НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Авер‘янова Юлія Анатоліївна

УДК 656.7.052(551.508.85)(043.3)

ДОППЛЕРІВСЬКО-ПОЛЯРИМЕТРИЧНА ОЦІНКА ХАРАКТЕРИСТИК ВІТРУ ДЛЯ БЕЗПЕЧНОЇ НАВІГАЦІЇ ПОВІТРЯНИХ СУДЕН

Спеціальність: 05.22.13 – Навігація та управління повітряним рухом

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аеронавігаційних систем Інституту інформаційно-діагностичних систем Національного авіаційного університету

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор,

лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Яновський Фелікс Йосипович, професор кафедри аеронавігаційних систем Національного авіаційного університету.

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Сундучков Костянтин Станіславович, заступник директора з наукової роботи Державного підприємства “Укркосмос” Національного космічного агентства;

доктор технічних наук, професор

Дем‘янчук Вільгельм Степанович, начальник відділу державного підприємства Украерорух.

Провідна установа

Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться “2 ” лютого 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, ауд. 1.002.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету за адресою: 030580, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “22 ” грудня 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук С. Павлова

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Незважаючи на значний прогрес у роз-витку авіаційної техніки, який відбувся за останні роки, проблема забезпечення безпеки, регулярності, економічності та комфортабельності польотів є дуже істотною на наш час. Сучасний рівень розвитку міжнародної авіації, постійно зростаюча інтенсивність польотів та впровадження нових концепцій, таких як “Free Flight” і CNS/ATM, потребує також розвитку систем зв‘язку, навігації і спостереження. В даних концепціях ключовою фігурою є пілот, який повинен приймати остаточне рішення в надзвичайних і непередбачених ситуаціях і несе відповідальність за наслідки цього рішення. Для високого рівня ймовірності прийняття вірного рішення пілот потребує оперативної, достовірної та як можна більш повної інформації. Отже, для забезпечення потреб сучасної авіації, для вдосконалення систем забезпечення безпеки та економічності польотів є необхідним розгляд нових методів одержання інформації.

Дуже важливою для забезпечення безпеки, регулярності, економічності та комфортабельності польотів є інформація про метеорологічний стан та небезпечні явища погоди. Згідно статистики більшість авіаційних подій і навіть катастроф відбувається при несприятливих метеорологічних умовах. Вплив небезпечних метеорологічних явищ (НМЯ) на авіаційну техніку може бути і безпосередньою причиною катастроф.

За даними Міжнародної організації цивільної авіації ICAO авіаційні події (АП), обумовлені турбулентністю, є найбільш чисельними серед тих, що обумовлені НМЯ, й у середньому складають 35,4% від загальної кількості АП. Іншім небезпечним явищем, яке пов‘язано з вітром та часто зустрічається в аеропортах України, є зсув вітру, або його різновид мікровибух чи мікропорив.

Явища, які пов’язані з вітром, надзвичайно небезпечні та можуть виникати зненацька для екіпажу повітряного судна (ПС), тому потрібна їх оперативна локалізація. Ці явища мають дуже короткий час існування (сильний зсув вітру існує від 2 до 4 хвилин) та мають відносно невеликий просторовий розмір. Але в більшості випадків ці невеликомасштабні явища виникають всередині або поблизу більш масштабних явищ, наприклад, під купчасто-дощовими хмарами та в зливових опадах. Отже, без отримання достовірної та оперативної інформації про метеорологічні процеси питання безпечної навігації повітряних суден не можуть бути вирішені в мірі, що задовольняє сучасні та перспективні потреби авіації.

Традиційно спостереження за вітром проводиться за допомогою звичайних метеорологічних приладів – анемометрів, давачів температури та тиску, а також метеорологічних супутників та локаторів (радіо або звукових). Як метеорологічні локатори найчастіше використовуються РЛС (радіолокаційні станції) 10 – сантиметрового та 3 – сантиметрового діапазонів. Головна перевага таких пристроїв – це зона покриття. За їх допомогою можливо зробити огляд великомасштабного явища за декілька секунд. Отже вони являються корисним інструментом для нагляду за великомасштабними процесами та дають змогу поліпшити якість авіаційних метеорологічних прогнозів. Здійснити локалізацію невеликомасштабних явищ, які мають короткий строк існування за допомогою існуючих радіолокаторів дуже складно.

