天气雷达和航线融合显示系统研究

摘  要：华南地区对流天气发生频繁，雷雨天气对飞行安全有重要影响。为实现广州白云机场终端区范围航路天气的实时监控，提升管制和气象部门的协同效率，将天气雷达和航路叠加显示是一种最直观的办法。该系统通过B/S架构部署在航空气象综合服务系统上，基于HTML5标准利用浏览器脚本语言JavaScript调用函数绘制航线，用户可以把航线进行像素级操作。该系统针对管制部门需求进行设计，现已投入正式运行，为相关部门工作人员运行决策提供了强有力的支持。

关键词：空管;天气雷达;航线;融合;JavaScript

中图分类号：V355.1       文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）05-0038-04

Research on Weather Radar and Air Route Fusion Display System

ZHENG Yiran

（Meteorological Center of Middle South Regional Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China，Guangzhou  510403，China）

Abstract：Convective weather occurs frequently in south China and thunderstorm weather has an important influence on flight safety. In order to realize the real-time monitoring of air route weather in the terminal area of Guangzhou Baiyun airport and improve the coordination efficiency of control and meteorological departments，the superposition display of weather radar and air route is the most intuitive method. This system is deployed on the aviation weather integrated service system through B/S architecture. Based on HTML5 standard，the airline is drawn by calling functions in JavaScript，the browser script language，and the user can operate the airline at the pixel level. The system is designed according to the requirements of the control department，and has been put into formal operation，providing a strong support for the staff of relevant departments to make operational decisions.

Keywords：ATC;weather radar;air route;fusion;JavaScript

0  引  言

随着航班量持续上涨、空域相对不足，天气因素对航班运行的影响日益突出。据2019年5月中国民航局公布的报告指出，天气原因对航班的影响率达到四成以上[1]。尤其在华南地区对流天气频发的情况下，天气雷达在空中交通管制的应用中到了不可或缺的地位[2]。然而，由于天气雷达图的使用者众多，各用户的具体需求不同。对于区域管制、流量控制、终端管制等用户来说，他们需要气象产品能服务于管制业务。此前，他们往往要根据其他系统上航线的位置、或依据记忆来建立航线与天气雷达图的对应关系，这暴露了两个问题：一是查找时间较长，二是对应定位可能存在偏差的情况。为解决特定用户的需求，为管制用户提供直观、可靠的雷达航线叠加系统协助决策是该系统设计的初衷。

在雷雨天气下，空中交通管制指挥人员需要根据气象雷达图和机组的绕飞预案来选择一条安全、便于管制指挥的“航路”，然后利用雷达来引导飞机按照这一“航路”飞行[3]。机场附近的天气应为重点关注对象，广州白云机场的多普勒天气雷达能探测雷达站周围半径约250千米范围内的强对流天气和云雨分布，管制员根据机组通报的信息和天气距离机场的距离推测雷雨覆盖机场的时间，根据这一时间提前控制进港航班减速、等待，防止飞机到达目的地机场后因天气不满足着陆标准而复飞、返航、备降[3]。截至2020年，白云机场共有三条跑道投入使用：东内、东外和西跑道。机场的管制人员还要根据天气、风向的不同来选择向南或向北运行的航班进离场方向。

根据国际民航组织ICAO的定义，航空气象服务的目标是为航空飞行的安全、正常和效率作贡献。技术要适应理念，本设计主要关注点在于对天气雷达产品的展示和服务的优化，即研究如何将气象信息与管制信息融合展示，协助管制部门在不同的天气条件下对航班运行管理做出更好的决策。

1  产品设计

1.1  整体设计思路

为保证天气雷达和航线融合显示系统达到预期目标，系统的设计应遵循下列原则：

（1）实用性。注重考虑产品实效，主要满足用户基本需求，优先保证系统实现，其次保证功能的实用，侧重符合用户使用习惯;

（2）可交互性。要考虑提升用户体验，使用占用资源少、响应快的前端技术;

（3）可扩展性。既要考虑当前的需要，也要保证该系统能适应未来的新产品需求，能够方便调整模块，拓展其他功能。

通过产品界面的设计和具体功能的配置来实现该系统的目标，主要从以下方面着手：

（1）设计产品界面;

（2）对用户需要的数据进行分解，研究数据接口和数据录入;

