一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法与流程

1.本发明属于民用航空技术领域，具体涉及一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法。


背景技术：

2.根据中国民用航空总局令第122号《民用航空使用空域办法》，雷达管制扇区最低雷达引导高度是指应当在雷达管制扇区内，根据地形、通信和雷达信号覆盖情况确定的、满足最低飞行高度和管制员实施雷达引导所需的高度，这个数值应当以50米向上取整。根据md-tm-2005-002《最低雷达引导高度规程》第十二条，雷达引导扇区的最低雷达引导高度，应当为该雷达引导扇区超障区范围内的控制障碍物的标高，加上相应的超障余度，然后向上以50米取整。第十三条，雷达引导扇区超障区范围内的超障余度，应当根据地形特征确定，至少提供300米的超障余度，在高原和山区提供多至600米的超障余度。
3.所以，通常情况下雷达管制扇区最低雷达引导高度，定为雷达扇区内最高控制障碍物高度加300米，往上以50米取整，这样的划设方式可以满足部分雷达监视性能需求，但在实际运行过程中，却还是存在明显的弊端，大部分雷达扇区分析过程中就发现按此高度并不能完全支撑整个扇区的运行，同时这种处理方式也不太适用于多个障碍物高度几乎相同，但是距离却存在远近的情况。
4.因此传统的划设方式明显存在以下的问题：当存在几个障碍物相对高差不大，障碍物距离雷达的距离却差别较大时，以最高障碍物作为控制点，虽然看似高度是最高的，但是可能距雷达的距离远，相对的遮蔽角较小；而其他障碍物虽然高度没有最高控制障碍物高，相对于雷达距离较近导致遮蔽角较大。同时扇区360度范围内各个边界距雷达中心的距离也不相同，有的扇区边界点设定的较远，需要结合扇区的距离来统筹考虑。
5.因此，提供一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，能确保雷达的管制扇区内覆盖良好，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其结合多个障碍物的位置和高度，以及扇区边界距雷达的距离，共同确定扇区范围内的最低监视引导高度，解决现有技术中扇区划设过程中按最高控制点障碍物高度+300米高度时，可能出现雷达信号不能完全支撑扇区所有位置的技术问题。
7.申请人经过大量试验，付出了创造性的劳动后发现，某空中点位的遮蔽角与该点的高度和该点与雷达的距离有关。扇区高度的优化是要确保扇区划设范围内每一个点都应该保证能够完全覆盖。根据机场扇区划分情况，部分机场的部分扇区边界点为标准的圆形，那么这代表扇区各个边界点距雷达距离相同，但是大多数扇区各个边界点相对于雷达的距离是不相同的。因此在定雷达的最低监视引导扇区内各个扇区的最低监视引导高度时，应该结合障碍物遮蔽角和扇区边界距离两种影响因素来制定雷达扇区的最低监视引导高度。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.本发明提供的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，包括以下步骤：
10.s1.以雷达为圆心，0～360
°
范围内得到整个范围内所有障碍物的高度和水平距离；针对多个障碍物，分别定义各个障碍物的高度和水平距离，
11.障碍物1：高度为h1、距离ds1；
12.障碍物2：高度为h2、距离ds2；
13.……
14.障碍物n：高度为hn、距离dsn，
15.确定最高障碍物的高度为ho，ho＝max(h1，h2，
…hn
)，水平距离定义为dso；
16.进入s2；
17.s2.确定要分析扇区的边界点，计算各个边界点到雷达中心的水平距离；
18.s3.初步确定最低监视引导高度h＝h+300；h＝ho；
19.s4.确定最大遮蔽角θ0，以及最大遮蔽角的障碍物高度h
θo
；
20.当最高障碍物的高度h等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h＝h
θo
+300。
21.本发明的部分实施方案中，所述s4中，当最高障碍物的高度h不等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h需要重新优化；优化步骤转入s5；
22.s5.将遮蔽角最大的障碍物换算到最高障碍物的位置处等效的高度，即h
dso
，此时的h
dso
必然大于最高障碍物的纯物理高度；
23.如果扇区各个方位的边界距离雷达的水平距离相同，最低监视引导高度优化为h＝h
dso
+300。
24.本发明的部分实施方案中，所述s5中，如果扇区各个方位的边界距离雷达的水平距离不相同，需要对最低监视引导高度进行优化，优化步骤转入s6：
25.s6.根据s2的计算结果，确定距离雷达最远的水平距离d
max
；
26.假设遮蔽角最大的障碍物恰好是处于距离雷达中心最远的扇区边界点上，此时需要计算这个遮蔽角是否能够覆盖到最远距离d
max
处，计算
[0027][0028]
式(1)中，d
θ0
