自动气象观测系统RVR数据偏低原因分析及解决方法探究
2020-08-19民航湖北空管分局谌诗雨
民航湖北空管分局 谌诗雨/文
航班延误一直是民众关注的热点话题，而低能见度是造成航班大面积延误的重要原因。能见度在自动气象观测系统（AWOS）中通常体现为RVR值，RVR值也是飞行员和空中交通管制员最常用的表征能见度的数值。RVR即跑道视程，是指在跑道中线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。对于机场来说，航班起降有一个最低运行标准，一般用能见度或跑道视程（RVR）来表示，例如国内一类盲降标准的RVR值需达到550米。当AWOS系统输出的RVR值持续偏低，将可能造成机场运行标准降低，导致航班延误，影响机场正常运行。
如果是正常天气现象导致的能见度偏低，我们或许无能为力，但如果是传感器测量原因导致，就应该认真探究其背后的原因，寻找解决方法。
自动气象观测系统输出RVR数据基本原理
RVR值由自动气象观测系统中的大气透射仪LT31输出。RVR计算时，白天使用柯西米德定律：ε ＝TR/b，夜间使用阿拉德定律：E＝TR/b/R2，其中R为跑道视程，T为大气透明度，b为基线长度，E为照度阈值，与背景亮度有关，I为跑道灯光强度，ε 为视觉对比感阈。
从上述公式可以看出，RVR的计算主要与三个数值相关：气象光学视程（MOR）、跑道灯光级数（RSI）、背景光亮度值（BL）。其中，MOR值由LT31测量光发射机和光接收机之间的大气透射率结合基线长度（即光发射机防护窗口与光接收机防护窗口之间的距离）计算得到；跑道灯光级数值由塔台管制员手动调节，通过RS-485信号传输到CDU中参与计算；背景光亮度值由安装在LT31接收单元支架上的背景光亮度传感器LM21提供。此外，LT31利用集成的前向散射仪PWD22实现自动校准。
RVR值偏低原因分析及解决方法
（一）前向散射仪PWD22 原因
前向散射仪PWD22测量从45°角散射的光。在测量原理上，高能见度时的读数没有精度限制，大气透射仪采用大气透射原理，在中低能见度下最精确，所以传感器默认在高能见度（4千米）采用PWD22数据，低能见度采用LT31数据。而自动校准正是利用前向散射仪测量原理的优势来校准大气透射仪的测量结果。
由此可知，在高能见度情况下，如果采用了未经自动校准的LT31输出的MOR值，会因为LT31中一些参数偏移或污染得不到补偿，而使MOR值偏小。
1.PWD22上雨传感器RAINCAP故障
雨传感器RAINCAP故障，输出错误数据，导致PWD22误判当前天气有雨。由于自动校准需满足条件：大气状况稳定无降水，所以自动校准不能进行，MOR值由没有自动校准的LT31输出，MOR值偏小。
解决方法：连接LT31，进入MENU菜单或直接连接PWD22维护端口输入“STA”命令，查看PWD22状态，系统输出如图1。
查看DRD（RAINCAP雨传感器瞬时值）项是否有*号，有*号说明瞬时值超出限制，雨传感器可能有污染或故障，此时需要彻底清洁RAINCAP表面，若还不能消除*号告警，则按照说明书更换雨传感器RAINCAP。
2.PWD22自动校准条件设置有误
通常情况下，PWD22自动校准条件为PWD22检测到当前能见度达到4千米以上，如果PWD22自动校准条件设置过高（即远高于4千米），自动校准将不能进行，MOR值由没有自动校准的LT31输出，MOR值偏小。
解决方法：连接LT31，用“DUMP”命令查看自动校准条件参数MOR的最小值是否为4000。若不为4000，进入LEVEL3命令集，用“configure”命令修改自动校准条件参数。
3.PWD22测量区域有反光物或闪光
PWD22是通过光的散射来测量能见度的，采样空间小，代表性差。如果测量区域内有可反射光的物体，极易影响测量结果，使得PWD22判断空气中颗粒较多，误认为当前天气有雨或能见度较差；若测量区域附近有闪光，可能会导致PWD22检测到光学信号峰值，产生错误。以上两种情况都会导致自动校准无法进行，MOR值由没有自动校准的LT31输出，MOR值偏小，如图2所示。
解决方法：查看室外传感器，检查PWD22测量范围附近是否有可反光物体（由于LT31采用白色LED光源，极易吸引昆虫，所以反光物极有可能是昆虫）或闪光源，将其清除即可。
4.PWD22其他硬件错误
PWD22的发射机PWT11或控制器/接收机PWC22故障，可能导致当前能见度测量不准并出现PWD硬件告警，自动校准条件无法满足，导致自动校准停止，MOR值由没有自动校准的LT31输出，MOR值偏小，如图3 所示。
解决方法：出现以上情况时，室内自观终端诊断界面会产生相应告警，设备员发现告警，可迅速判断故障硬件，及时上跑道更换故障硬件。