Вимірювання інформаційних параметрів, за допомогою яких можна локалізувати зони НМЯ засобами активної радіолокації виконується за допомогою когерентних та некогерентних методів. Останнім часом увага приділяється розвитку поляризаційних методів. Цим питанням присвяченні роботи Д. Атласа, Л. Ліхтхарта, Х. Рушенберга, О. Рижкова, В. Степаненко, А. Шуп‘яцького, Ф. Яновського та інших.

На жаль, за допомогою тільки одного із звичайних методів зондування атмосфери, враховуючи рівень розвитку сучасної авіації та її потреби, неможливо вирішити усі проблеми, пов’язані з отриманням необхідної інформації про мікроструктуру, фізичні та динамічні процеси в хмарах та опадах. А це не надає можливості робити локалізацію небезпечних для авіації явищ на достатньому рівні безпеки, не обмежуючи польоти ПС.

Використовування комбінації зазначених методів надає нові можливості поліпшення якості ідентифікації типу гідрометеорів та прогнозування динамічних процесів у хмарах та опадах. Допплерівсько-поляриметрічні РЛС дозволяють оцінити параметри, які одночасно пов’язані з різними властивостями гідрометеорів (мікрофізичними та динамічними). Більш точно оцінюється інтенсивність опадів, більш детально вивчаються динамічні процеси в них. Підвищується ймовірність вірних рішень при локалізації зон небезпечних метеорологічних явищ в метеоутвореннях, таких як турбулентність та зсув вітру, що є необхідним для підвищення ефективності використання повітряного простору, втілення концепцій „Free Flight”, CNS/ATM і вдосконалення систем забезпечення безпеки польотів та управління повітряним рухом.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає державним програмам зі створення галузі метеорологічного приладобудування і розвитку авіаційного транспорту, а також держбюджетним та госпрозрахунковим НДР №822-Х96/4-1-4.4, №009ДБ-01 “Розробка методів і комп’ютеризованих засобів багатоальтернативного виявлення та розв‘язання конфліктних ситуацій в соціотехнічних системах”, "Дослідження нових методів дистанційного зондування атмосфери". Остання виконана за контрактом з TU-Delft. Розроблені моделі використовуються в НДІ “Буран” при виконанні ДКР.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка і дослідження нового допплерівсько-поляриметричного підходу до оцінки характеристик вітру, які впливають на польоти повітряних суден. Для досягнення поставленої мети необхідно було розв‘язати такі наукові задачі:

1. Встановити яким з небезпечних метеорологічних явищ доцільно приділити першочергову увагу з точки зору вирішення нагальних питань безпеки польотів.

2.Провести аналіз існуючих методів і засобів дистанційного зондування атмосфери. З‘ясувати недоліки та обґрунтувати необхідність застосування нових методів радіолокаційного зондування та використання нових інформативних параметрів.

3.Дослідити вплив вітру на форму, орієнтацію та динаміку руху розсіювачів зондувального радіолокаційного сигналу.

4.Описати моделі, які зв‘язують характеристики радіолокаційного сигналу з динамічними процесами в метеоутворенях.

5.З‘ясувати які з характеристик сигналу є найбільш чутливими до динамічних процесів в метеоутворенях.

6.Розробити математичну модель, що зв‘язує характеристики допплерівсько-поляриметричного зондування з динамічними процесами в метеоутвореннях.

7.Зробити верифікацію моделей, порівнявши дані експерименту з даними математичного моделювання.

8.Розробити рекомендації щодо застосування допплерівасько-поляриметричних параметрів зондування метеорологічних об‘єктів.

Об‘єктом дослідження є дистанційне одержання метеорологічної інформації для забезпечення керування повітряним рухом.

Предметом дослідження є допплерівсько-поляриметричний метод виявлення небезпечних для авіації явищ пов‘язаних з вітром.

Методи наукового аналізу. При розв‘язанні задач використані методи теорії сигналів, теорії ймовірностей, математичної статистики, математичного моделювання, сучасних комп‘ютерних технологій. Результати теоретичних досліджень підтверджені експериментально.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше запропоновано використання допплерівсько-поляриметричного (Д-П) підходу до отримання інформації з метою метеорологічного забезпечення повітряного руху.

2. Створені математичні та комп'ютерні моделі зв'язку характеристик вітру з Д-П параметрами.

3. Виконана верифікація моделей за даними експериментів та експериментально підтверджена працездатність запропонованого підходу.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати дозволяють:

1.Реалізувати більш детальне та надійне отримання інформації про зони небезпечних метеорологічних явищ по маршруту польоту.