表示接收点为h＝h
dso
+300时，距离雷达中心的水平距离，单位：千米；
[0029]
θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0030]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；
[0031]dmax
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位：千米；
[0032]
如果d
θ0
≥d
max
，最低监视引导高度定为h＝h
dso
+300。
[0033]
本发明的部分实施方案中，如果d
θ0
＜d
max
，障碍物本身的遮蔽角已经远远大于了按照修订了的最低监视引导高度后雷达在最远边界点处的遮蔽情况，需要用最大的障碍物遮蔽角θo去反算位于d
max
处的高度；具体计算公式如下：
[0034][0035]
h(θ
o-d
max
)表示根据扇区边界距离的情况修正后的最低监视引导高度，单位：米；
[0036]
θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0037]dmax
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位：千米；
[0038]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米。
[0039]
本发明的部分实施方案中，s1中，以雷达为圆心，0～360
°
范围内以1
°
为间隔，得到整个范围内所有障碍物的高度和距离。
[0040]
本发明的部分实施方案中，所述s6中，按如下方法确定距离雷达最远的距离d
max
：
[0041]
以雷达为坐标点圆心，假设分析扇区有n个边界点，计算各个扇区边界点距雷达的距离分别为|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|根据各个距离计算出距离雷达最远的扇区边界距雷达的距离d
max
，d
max
＝max(|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|)。
[0042]
本发明的部分实施方案中，所述s4中，根据以下公式，计算出各障碍物的遮蔽角；
[0043][0044]
式(3)中，θi：障碍物i的遮蔽角，单位：
°
；
[0045]hi
：障碍物i的高度，单位：米
[0046]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米
[0047]
dsi：距离地球圆心半径为r+ha处，天线与障碍物i之间的等效弧长，单位：千米；
[0048]
求出所有的遮蔽角θi(i＝1,2
…
n)，确定最大的障碍物遮蔽角θ0，
[0049]
θ0＝max(θ1，θ2…
θn)。
[0050]
本发明的部分实施方案中，所述s5中，按如下方法计算h
dso
：将最高障碍物所在位置dso设定为需要计算的位置；将遮蔽角最大的障碍物通过雷达作用距离计算公式，换算到最高障碍物的位置处等效的高，即h
dso
；
[0051][0052]
θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0053]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；
[0054]
dso：最高障碍物的距离，单位：千米。
[0055]
本发明的技术方案中，公式(3)的推导过程如下：
[0056]
设某个障碍物m，首先建立障碍物m的相对位置关系：
[0057][0058]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米
[0059]
r：地球半径，单位：米
[0060]
ds
m1
：距离地球圆心半径为r处，天线与障碍物m间沿着地球表面距离，单位：米；
[0061]
ds
m2
：距离地球圆心半径为r+ha处，天线与障碍物m之间的等效弧长，单位：米；
[0062]
θm：天线与障碍物m之间相对于地球圆心夹角，单位：
°
；
[0063]
求出ds
m1
和ds
m2
[0064][0065][0066]
由以上关系式可知：ds
m1
与ds
m2
有关，ds
m1
与θm有关；
[0067]
根据θs＝θ
s1-θ
s2
，要得到tanθs，得先求tanθ
s1
和tanθ
s2
，其中：
[0068]
θs：需得到的遮蔽角；
[0069]
θ
s1
：以天线的高度为基准，沿地球表面平移到障碍物处得到一个点，该点与天线以及障碍物的顶部之间形成的夹角；
[0070]
θ
s2
：以天线的高度为基准，沿地球表面平移到到障碍物处，得到一个点。同时假设遮蔽为θs时，遮蔽角下沿线延伸到障碍物处形成另一个点，这两点与天线之间形成的夹角；
[0071]
根据相对位置关系：
[0072][0073]
hs：障碍物离地高度，单位：米；
[0074]
计算θ
s2
分析得到，
[0075][0076]
当θ
