并发出询问信号，航空器上的机载模式C应答机接收到二次雷达询问信号后，把航空器的相关信息发送给地面二次雷达接收机，地面二次雷达应答接收机接收所述航空器的相关信息。数据采集模块采集地面二次雷达接收机中的信息并进行预处理。GPS测高基准与气压测高基准的二次差异曲面解算模块用于确定航空器飞行区域的测高基准差异值，首先选取该区域附近覆盖的若干个机场(至少有6个机场)，通过每个机场参考点的大地高和气压高分别获得各个机场的气压高度和椭球高度的差异值，然后根据参考点坐标位置、基准差异值构建二次基准差异曲面，在该曲面中提取航空器飞行轨迹点对应的基准差异值。

如图5所示，实施例1或2中的高度保持偏差数据处理2具体可为偏差处理分析模块21和气压高度和真实高度转换模块22，从而构成了本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统的实施例3。气压高度和真实高度转换模块22，用于利用采集到的缩小垂直间隔空域的大气参数信息将该许可飞行高度信息进行处理后得到航空器的气压高度坐标下的许可飞行高度的真实高度信息。然后利用GPS测高基准与气压测高基准的二次差异曲面得到的航空器飞行区域的测高基准差异值获得WGS84坐标系下的许可飞行高度的真实高度信息；高度保持偏差数据处理模块21用于获得许可飞行高度的真实高度信息，并对该许可飞行高度的真实高度信息以及从绝对高度获取模块1获得的高精度绝对高度信息、从数据采集及预处理模块3获得的实际飞行高度信息和许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差信息。

通过本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视系统的各个实施例综合考虑产生航空器高度偏差因素，可以得到三种高度保持偏差数据，通过对三种高度保持偏差数据进行分析处理不仅能有效地监视航空器高度保持性能，还可以获得航空器所用设备对高度保持性能的影响以及人为因素对高度保持性能的影响，特别是能够对人为因素的影响产生的偏差进行分析和量化，从而消除大的航空器高度偏差，更好的保证航空器飞行安全，提高空域利用率。

本发明还提供了一种RVSM空域航空器高度保持性能监视方法。图6为该方法的流程图，主要包括以下步骤：

采集载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息并处理得到航空器的绝对高度信息，航空器的绝对高度为几何高度；

采集航空器的许可飞行高度信息、实际飞行高度信息及航空器飞行区域的测高基准差异值，航空器的实际飞行高度信息和许可飞行高度均为气压高度；

结合缩小垂直间隔空域的大气参数及该航空器飞行区域的测高基准差异值对所述许可飞行高度信息进行处理得到许可飞行高度的真实高度信息，航空器的许可飞行高度的真实高度为几何高度；

对该许可飞行高度的真实高度信息、该绝对高度信息、该实际飞行高度信息和该许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度保持偏差信息。

图7为本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视方法实施例1的流程图。具体步骤如下：

获得载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息，这些信息可以通过从航空器上的GPS接收机和地面跟踪站上采集，航空器上的GPS接收机获得信息的方法如图8所示，具有已知坐标的基准站中的GPS接收机首先进行初始化，确定整周模糊度，然后连续接收所有可视GPS卫星信号，为了保证精度，GPS卫星数目不少于4个，基准站将基准站参考信息、载波相位观测值通过无线数据链发送给航空器上的GPS接收机，航空器上的GPS接收机也首先进行初始化确定整周模糊度，然后开始接收来自基准站的信息时，同时同步观测相同的卫星并同步采集该卫星的载波相位信息和地面跟踪站的卫星星历信息；

如所示9所示，通过最小二乘搜索法解决整周模糊度和周跳问题，对获得的载波相位信息、基准站参考信息及跟踪站的卫星星历信息进行差分解算，并利用跟踪站的卫星星历信息消除卫星星历误差、卫星星钟误差、电离层折射产生的误差、接收机钟差等误差获得基准站和航空器之间的坐标差值，把坐标差值加上基准站坐标，得到航空器的WGS84坐标，从而得到航空器的绝对高度信息；

获取航空器的实际飞行高度信息，可以从地面二次雷达接收机中采集航空器信息并处理得到航空器的实际飞行高度信息。地面二次雷达接收机获取航空器信息的具体步骤如图10所示，地面二次雷达发射机不断扫描其垂直间隔空域范围内的航空器，并发出询问信号，航空器上的机载模式C应答机接收到二次雷达询问信号后，把航空器的相关信息发送给地面二次雷达接收机，地面二次雷达接收机接收所述航空器的相关信息；

从管制中心采集航行情报数据、从气象部门采集缩小垂直间隔空域的大气参数，采集的航行情报数据主要是与缩小垂直间隔空域有关的航行高度情报数据，并对航行情报数据进行处理，得到航空器的许可飞行高度信息；

从航空器飞行区域附近覆盖的若干个机场(至少有6个机场)，获得各个机场的气压高度和椭球高度的差异值，然后根据参考点坐标位置、基准差异值构建二次基准差异曲面，最终得到航空器飞行区域的测高基准差异值；

结合缩小垂直间隔空域的大气参数及航空器飞行区域的测高基准差异值对所述许可飞行高度信息进行处理得到许可飞行高度的真实高度信息；

通过对航空器的许可飞行高度的真实高度信息、绝对高度信息、实际飞行高度信息和许可飞行高度信息进行处理得到航空器的高度偏差信息。具体可以为将绝对高度和许可飞行高度的真实高度作差，获得航空器总垂直偏差，该偏差反映航空器垂直方向总偏差；将实际飞行高度层和许可飞行高度层作差，获得对指定高度的飞行设置偏差，该偏差反映人为操作偏差；根据航空器总垂直偏差和对指定高度的飞行设置偏差获得高度测量系统误差，假定高度表基准气压值设置正确，则高度测量系统误差是高度表显示的高度与未受扰动的环境大气压的气压高度的差值，反映设备自身精度等产生的误差。

通过本发明RVSM空域航空器高度保持性能监视方法的实施例可以得到三种高度保持偏差数据，对三种高度保持偏差数据进行分析处理既能有效地监视航空器高度保持性能，又能获得航空器所用设备对高度保持性能的影响以及人为因素对高度保持性能的影响，特别是能够对人为因素的影响产生的误差进行分析和量化，从而消除大的航空器高度偏差，更精确的监视航空器高度，更好的保证航空器飞行安全，提高空域利用率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。