2.Підвищити безпечність і покращити економічні показники польоту при навігації в складних метеорологічних умовах.

4.Надати рекомендацій відносно формулювання науково обґрунтованих вимог до нових бортових і наземних метеорологічних радіолокаторів щодо виявлення небезпечних для авіації вітрових явищ в хмарах і опадах.

5.Методом моделювання отримати характеристики зв‘язку Д-П параметрів, які можна вимірювати, з характеристиками вітру та опадів.

6.На стадії попереднього дослідження замінити натурний експеримент комп’ютерним моделюванням та заощадити значні кошти за рахунок зниження витрат на НДР і ДКР.

Результати роботи можуть бути використані для розробки нових бортових та наземних засобів спостереження та отримання метеорологічної інформації необхідної для забезпечення навігації та управління повітряним рухом, а також при подальших наукових дослідженнях в області підвищення ефективності методів та засобів забезпечення керування повітряним рухом та безпеки польотів. Результати роботи впроваджені у ДКР НДІ “Буран”, м. Київ.

Особистий внесок здобувача. Результати, які становлять основний зміст роботи, отримані автором самостійно. В роботі [2] виконаний аналіз зв‘язку нової допплерівсько-поляриметрічної характеристики радіолокаційного сигналу з турбулентністю в дощі, [4] - огляд та аналіз адаптивних алгоритмів виявлення турбулентних зон, [3] - розробка та дослідження моделі відповідно сформульованої науковим керівником задачі, [5] - розробка та реалізація моделі нахилу крапель в дощі відповідно до встановленої керівником задачі, [6] - аналіз можливостей бортового метеорологічного радіолокатора в якості інструмента для автоматичного масштабування, [7] - аналіз взаємозв‘язку між характеристиками дощу та допплерівсько-поляриметричними параметрами, [8] - розробка моделі вітрового стану атмосфери при польоті повітряного судна, [9] - розробка та реалізація моделі зв‘язку вітрових параметрів атмосфери з характеристиками сигналу поляриметричного радіолокатора.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях :

- 4 міжнародному симпозіуму “Physics and engineering of millimeter and sub-millimeter waves” (MSMW), червень 2001, Харків, Україна;

- International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), 7 - 11 November 2001, Bursa, Turkey;

- Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET) міжнародна конференції, вересень 2002, Київ, Україна;

- 6 міжнародна науково-технічна конференція АВІА, Київ, квітень 2004;

- Науково-технічна конференція студентів і молодих вчених Політ, Київ, квітень 2004;

- European Radar Conference (EuRAD), 11-15 October 2004 – RAI, Amsterdam, The Netherlands.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 4 статті у фахових наукових журналах і збірниках, які входять до переліку ВАК України (у тому числі 1 стаття без співавторів), а також сім робіт у збірниках матеріалів і праць міжнародних і національних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, додатку (акт впровадження результатів дисертаційної роботи)

Загальний обсяг роботи 146 стор.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми дисертації та необхідність проведення досліджень. Викладено мету роботи, сформульовані основні положення, які виносяться на захист, їх практичне значення та наукова новизна, коротко розкрито зміст дисертації. Наводяться відомості про апробацію та структуру роботи.

У першому розділі зроблено огляд небезпечних метеорологічних явищ (НМЯ) та аналіз існуючих методів їх виявлення. Огляд НМЯ показав, що авіаційні події, які обумовлені вітровими явищами, є найбільш чисельними і небезпечними серед подій, які викликані НМЯ.

Аналіз методів виявлення зон НМЯ засобами активної радіолокації показав, що звичайні некогерентні методи дозволяють вимірювати тільки одну величину – радіолокаційну відбиваність. Поляриметричні методи є чутливими до зміни орієнтації та форми розсіювачів сигналу і дозволяють ідентифікувати тип гідрометеорів. Когерентні методи дозволяють диференційно оцінити динамічні процеси, які пов‘язані з рухом гідрометеорів у об‘ємі, що відбиває. За їх допомогою можна оцінити радіальну складову швидкості гідрометеорів.

Аналіз методів також дозволив сказати, що окреме використання кожного з методів не вирішує повністю задачі визначення характеристик метеооб‘єктів, які пов‘язані з небезпечними для авіації явищами. Комбінація зазначених методів, а саме допплерівських і поляриметричних, дає можливість вирішення задачі виявлення і оцінки параметрів небезпечних явищ, пов‘язаних з вітром.

У розділі наведена постановка задачі подальших дисертаційних досліджень.