特别注意，检修完硬件后，如果需要清洁镜头，在擦拭镜头后，要连接PWD22，用“STA”命令检查接收器和变送器的反向散射CHANGE值（瞬时信号与清洁值之差）是否接近于零，如果不接近于零，输入“CLEAN”命令将其设置为零。
（二）大气透射仪LT31 原因
1.LT31主发射模块LTL112 LED老化，导致发射光强偏低，测得MOR值偏小
解决方法：自观终端诊断页面出现LTL112 LED老化告警信息，在终端远程monitor监控LT31，查看状态代码，有LTL112相关告警。进入内场，连接LT31维护端口，输入“STATUS CHECK”命令，读取设备当前状态， 当前事件清单显示事件消息：“T5:Transmitter Main Transmitter LTL112; LED aged”（T5：发射机主发射机LTL112；LED老化），确认为LTL112的LED老化，按照说明书更换主发射模块LTL112。
值得注意的是，更换主发射模块时，如果之前主发射模块型号是LTL111，要更换成LTL112备件。在硬件安装完毕后，由于兼容性，需要更改某些配置：连接LT31维护端口，进入LEVEL3命令集，输入CONFIGURE LTM111.LIMIT_MAINTXDERA_OFF 10命令，得到如下响应：Configuration parameter LTM111.LIMIT_MAINTXDERA_OFF set to value: 10，CLOSE命令关闭维护线。至此，主发射模块LTL112的更换才算完成。
2.LT31主接收模块LTD112故障，导致接收光强偏低，测得MOR值偏小
解决方法：自观终端诊断页面出现LTD112相关告警信息，远程monitor监控LT31，查看状态代码，有LTD112相关告警。进内场连接LT31，用“STATUS CHECK”命令读取设备当前状态，查看事件清单，确认为LTD112模块故障，按照说明书更换主接收模块LTD112。
3.LT31主CPU LTC212故障
由于主CPU LTC212的主要作用是收集所有LT31上智能单元的原始数据、执行所有运算和算法，一旦出现故障，可能计算出错误的MOR值并输出，此时MOR值可能偏小；或者得出自动校准条件不满足的结果，导致自动校准无法进行，MOR值由没有自动校准的LT31输出，MOR值也会偏小。
解决方法：自观终端诊断页面出现LTC212相关告警信息，远程monitor监控LT31，查看状态代码，有LTC212相关告警。进内场连接LT31，用“STATUS CHECK”命令读取设备当前状态，查看事件清单，确认为LTC212模块故障，按照说明书更换主CPU LTC212。
特别注意，由于大气透射仪LT31是依靠光学器件测量能见度，对光学精度要求高，在更换LT31任何硬件时，容易人为触碰测量单元造成对准的偏差，也可能造成镜头的污染，所以在更换完LT31上的任何模块后，最好都要进行对准和校准操作。在给LT31校准前，建议先对PWD22进行清洁和校准。
（三）其他原因
（1）有风向与跑道方向接近的风，且风速较大，局部范围内在空气中吹起一些沙尘，正好进入了LT31的光学测量范围，造成该端LT31测量值偏低。同理，在该范围内的局部团雾也会造成LT31测量值偏低。以上情况均为正常天气现象。等风小或雾气消散，LT31测量值会自动恢复正常。
（2）在傍晚时，塔台管制员没有及时切换跑道灯光级数，导致天黑以后还是用的白天较低的灯光级数，造成LT31计算错误（RVR由MOR、跑道灯光级数RSI、背景亮度BL共同计算得出），出现RVR数值偏低情况。此时应立刻通知塔台管制员切换正确的跑道灯光级数。
思考与讨论
以上探究了自动气象观测系统RVR数据偏低的多种原因，并提出了解决方法，但是自动气象观测系统的RVR数据偏低现象本身在AWOS终端上并不会有明显的提示，RVR值还是照常显示，不会像其他数值异常时一样出现数值颜色变化或红色斜杠，这就需要气象设备人员在进行自动气象观测系统设备检查时不仅要留意设备状态，还要关注数值本身，必要时还需进行数值的比对。
RVR值偏低的情况只出现在跑道的某一端情况较多，此时要将该端RVR值与跑道其他端RVR值进行比对，结合观测员报告的实际天气情况，判断该端RVR值是否出现异常。然而，能否将低效的“人防”转化为高效的“技防”，是否可以在Vaisala提供的AWOS显示界面中加入语句，实现跑道上所有RVR数据的横向对比及历史数据的纵向对比。当系统判断RVR数值出现异常时，在显示界面通知栏显著提示，提醒数据的使用者如管制员或观测员，当前RVR数值可能不可靠，同时设备员也能更快发现异常，迅速做出反应，解决问题，避免对航班运行造成不必要的影响。
再者，出现硬件故障时，由于所有AWOS传感器都是模块化结构，出现问题只需按照说明书更换相应板件即可。但当没有可替换板件或可替换板件不足时，有没有临时解决问题的替代方法可以选择，是否可以自行修复故障的板件，如何修复，这些都还需更加深入的探究与思考。