s2
非常小时，tanθ
s2
≈θ
s2
[0077]
可得雷达遮蔽角计算公式：
[0078][0079]
通过以上方程式，计算每个障碍物的相对遮蔽角，
[0080][0081]
求出所有的遮蔽角θi(i＝1,2,
…
n)，确定最大的障碍物遮蔽角θ0，θ0＝max(θ
1,
θ2…
θn)，那么最大遮蔽角下的障碍物，为相对遮蔽最大的障碍物，假设此障碍物的高度为h
θo
。
[0082]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0083]
本发明设计科学，构思巧妙，本发明方法不会改变传统民航规章里面对于雷达最低监视引导高度的定义，而是结合了实际的场地环境，在分析过程中不仅仅只考虑障碍物的物理高度去界定，而且同步考虑了障碍物相对于雷达距离的这一关键因素，在此基础上将障碍物的物理高度与障碍物的等效高度进行区分，修正原有的算法，同时还结合扇区的距离进一步优化算法，使得达最低监视引导高度的定义更加科学合理并且使用起来也非常便捷。
[0084]
使用本发明方法可使雷达对扇区的覆盖情况大幅度提升，提高雷达管制扇区的覆盖能力，避免全国各地反复出现由于最低监视引导高度过低导致不能支撑划设的扇区情况；该方法应用起来也较为便捷，对于雷达运行管理人员来说，只需要掌握测绘数据和扇区数据，即可进行推算。
附图说明
[0085]
附图1为本发明优化方法流程图；
[0086]
附图2为本发明遮蔽角计算方法示意图；
[0087]
附图3为本发明的优化方法原理示意图1；
[0088]
附图4为本发明的优化方法原理示意图2；
[0089]
附图5为本发明的优化方法原理示意图3。
具体实施方式
[0090]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0091]
本发明提供的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，包括以下步骤：
[0092]
s1.以雷达为圆心，0～360
°
范围内以1
°
为间隔，得到整个范围内所有障碍物的高度和水平距离；针对多个障碍物，分别定义各个障碍物的高度和水平距离：
[0093]
障碍物1：高度为h1、距离ds1；
[0094]
障碍物2：高度为h2、距离ds2；
[0095]
……
[0096]
障碍物n：高度为hn、距离dsn，
[0097]
确定最高障碍物的高度为ho，ho＝max(h1，h2，
…hn
)，水平距离定义为dso；
[0098]
进入s2；
[0099]
s2.确定要分析扇区的边界点，计算各个边界点到雷达中心的水平距离；
[0100]
以雷达为坐标点圆心，假设分析扇区有n个边界点，
[0101]
各个扇区边界点距雷达的距离分别为|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|；
[0102]
s3.初步确定最低监视引导高度h＝h+300，h＝ho；
[0103]
s4.确定最大遮蔽角θ0，以及最大遮蔽角的障碍物高度h
θo
；
[0104]
根据以下公式，计算出各障碍物的遮蔽角；
[0105][0106]
式(3)中，θi：障碍物i的遮蔽角，单位：
°
；
[0107]hi
：障碍物i的高度，单位：米
[0108]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米
[0109]
dsi：距离地球圆心半径为r+ha处，天线与障碍物i之间的等效弧长，单位：千米；
[0110]
求出所有的遮蔽角θi(i＝1,2
…
n)，确定最大的障碍物遮蔽角θ0，
[0111]
θ0＝max(θ1，θ2…
θn)。
[0112]
那么最大遮蔽角下的障碍物，为相对遮蔽最大的障碍物，假设此障碍物的高度为h
θo
。
[0113]
当最高障碍物的高度h等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h＝h
θo
+300。
[0114]
当最高障碍物的高度h不等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h需要重新优化；优化步骤转入s5；
[0115]
s5.将遮蔽角最大的障碍物换算到最高障碍物的位置处等效的高，即h
dso
，此时的h
dso
必然大于最高障碍物的纯物理高度；
[0116]
按如下方法计算h
dso
：将最高障碍物所在位置dso设定为需要计算的位置；将遮蔽角最大的障碍物通过雷达作用距离计算公式，换算到最高障碍物的位置处等效的高，即h
dso
；
[0117][0118]
θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0119]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；
[0120]
dso：最高障碍物的距离，单位：千米；
[0121]
如果扇区各个方位的边界距离雷达距离相同，最低监视引导高度优化为h＝h
dso
+300。
[0122]