У другому розділі “Математичні моделі допплерівсько-поляриметричного зондування хмар та опадів” були розроблені та проаналізовані моделі з метою виявлення параметрів, які є чутливими до динамічних процесів в опадах. Зроблено аналіз феноменологічних моделей допплерівських спектрів:

- розподілу крапель за швидкостями падіння;

- розподілу крапель за турбулентними швидкостями з урахуванням усіх крапель в межах інтегрування;

- розподілу крапель за турбулентними та гравітаційними швидкостями.

Проаналізовано моделі зворотного розсіювання від сфероїду та ансамблю сфероїдів (форму краплі апроксимуємо сфероїдом).

Розроблено модель зв‘язку нахилу крапель з турбулентністю [5].

На рис.1 наведено один з результатів розрахунків з використанням моделі нахилу за рахунок турбулентності. Показано вплив значення універсального параметру, який кількісно характеризує інтенсивність турбулентності – швидкість дисипації кінетичної енергії

Рис.1. Середньоквадратичне значення

кутів нахилу як функції діаметру краплі

турбулентності (ШДКЕТ) на поведінку кривої середньоквадратичного відхилення кутів нахилу крапель як функції діаметру крапліпри куті місця антени =30o та при значеннях ШДКЕТ: =10 cм2/с3 (суцільна лінія); =50 cм2/с3 (пунктирна лінія);=500 cм2/с3 (штрихова лінія).

З рис.1. видно, що турбулентність сприяє більшому нахилу крапель меншого діаметру та що нахил крапель збільшується при збільшенні значення ШДКЕТ. Зроблено огляд нових допплерівсько-поляриметричних параметрів, зокрема допплерівських спектрів при різних значеннях поляризація переданої та прийнятої хвиль та параметрів ширини допплерівського спектра.

Введено нові допплерівсько-поляриметричні параметри, такі як спектральна диференціальна відбиваність, спектральне лінійне деполяризаційне відношення, нахил спектральної диференціальної відбиваності та лінійного деполяризаційного відношення.

Спектральна диференціальна відбиваність sZdr визначається як відношення спектральних щільностей потужності для відповідних частот допплерівських спектрів при горизонтальній та вертикальній поляризаціях. На відміну від відомої диференціальної відбиваності Zdr, величина sZdr, що вимірюється, є не числом, а функцією швидкості sZdr(v): , де , - допплерівські спектри прийнятих сигналів при вертикальній і горизонтальній поляризаціях.

Спектральне лінійне деполяризаційне відношення (СЛДВ) також є функцією і визначається як , де - допплерівський спектр прийнятого кросс-поляризаційного сигналу,- допплерівський спектр при вертикальній поляризації.

Тангенс кута нахилу прямої лінії регресії ResZdr до осі абсцис позначається Slope sZdr=tg(рис.2) і є нахилом спектральної диференціальної відбиваності – одним з інформативних допплерівсько-поляриметричних параметрів.

В другому розділі зроблено аналіз залежностей параметрів sZdr та від різних факторів (швидкості падіння крапель, діаметру крапель, впливу кута місця антени, дисперсії кутів нахилу тощо) для виявлення впливу на них динамічних параметрів у потенційно небезпечних об‘єктах [7].

Рис.2. Змодельовані спектральні і як функції швидкості з лініями регресії.

На pис.3. показано залежність спектральної диференціальної відбиваності від діаметру крапель при =30o і різних значеннях дисперсії кутів нахилу частинок (=10 (суцільна лінія); =300 (пунктирна лінія), =90o (штрихова лінія).

З аналізу залежностей спектральних параметрів можна сказати, що модель забезпечує реалістичні значення спектральних диференціальної відбиваності та лінійного деполяризаційного відношення. Навіть відносно невеликі значення дисперсії кутів нахилу (приблизно 1°) викликають деякі зміни в значеннях поляризаційних параметрів.

Рис.3. Залежність спектральної диференціальної

відбиваності від діаметру крапель

При збільшенні , тобто при більш хаотичній орієнтації частинок, що в реальних умовах може бути викликано динамічними процесами зменшується, а - зростає. Аналіз показує, що динамічні явища впливають на значення і протилежним чином. реагує на нахил переважно, коли розмір крапель великий. Залежність від зменшується, коли зростає. Отже, одночасне вимірювання обох поляризаційних параметрів може дати більш певну інформацію про мікрофізичні характеристики гідрометеорів в досліджуваному об’ємі.