（3）融合航迹和雷达图。要确定航线在地图显示的定位问题，将雷达图设置为底层，航线设置为叠加层动态显示。

1.2  详细产品界面设计

在设计天气雷达和航线融合系统前需要分析产品呈现界面，针对用户需求提供系统选项。雷达航线融合系统建立天气雷达信息和航线融合的二维视图，可以定制不同跑道、不同起飞方向航线和天气雷达的融合显示，提高气象雷达数据的实用性和表现力，更直观地显示各种天气系统和航线的相对位置，对管制部门能够在遇到危险天气时快捷做出决策，如图1所示。

基于用户习惯，设置用户界面左边为展示区，右边为选择区。下面重点介绍选择区的设计思路。在实际应用中，用户需结合不同范围、类型、仰角或高度层的雷达图查看天气信息。整理用户需要和产品类型，设计出符合要求的雷达图选项：机场管制用户常用的雷达图一般为60 km/125 km/250 km范围，对应范围的有高度层为3 km/6 km的CAPPI（constant altitude plan position indicatin，等高平面位置显示）雷达产品和MAX（maximum reflectivity product，最大反射率显示）雷达产品。为了简化选项，最终呈现的界面，雷达图范围单独设置一个选项，有60/125/250三个选框;雷达图产品类型和范围合为一个选项，有CAPPI 3KM/CAPPI 6KM/MAX三个选框。

广州白云机场共有三条跑道，西跑道和东内、东外跑道，为了方便用户查看，应将显示页面跑道的显示位置和目前机场的物理位置相对应（即左/中/右分别为西跑道01/东内跑道02L/东外跑道02R）。根据管制用户使用习惯，在界面增加选择运行方向的按键，提供三条跑道向北、向南运行的雷达叠加选项，02表示向北方向运行，应包含向北的进场、离场航线，20表示向南运行，同理该选项应包含向南的进场、离场航线。

要实现航线覆盖，简单的方式有先通过作图软件绘制航线，生成图片后再叠加到天气雷达图上。但考虑到用户需要放大缩小查看航线关键点附近天气情况的操作习惯，这种操作方式显得不够实用且不利于长期维护：一是针对不同类型的雷达图，需要分别制作多张航线图，修改和维护成本高;二是在缩放操作时，因小尺寸和大尺寸航线图像素不一，可能造成航线在小尺寸预览时过细、大尺寸预览时又过粗的情况;三是需要考虑加载时间，為了保证航线在放大情况下不出现马赛克，制作像素需足够高，但这会影响网页加载时间。另外，需要实现动态标注航线导航点功能，即当用户勾选“导航点”选项时在雷达图上对应位置显示导航点名。综上所述，为了实现像素级别的绘图能力，适合使用HTML5的Canvas标记元素来进行图像绘制。

2  关键技术的实现

2.1  绘制航线

叠加显示航线是该系统的核心功能，该系统将使用浏览器脚本语言JavaScript调用Canvas自带的函数（即方法）进行图形绘制。HTML5提供了Canvas标记元素。相较于传统的在服务器端先画好图片，再把图片发到浏览器中，或用第三方插件显示的方式，Canvas绘图与浏览器渲染引擎结合紧密，节约了资源，极大地简化了图形和网页中其他元素的交互过程[4]。将雷达图作为底图，创建一个Canvas元素充当覆盖在底图上的2D渲染位图区，并利用JavaScript代码访问该区域，根据绘图函数绘制跑道、航线、标识等二维图像。如图2所示，用户进入页面系统后，系统初始化加载默认设置，绘制航线并叠加在不同高度、范围、类型的雷达图上。

系统建立一个存储4张航线图的对象_ATM_LINES，分别以02/20/02fs/20fs作为对象的4个键名，每个键的值是一个字符串数组，数组的一个元素即一条航线途经的多个航线点名，数组的长度即画出对应航线图所需的航线数量。将上述航线点名作为索引，建立一个存储航线点坐标的对象_ATM_POINTS，键名为航线点名，键值为其经纬度坐标。