如果扇区各个方位的边界距离雷达距离不相同，需要对最低监视引导高度进行优化，优化步骤转入s6：
[0123]
s6.根据s2的计算结果，确定距离雷达最远的水平距离d
max
；
[0124]dmax
＝max(|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|)；
[0125]
假设遮蔽角最大的障碍物恰好是处于距离雷达中心最远的扇区边界点上，此时需要计算这个遮蔽角是否能够覆盖到最远距离d
max
处，计算
[0126][0127]
式(1)中，d
θ0
表示接收点为h＝h
dso
+300时，距离雷达中心的水平距离，单位：θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0128]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；
[0129]dmax
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位为千米；
[0130]
如果d
θ0
≥d
max
，最低监视引导高度定为h＝h
dso
+300。
[0131]
如果d
θ0
＜d
max
，障碍物本身的遮蔽角已经远远大于了按照修订了的最低监视引导高度后雷达在最远边界点处的遮蔽情况，需要用最大的障碍物遮蔽角θo去反算位于d
max
处的高度；具体计算公式如下：
[0132][0133]
h(θ
o-d
max
)表示根据扇区边界距离的情况修正后的最低监视引导高度；
[0134]
θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；
[0135]dmax
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位：千米；
[0136]
ha：雷达发射天线离地高度，单位：米。
[0137]
实例1
[0138]
以某雷达扇区为例，扇区内的最高障碍物高度为500米，按照现有规范划设的最低监视引导高度应该是800米，但是经过分析，800米高度无法支撑到整个扇区的覆盖，原方法制定的雷达最低监视引导高度储存在明显的不足。经过计算最终提高到1710米才可以覆盖整个扇区，具体计算法方法如下：
[0139]
1、天线海拔高度为300米，雷达周边360度范围内存在三个较高障碍物，
[0140]
障碍物1高度为500米、距离37千米；
[0141]
障碍物2高度为480米、距离29.6千米；
[0142]
障碍物3高度为450米、距离40.7千米；
[0143]
最高障碍物为h＝500米。
[0144]
2、确定要分析扇区的边界点，计算5个边界点到雷达中心的距离，
[0145]
|cs1|＝83.3千米；
[0146]
|cs2|＝98.2千米；
[0147]
|cs3|＝122.2千米；
[0148]
|cs4|＝101.9千米；
[0149]
|cs5|＝111.1千米；
[0150]
确定最大的dmax＝122.2千米。
[0151]
3、初步确定最低监视引导高度h＝500+300＝800(米)。
[0152]
4、确定最大遮蔽角，以及最大遮蔽角的障碍物高度；
[0153]
障碍物1的θ1为：0.184
°
[0154]
障碍物2的θ2为：0.248
°
[0155]
障碍物3的θ3为：0.073
°
[0156]
确定最大障碍物遮蔽角的为障碍物2，最大的障碍物遮蔽角θo＝0.248
°
，此障碍物的高度为h
θo
＝480(米)。
[0157]
5、根据公式(4)计算出等效的h
dso
＝541(米)；
[0158][0159]
6、最低监视引导高度优化为h＝h
dso
+300＝841(米)；
[0160]
7、根据公式(1)计算d
θ0
[0161][0162]
计算得d
θ0
＝111.1千米。
[0163]
8、根据第2步骤进行分析，如果d
θ0
≥d
max
，那么，最低监视引导高度定为h＝841(米)；但是本案例分析的d
θ0
＜d
max
，需要用最大的障碍物遮蔽角θo去反算位于d
max
处的高度；具体计算公式如下：
[0164][0165]
因此需要修正h＝1710(米)。因此要想覆盖整个管制扇区，最低监视引导高度应定为1710米。
[0166]
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.以雷达为圆心，0～360
°
范围内得到整个范围内所有障碍物的高度和水平距离；针对多个障碍物，分别定义各个障碍物的高度和水平距离，障碍物1：高度为h1、距离为ds1；障碍物2：高度为h2、距离为ds2；
……
障碍物n：高度为h
n
、距离为ds
n
；确定最高障碍物的高度为ho，ho＝max(h1，h2，
…
h
n
)，水平距离定义为dso；进入s2；s2.确定要分析扇区的边界点，计算各个边界点到雷达中心的水平距离；s3.初步确定最低监视引导高度h＝h+300，h＝ho；s4.确定最大遮蔽角θ
o
，以及最大遮蔽角的障碍物高度h
θo