Також змодельовані залежності нахилу від ШДКЕТ та ширини допплерівського спектра (рис.4, 5).

Як видно з рис.4 з ростом інтенсивності турбулентності крива залежності slope sZdr стає більш пологою. Це говорить про чутливість цього параметру до інтенсивності турбулентності, та необхідності подальших досліджень для підтверджень теоретичних викладок. Залежність на рис.5. схожа на попередню на рис.4., але має більш нелінійну форму.

Рис. 4. Взаємозв‘язок між slope sZd Рис. 5. Змодельована залежність

i ШДКЕТ Eps [cм2/с3] при =5, між і шириною

Do=1.62, Lmax=75, Rint=0.96 мм/г/ допплерівського спектра.

Після огляду, моделювання та аналізу даних, що було зроблено в розділі 2, можна сказати, що допплерівсько-поляриметричні параметри, які виявили чутливість до динамічних процесів і потребують подальших досліджень це: .

В третьому розділі дисертації “Можливості використання допплерівсько-поляриметричного зондування для оцінки характеристик вітру в хмарах і опадах” зроблено детальне дослідження аеродинаміки краплі з метою обґрунтування використання допплерівсько-поляриметричних параметрів, які чутливі до зміни форми та орієнтації краплі, для виявлення зон НМЯ, пов‘язаних з вітром.

Досліджена та показана можливість використання поляриметричних методів для оцінки характеристик вітру в хмарах та опадах. Отримана залежність зв‘язку форми та просторової орієнтації крапель з параметрами вітру. Для визначення зв‘язку динамічних параметрів “сухого” вітру і гідрометеорів запропоновано та використано метод суперпозиції сил та інтеграл згортки, де дія вітру розглядається як вхідний сигнал, реакція гідрометеора - як вихідний сигнал, а динамічні характеристики гідро метеора - як його перехідна та імпульсна характеристики в їх класичному розумінні. В якості динамічного параметру гідрометеора запропонована і використана постійна , яка враховує вплив масової і аеродинамічних (лобовий опір і тертя) сил на краплю, яка рухається в повітрі.

В роботі показано зв‘язок між поляризаційними параметрами радіолокаційного сигналу та динамічними процесами в опадах. Це дає можливість застосування поляризаційних параметрів для оцінки тангенціальних швидкостей розсіювачів, що раніше вважалося неможливим. Тангенціальну складову швидкості не можна вимірювати однопозиційними допплерівськими радіолокаторами.

В четвертому розділі дисертації “Експериментальні дослідження моделей допплерівсько-поляриметричного зондування” наведено результати експериментальних досліджень моделей допплерівсько-поляриметричної радіолокації опадів.

Вимірювання проводились у Делфтському технічному університеті радіолокаторами DARR і TARA згідно з розробленою спільно з НАУ методикою. Обробка даних у вигляді первинних записів відбитих сигналів у цифровій формі виконувались в рамках даної роботи [1].

Рис.6. Порівняння виміряної та змодельованої

спектральної диференціальної відбиваності.

У роботі наведено діаграми, які ілюструють порівняння обчислених згідно з розробленими моделями параметрів, які виявили найбільшу чутливість до динамічних процесів, з даними експерименту. На Рис. 6. показані залежності спектральної диференціальної відбиваності EZdr від допплерівської швидкості, що отримана експериментально по одній реалізації та змодельованої Zdr. Розрахунки моделі було зроблено при наступних значеннях параметрів: =1cм2/с3; =5; =75м; =1.62мм (відповідає інтенсивністі дощу 1 мм/г, який і був об‘єктом спостереження при виконанні експерименту). В роботі показано, що після усереднення даних поведінки кривих, отриманих моделюванням і експериментально, мають схожій характер.

Зв‘язок між нахилом кривих спектральної відбиваності (slope sZdr) і шириною допплерівських спектрів (?Vh) показаний на рис.7. Точки відповідають експериментальним вимірюванням, а суцільною лінією показано результати розрахунків за розробленою моделлю при інтенсивності дощу 1 мм/г, ,,, - змінна величина.

Рис.7. Виміряна та змодельована залежності

нахилу sZdr від ширини допплерівського

спектра при =5

Отримані результати дають можливість сказати, що розроблені моделі пройшли свою верифікацію та їх можна вважати адекватними.

Це підтверджує дієвість розробленого допплерівсько-поляриметричного підходу до одержання метеорологічної інформації, необхідної для безпечної навігації.

