[转帖]MIDAS_IV系统中跑道视程RVR算法分析
(2011-02-25 13:09:10)
标签:
杂谈 |
分类: 飞机导航 |
介绍了气象能见度、气象光学视程MOR及跑道视程RVR的由来以及它们之间的相互关系,对MIDAS_IV系统中如何计算跑道视程RVR进行了深入分析和实例解释。
关键词:气象能见度
1 引言
跑道视程RVR(在跑道中线的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)主要是在低能见度的情况下提供给机组关于跑道能见度的情况。RVR计算与能见度及背景亮度、跑道灯光强度相关联,计算中涉及许多光学量,鉴于此,本文将针对MIDAS_IV中RVR算法进行深入分析和实例解释,并阐述一些相关的光学术语。
2 理论基础
由于RVR不能直接测量得出,估算RVR基于以下三个数值:
1.
2.
3.
大气透射仪或者前向散射仪能够用来测量大气的光学透明度。跑道灯光强度可以通过测量或者按照设定的跑到灯光等级(已知跑道灯特性的情况下)估算得到。照度阈值( )可以通过背景光亮度(BL)估算得出。
为便于理解,下面列出几个与光有关的术语定义:
1.
2.
3.
4.
5.
2.1 柯什密德定律(Koschmieder’s Law)计算视程
其中b表示目标物固有亮度, 为背景固有亮度。一般 。若,则C=0,即亮度无差异,此时无法从背景上辨认目标物。若,即目标物为黑体,C=1,目标物清晰可见。这就是气象能见度选择黑色目标物的原因。
在白天能见度的定义下,成立柯什密德定律(Koschmieder's Law): (1)
这里
对于气象能见度来说,b=0, =1,并取目标物从视野中刚好消失时的距离,相应的e=0.02,得到
此式表明气象能见度与大气的消光系数之间呈简单的反比关系。
若取对比视感阈e=0.02,此值称为发现阈值,计算得出能见度,叫做目标发现距离。与之相对应,我们也称对比视感阈e=0.05 为消失阈值,计算得出能见度,叫做目标消失距离。
WMO (World Meteorological Organization) 定义的视程为目标物固有亮度对比衰减到5%时的距离。这样我们从式(1)得到:
这里 V 表示视程(Visual Range)。
通过大气透射仪得到:透射因子:
由(1.1) 得出
这里T表示光通过基线距离S后的透射比。
结合以上两式,我们得出视程V:
2.2 布格-朗伯定律计算气象光学视程(MOR)
依据辐射衰减的布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律
式中 为L=0时的光通量,s为消光系数。
从而可以计算出气象光学视程MOR,将(8)式中的L换为MOR,F换为 ,即可
得到:
对比(4)式,可以得出这样的结论,按照WMO的视程和MOR的定义,计算出来的视程V与MOR值相等。
2.3 阿拉德定律(Allard’s Law)计算夜晚跑道能见度
式中 I 为光源的光强,E表示观测者人眼处的环境亮度,x表示光源离观测者的距离。
人眼所能看见物体的照度必须大于照度视阈( ),因此,当用替换公式中E得出的x的值就是能看见跑道灯的最大视程。
得到: (11)
其中照度阈值 与背景光亮度有关,其估算公式如下:
(12)
3 RVR计算
RVR计算分为下面三种情况:
1.
2.
结合式(9)得到
式中L代表大气透射仪的基线距离,T透射因子由透射仪测量得到。
此时依据跑道灯计算的夜晚能见度的意义不大。
如果MOR小于2000m,计算RVR使用阿拉德定律计算,与下述算法相同。
3.
也就是依据式(11)得出:
推出:
求解R时不能得到解析解,可采用画出式(15)左右两边函数图像的方法得出R的数值解。式中
估算照度视阈 ,采用 即可计算得出 。ICAO建议
表1:照度视阈与背景光亮度的关系[4]。
状况 |
照度阈值 (Lux) |
背景亮度(cd/m2) |
Night 黑夜 |
8 x 10-7 |
4 - 50 |
Intermediate 黄昏/清晨 |
8 x 10-5 |
51 - 999 |
Normal day 正常白天 |
8 x 10-4 |
1000 - 12000 |
Bright day (sun,fog) 明亮白天 |
8 x 10-3 |
More than 12000 |
I--跑道灯光强度查询MIDAS计算RVR的配置文件中跑道灯光强度表得到。选择灯光强度时系统还依照如下原则[5]:
a.
b.
c.
计算公式为
其中权a的计算如下:
由 ,得到
d.
e.
4 RVR计算实例
下面给出三种背景亮度情况下MIDAS_IV RVR系统计算的MOR与RVR值的图示。计算时间区间为2个小时,MOR的值由0 m递增到2000m。
4.1夜晚、BL=15
图1:BL=15时RVR与MOR值比较图[5]
图中MOR_RAW表示MOR原值,RVR_RAW表示RVR原值,RVR_1A表示1分钟RVR的平均值,RVR_10A表示10分钟RVR的平均值。
从图中可以看出:在夜晚的情况下(BL 15),RVR的值大于MOR值,并且RVR与MOR的相关性很强。当MOR值大于903m时,RVR值为2300m。
4.2背景亮度居中、BL=180
图2:BL=180时RVR与MOR值比较图[5]
从图中可以看出:在BL居中的情况下(BL 180),RVR与MOR的相关性要弱一些,当MOR值大于1310m时,RVR值为2300m。
4.3 白天、BL=2500
图3:BL=2500 时RVR与MOR值比较图[5]
从图中可以看出:在正常白天(BL 2500)的情况下,RVR与MOR的相关性要更弱一些,当MOR值大于1607m时,RVR值便与 MOR值相等。
5 结论
综上所述,低能见度为影响航空器起降的主要气象因素之一,因此如何在低能见度期间,如何估算出跑道视程,是一项非常重要的工作及课题。估算RVR,主要依据布格-朗伯定律或阿拉德定律并考虑大气透明度或消光系数、跑道灯光强度、跑道的背景亮度三个因素,从而估算RVR,高能见度时,RVR数值与MOR值相等,意义不大;低能见度时,计算出来的RVR数值能够很好地描述当时机场能见度情况。经由本文之解析,让我们对跑道视程的估算及其与能见度、气象光学视程之间的相互关系有一完整认知。
参考文献
[1] 飞行气象学,章澄昌。北京:气象出版社,2008
[2] 大气探测原理与方法,张文煜。北京:气象出版社,2007
[3] Meteorological Calculations, Doc211103 D.Vaisala,2005
[4] Background Luminance Sensor LM21 USER'S GUIDE, M210283en-A. Vaisala,2002
[5] MIDAS IV RVR System User’s Guide, MIVRVR-U346EN-1.1.Vaisala,1999