；当最高障碍物的高度h等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h＝h
θo
+300。2.根据权利要求1所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，所述s4中，当最高障碍物的高度h不等于遮蔽角最大的障碍物高度h
θo
时，最低监视引导高度h需要重新优化；优化步骤转入s5；s5.将遮蔽角最大的障碍物换算到最高障碍物的位置处等效的高度，即h
dso
，此时的h
dso
必然大于最高障碍物的纯物理高度；如果扇区各个方位的边界距离雷达的水平距离相同，最低监视引导高度优化为h＝h
dso
+300。3.根据权利要求2所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，所述s5中，如果扇区各个方位的边界距离雷达的水平距离不相同，需要对最低监视引导高度进行优化，优化步骤转入s6：s6.根据s2的计算结果，确定距离雷达最远的水平距离d
max
；假设遮蔽角最大的障碍物恰好是处于距离雷达中心最远的扇区边界点上，此时需要计算这个遮蔽角是否能够覆盖到最远距离d
max
处，计算式(1)中，d
θ0
表示接收点为h＝h
dso
+300时，距离雷达中心的水平距离，单位：千米；θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；d
max
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位：千米；如果d
θ0
≥d
max
，最低监视导高度定为h＝h
dso
+300。4.根据权利要求3所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，如果d
θ0
＜d
max
，障碍物本身的遮蔽角已经远远大于了按照修订了的最低监视引导高度后雷达在最远边界点处的遮蔽情况，需要用最大的障碍物遮蔽角θ
o
去反算位于d
max
处的高度；具体计算公式如下：
h(θ
o-d
max
)表示根据扇区边界距离的情况修正后的最低监视引导高度，单位：米；θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；d
max
表示距离雷达最远的扇区边界距雷达的水平距离，单位：千米；ha：雷达发射天线离地高度，单位：米。5.根据权利要求1所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，s1中，以雷达为圆心，0～360
°
范围内以1
°
为间隔，得到整个范围内所有障碍物的高度和距离。6.根据权利要求1所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，所述s4中，根据以下公式，计算出各障碍物的遮蔽角；式(3)中，θ
i
：障碍物i(i＝1,2
…
n)的遮蔽角，单位：
°
；h
i
：障碍物i的高度，单位：米；ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；ds
i
：距离地球圆心半径为r+ha处，天线与障碍物i之间的等效弧长，单位：千米；求出所有的遮蔽角θ
i
(i＝1,2
…
n)，确定最大的障碍物遮蔽角θ0，θ0＝max(θ1，θ2…
θ
n
)。7.根据权利要求2所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，所述s5中，按如下方法计算h
dso
：将最高障碍物所在位置dso设定为需要计算的位置；将遮蔽角最大的障碍物通过雷达作用距离计算公式，换算到最高障碍物的位置处等效的高，即h
dso
；θ0：最大的障碍物遮蔽角，单位：
°
；ha：雷达发射天线离地高度，单位：米；dso：最高障碍物与雷达的水平距离，单位：千米。8.根据权利要求1所述的一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，其特征在于，所述s6中，按如下方法确定距离雷达最远的距离d
max
：以雷达为坐标点圆心，假设分析扇区有n个边界点，计算各个扇区边界点距雷达的距离分别为|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|根据各个距离计算出距离雷达最远的扇区边界距雷达的距离d
max
，d
max
＝max(|cs1|、|cs2|、|cs3|
…
|csn|)。

技术总结
本发明公开了一种雷达管制扇区最低雷达引导高度的优化方法，属于民用航空领域。该优化方法包括：S1、得到雷达范围内所有障碍物的高度和距离；S2、计算扇区各边界点到雷达距离；S3、确定最低监视引导高度H＝h+300；S4、确定最大遮蔽角θ0及最大遮蔽角的障碍物高度h


技术研发人员：李沅锴 梁飞 袁斌 叶家全 林欢 许健 李鑫 孙彦龙 施瑞 李润文
受保护的技术使用者：中国民用航空总局第二研究所
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/7/11