Кінцеві усереднені та інтерпольовані результати оцінки допплерівсько-поляриметричних параметрів, які отримані за допомогою TARA та при застосувані методики обробки, що наведена в [2] показано на рис.9.

Результати цієї обробки даних наочно демонструють зв‘язок між параметром slope і турбулентністю в опадах. Розроблена методика обробки даних дозволила отримати результати зручні для інтерпретації, а результати експерименту підтвердили наведені вище теоретичні висновки про залежність параметра slopeвід інтенсивності турбулентності. Отримані результати дозволяють стверджувати, що чим більше значення нахилу спектральної диференційної відбиваності, тим слабкіша турбулентність в опадах і навпаки. Таким чином, допплерівсько-поляриметричний параметр slope є новим параметром, який можна використовувати для виявлення зон небезпечних метеорологічних явищ, пов‘язаних з вітром.

Рис.9. Порівняння параметра, що вимірюється –нахилу і параметру турбулентності - ШДКЕТ

Висновки

1. Аналіз авіаційних подій, які обумовлені метеорологічними явищами, показав, що вітрові явища є найбільш чисельними і небезпечними та потребують дослідження і розробки методів і засобів їх локалізації. Особливо важливим це стає з постійно зростаючими обсягами польотів та впровадженням нових концепцій міжнародної авіації, таких як СNS/ATM і “Free Flight” .

2. Аналіз можливостей існуючих методів виявлення небезпечних явищ показав, що вони не задовольняють в достатній мірі потреби сучасної авіації, є нагальна потреба їх подальших досліджень та вдосконалень. Одним з перспективних методів отримання метеорологічної інформації для підвищення ефективності та безпеки польотів є допплерівсько-поляриметричний метод. Такий метод дозволяє отримувати характеристики, які пов‘язані як з мікроструктурою опадів, так і з динамічними процесами в них, а отже містять в собі набагато більше інформації одночасно про стан метеооб‘єкта та процеси в ньому. Використання таких параметрів дозволить суттєво підвищити ймовірність виявлення НМЯ.

3. Аналіз поляризаційних та допплерівських характеристик сигналу показав, що найбільш інформативними є параметри, які можна одержати при різних комбінаціях поляризації переданої та прийнятої хвилі. Такі комбінації містять більше інформації, ніж кожний з них окремо. Запропоновані допплерівсько-поляриметричні параметри , які виявили чутливість до динамічних процесів в метеоутвореннях, є новими та перспективними. Вони потребують подальших досліджень з метою їх доцільного застосування в метеонавігаційних системах керування повітряним рухом.

4. Експериментальна верифікація допплерівсько-поляриметричних моделей довела можливість та доцільність використання параметрів як ширини допплерівського спектра (ШДС), так і нахилу спектральної диференціальної відбиваності для одержання інформації про турбулентність. Обробка результатів експерименту підтвердила адекватність розроблених моделей і залежність між та інтенсивністю турбулентності, яка є зворотною.

5. Проведені дослідження показали можливість використання поляриметричного методу для оцінки характеристик вітру в опадах. Отримана залежність зв‘язку форми та просторової орієнтації крапель з параметрами вітру, яка може використовуватися для поляриметричного виявлення та оцінки динамічних процесів. Поляриметричні пристрої є набагато дешевшими ніж допплерівські РЛС, які використовуються з цією метою, крім того, використання поляриметричного підходу надасть нові можливості вже існуючим РЛС.

6. Для визначення зв‘язку динамічних параметрів “сухого” вітру і руху гідрометеорів запропоновано використати метод суперпозиції сил та інтеграл згортки, коли дія вітру розглядається як вхідний сигнал, реакція гідрометеора як вихідний сигнал, а динамічні характеристики гідрометеора - як його перехідна і імпульсна характеристики в їх класичному розумінні. В якості динамічного параметру гідрометеора запропонована і використана стала , яка враховує вплив масової і аеродинамічних (лобовий опір і тертя) сил на краплю, яка рухається в повітрі.

7. В роботі показано зв‘язок між поляризаційними параметрами радіолокаційного сигналу та динамічними процесами в опадах. Це дає можливість застосування поляризаційних параметрів для оцінки тангенціальних швидкостей розсіювачів, що раніше вважалося неможливим. Тангенціальну складову швидкості не можна вимірювати однопозиційними допплерівськими радіолокаторами. Це є особливо важливим для розробки перспективних бортових засобів оперативного виявлення зон небезпечних метеорологічних явищ.