定义drawLineOne（）函数，在初始化或捕捉到用户选择航线的事件后，传入Canvas获取的绘图对象、_ATM_LINES的航线点名数组元素、线的样式等参数，再把航线点名作为参数传入geo2xy（）函数，遍历计算所有航线点在绘图坐标系下的坐标，绘制用户选择的航线图。当用户缩放时，jQuery捕获产品图缩放事件，获取其缩放级别后按比例改变航线宽度重绘航线。

2.2  坐标转换

要实现绘制的航线与天气雷达图融合，并叠加显示在同一个XY坐标系中，需要考虑如何将机场跑道、航线点、雷达站的经纬度坐标投影到统一坐标系下，以确定精确定位。尽管天气雷达图可能是在不同的仰角或者高度层生成的，但投影到XY屏幕坐标系下的距离和方位都是一致的，也就是说回波在XY平面坐标系下显示的位置并不因为仰角或者高度的不同而不同[5]。因此关键点在Canvas绘图区上的定位，只需要根据雷达图缩放比例和各点坐标和雷达站坐标的相对位置来计算。该系统所采用的雷达图中点位置为雷达站所在位置。

（1）在通过点的经纬度坐标求点在图上的映射时，需要将经纬度即角度转换为弧度，为方便描述，以下计算所用坐标均已经过换算：

弧度=经纬度×;

（2）假设地球球心为O点，将雷达站A点（J0，W0）为参照点，B点（J，W）为目标点，通过三角余弦定理换算，得出AOB间的夹角?：

cos?=sinW0*sinW+cosW0*cosW*cos（J-J0）

（3）已知地球半径R=6 371 km，雷达图缩放比例mapScale，通过三角函数变换，可得出二维平面上点和雷达站之间的相对位置：

mapScale;

（4）天气雷达图是以雷达站为显示中心，把气象目标物的平视图以极坐标形式显示出来，如图3所示;

（5）在该系统中，以图形可视区域左上角为坐标系原点，如图4所示。若已知雷达图像区宽度为Width，高度为Height，则其雷达中点坐标为  ;

（6）综上，可计算出目标点在该系统坐标系上的位置（x，y）为  。

3  实例介绍

该系统使用航空气象综合服务系统提供的数据接口，根据用户在操作区选择的雷达图范围和产品类型的组合条件生成接口查询语句，得到返回天气雷达产品。通过分层控制来实现气象雷达底图的定时刷新、历史气象雷达图的动画回放功能和不同时刻的选播功能，对历史数据、实时数据实现无障碍浏览，如图5所示。

在天气雷达和航线融合显示系统的操作界面，通过jQuery捕获鼠标点击、缩放等事件，完成叠加航线图的动态绘制和图片拖拽功能，确保在不同的缩放尺度下航线图叠加层都能较好地实现自适应，如图6所示。

4  结  论

天气雷达图是保障航空安全和空中交通管理的重要气象资料，在进行航线融合叠加的过程中，能充分提升产品对管制用戶的实用价值，对保障飞行安全、减少天气对飞行的影响作出了一定的贡献。在此基础上展开更多的融合系统研究，将对空中交通管理系统起到重要的作用。未来我国民航气象服务必将呈现丰富性、准确性和精细化程度更高的产品，也将是一个更加开放、更加融合的航空气象服务体系，从用户需求出发，不断改进服务质量，为航班运行的正常、安全和效益作出更大的贡献，为中国从民航大国迈向民航强国的跨越式发展作出积极的贡献[6]。

参考文献：

[1] 中国民用航空局.2018年民航行业发展统计公报 [R/OL].（2019-05-08）.http：//www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TJSJ/201905/t20190508_196033.html.

[2] 中国气象局.地面气象观测规范 [M].北京：气象出版社，2003：7-9.

[3] 杨洹.雷雨天气下民航空中交通管制指挥探析 [J].现代国企研究，2019（8）：126.

[4] 龚丽.HTML5中的Canvas绘图研究 [J].软件导刊，2014，13（4）：151-153.

[5] 李百锋，李家杰.天气雷达与航管雷达信号的同屏显示方法 [J].广东气象，2011，33（4）：60-62.

[6] 汤绪.气象服务发展框架、方向与青年人的参与——基于WMO气象服务相关战略及计划的分析与思考 [J].气象，2014，40（3）：261-268.

作者简介：郑义然（1993-），女，汉族，广东潮州人，助理工程师，本科，研究方向：气象信息系统。