8. Запропонований поляризаційний підхід до оцінки тангенціальних швидкостей робить можливим оперативне визначення зсуву бокового вітру при зльоті та заході на посадку і у даному випадку не потребує апріорного знання невідомих початкових швидкостей вітру. Такий підхід дозволить підвищити ймовірність оперативного виявлення НМЯ, пов‘язаних з вітром, і, таким чином, - ймовірність прийняття вірного рішення пілотом.

9. Результати проведеного дослідження дозволяють зробити висновок, що використання допплерівсько-поляриметричного підходу до зондування атмосфери дозволяє більш повно описувати небезпечні для здійснення польотів метеорологічні явища та підвищувати ймовірність їх виявлення. Це дозволяє ефективніше використовувати повітряний простір та підвищувати безпеку, економічність та комфортабельність польотів, а також допоможе визначити напрямки подальших досліджень з метою вдосконалення методів і технічних засобів їх реалізації. Нової якості набуває радіолокатор, здатний вимірювати як радіальні, так і тангенціальні швидкості за допомогою однопозиційної допплерівсько-поляриметричної системи.

Застосування нових методів вимірювання вітрових характеристик в наземних системах метеорологічного спостереження підвищить ефективність систем керування повітряним рухом, безпеку і регулярність польотів. Застосування відповідних методів в бортових системах спостереження надасть більше ступенів вільності пілоту при прийнятті рішень про траєкторії польоту в складних метеорологічних умовах, що необхідно для втілення концепцій „Free Flight” та CNS/ATM, підвищення безпеки та економічності польотів.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1.Аверьянова Ю.А Методика обработки данных допплеровско-поляриметрического зондирования атмосферы // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій.- Д.: Вид-во Дніпропетровського університету, 2003.- том 7.– с.172-184.

2.Авер’янова Ю.А., Яновський Ф.Й., Зв‘язок спектральної диференціальної відбиваності з турбулентністю в дощі// Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетровського університету, 2004. – том 8. – с.81-90.

3.Аверьянова Ю.А., Аверьянов А.А., Яновский Ф.И., Модель связи горизонтальной составляющей ветра с характеристиками сигнала поляриметрического радиолокатора при зондировании дождя// Вісник Харківського національного університету ім. Каразіна № 622 “радіофізика та електроніка”.- Х.:Видавничий центр Харківського національного університету, Випуск 1‘ 2004.- с.69-72.

4.Авер’янова Ю.А., Прокопенко І.Г., Прокопенко К.І.Яновський Ф.Й., „Алгоритми виявлення турбулентних зон метеорологічними радіолокаторами”: Вісник -К.: НАУ, 2004.-№1.-с.41-51.

5.Yanovsky F.J., Russchenberg H.W.J., Ligthart L.P., Averyanova Yu.A., Model of drop canting microwave remote sensing of rain// Physics and Engineering of Millimeter Waves: Збірник трудів 4 міжнародного Харківського симпозіуму MSMW , червень 2001, Харків, Україна, Vol. 1, pp.471-473.

6.Averyanova Yu.A, Belkin V. V., Dzyubenko V. P., Yanovsky F.J., Airborne weather radar as an instrument for automatic mapping// ELECO’2001: Proceedings International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 7 - 11 November 2001, Bursa, Turkey, vol. 1, pp.259 -262.

7.Yanovsky F.J., Russchenberg H.W.J., Ligthart L.P., Averyanova Yu.A., Some Relationships between Observables of Doppler-polarimetric radar and rain parameters// ELECO’2001: Proceedings International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 7 - 11 November 2001, Bursa, Turkey, vol. 1, pp.105-107.

8.Averyanova Yu.A., Averyanov A. A. к.т.н., Yanovsky F.J. д.т.н., Wind flight condition model// Mathematical methods in electromagnetic theory: Збірник трудів міжнародної конференції, вересень 2002, Київ, Україна, vol. 1, pp. 275-277.

9.Аверьянова Ю.А., Аверьянов А.А. к.т.н., Яновский Ф.И. д.т.н. Связь ветровых параметров атмосферы с характеристиками сигнала поляриметрического радиолокатора// АВІА-2004: збірник праць 6 міжнародної науково-технічної конференції, Київ, 2004, том 2, Аерокосмічні системи моніторингу та керування, Київ, 2004 с. 21.92-21.96.

10.Аверьянова Ю.А. Связь поляриметрических характеристик сигнала с параметрами ветра// Політ-2004: науково-технічна конференція студентів і молодих вчених, Київ, 15-16 квітня 2004.

11.Averyanova Yu. A. Use of Doppler-Polarimetric parameters for wind phenomena localization// EuRAD 2004 11-15 October 2004 – RAI, Amsterdam, The Netherlands.

Анотація

Авер‘янова Юлія Анатоліївна. Допплерівсько-поляриметрична оцінка характеристик вітру для безпечної навігації повітряних суден. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.13 – навігація та управління повітряним рухом. – Національний авіаційний університет, Київ, 2004.

Робота присвячена розробці та дослідженню нового допплерівсько-поляриметричного підходу до оцінки характеристик вітру в хмарах і опадах з метою підвищення ефективності виявлення небезпечних метеорологічних явищ, які пов‘язані з вітром для безпечної навігації повітряних суден. Для досягнення поставленої мети було проведено аналіз існуючих методів і засобів отримання метеонавігаційної інформації, з‘ясовано недоліки кожного, та обґрунтовано необхідність застосування нових методів радіолокаційного зондування та використання нових інформативних параметрів; описані моделі які зв‘язують характеристики радіолокаційного сигналу з динамічними процесами всередині метеоутворення; досліджено вплив вітру на форму, орієнтацію та динаміку руху розсіювачів зондувального радіолокаційного сигналу; розроблено математичні та комп‘ютерні моделі, які зв‘язують характеристики допплерівсько-поляриметричного зондування з динамічними процесами в метеоутвореннях; проведено порівняння даних експерименту з даними математичного моделювання та експериментально підтверджена працездатність запропонованого підходу.

Практична цінність роботи полягає в розробці рекомендацій щодо застосування допплерівасько-поляриметричних параметрів зондування метеорологічних об‘єктів, які можуть бути використані при формулюванні науково обґрунтованих вимог до нових бортових і наземних метеорологічних радіолокаторів для виявлення небезпечних для авіації вітрових явищ в хмарах і опадах для забезпечення навігації І КПР.

Ключові слова: безпека повітряного руху, аеронавігація, небезпечні метеорологічні явища, допплерівсько-поляриметричні параметри, турбулентність, зсув вітру, гідрометеор, математична модель, аеродинаміка краплі, оцінка характеристик вітру.

Аверьянова Ю.А. Доплеровско-поляриметрическая оценка характеристик ветра для безопасной навигации воздушных судов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.13 –навигация и управление воздушным движением. – Национальный авиационный университет, Киев, 2004.

Проведен анализ существующих методов и средств получения метеонавигационной информации, выделены недостатки каждого из них, обоснована необходимость использования новых методов радиолокационного зондирования и информативных параметров; описаны существующие модели, связывающие характеристики радиолокационного сигнала с динамическими процессами в метеообъекте и разработаны новые: доплеровские и поляриметрические, с учетом влияния ветра на форму, ориентацию и динамику движения рассеивателей радиолокационного сигнала; проведено сравнение экспериментальных данных с данными математического моделирования; работоспособность предложенного подхода подтверждена экспериментально. Разработаны рекомендации для использования доплеровско-поляриметрических параметров зондирования метеообъектов, которые можно использовать при формулировании научно обоснованных требований к новым бортовым и наземным метеорологическим радиолокаторам для обеспечения безопасной навигации и УВД.

Ключевые слова: безопасность воздушного движения, аэронавигация, опасные метеоявления, доплеровско-поляриметрические параметры, сдвиг ветра, турбулентность, оценка характеристик ветра, гидрометеор, аэродинамика капли.

Averyanova Yuliya. Doppler-polarimetric wind characteristics estimation for safe navigation of aircrafts.

The Thesis for Candidate of Technical Sciences degree on specialty 05.22.13 – Navigation and Air Traffic Management. – National Aviation University, Kiev, 2004.

Analysis of present methods and means of obtaining weather information is made, disadvantages of each of the methods are shown, the necessity a new radar remote sensing method  is proved; models that connect radar signal characteristics with dynamic processes in weather object are described and developed new ones, Doppler and Polarimetric, with consideration wind influence on shape, orientation and motion dynamics of radar signal scatterers; experimental data are compared with the results of the mathematical modeling; efficiency of the proposed approach is proved by the experiment. The main results of the work can be used for the development of specifications for new onboard and new ground based weather radars to provide safe navigation and ATC.

Key words: air traffic safety, aeronavigation, dangerous weather phenomena, Doppler-polarimetric parameters, wind shear, turbulence, wind characteristics estimation, aerodynamics of drop.