一种QNH监控系统的设计与实现

牛一波

（中国民用航空河南空中交通管理分局，郑州 451162）

0 引言

空中飞行的航空器主要通过水平和垂直间隔实现安全运行，实际工作中，航空器除了起降阶段外，使用的是气压高度（如航路阶段使用标准大气压高度，终端/进近管制范围过渡高度以下使用修正海平面气压高度（QNH））[1]。通常，空管自动化系统会根据实时的QNH值对航空器的飞行高度进行修正，该步骤也是空管自动化系统两项告警的关键步骤。因此QNH数据的实时、准确是影响管制安全的重要因素。

虽然当前各地应用有数字通播系统实现对QNH数据的实时播放，但是实时修正海平面气压值（QNH）的提供还是需要管制员人工向机组播报。这一方面分散了管制员的工作精力另一方面也增加了管制员的工作量，是一个潜在的运行风险。本文提出一种QNH监控系统，该系统通过融合处理空管S模式雷达数据和AFTN QNH报文信息，可以实时提醒管制员机组设置的气压基准值情况并与实际的QNH数据进行对比，提高QNH的智能纠错效率。

1 系统的设计

系统通过C#实现软件设计，主要分为数据接收融合模块、告警模块和界面处理模块。数据接收解析模块在程序中使用异步UDP实时接收并解析来自S模式雷达的ASTERIX CAT048数据[2]和通过串口接收转报系统的QNH AFTN报文数据，经过多数据融合处理生成并更新动态列表；告警模块则按照管制权限对动态列表进行航迹分类，不同类别航迹分别计算是否满足告警条件，最终将消息送达到终端界面显示；而界面处理模块则完成普通的用户数据处理接口设计和告警功能显示，主要涉及终端界面处理。系统的结构框图如图1所示。

图1系统设计结构图

2 系统的实现

2.1 数据接收处理

对于转报机AFTN报文的处理，民航转报机主要通过RS-232或双流串口传输向外输出具体的报文信息，QNH作为气象观测报文也同理。因此系统必须设计串口接收程序，并将接收到的具体QNH值提取出来。在窗体加载中，程序通过SerialPort.GetPortNames（）方法获取系统所在计算机的所有串口，并以字符串数组存储（如果没有则返回null）。此过程，系统将对串口对应设置波特率、停止位和奇偶校验位等基础信息，并通过SerialPort类下的DataReceived方法监听数据回传。最终，程序采用ReadTimeOut方法对数据读取超时进行了控制。系统通过ReadTimeOut.Read方法读取串口数据，数据读取从0到最后实现对报文的字符串格式转换。对于接收到的字符串数据（如报文“METAR EDDF 221600Z 24001KT 9999 13/M01 Q1009 CAVOK”），QNH 数值是一个“Q”或“A”开头的五位数字字符串，系统可以采用C#的正则表达式对数据项进行提取[3]，因此可以编写函数GetValue（string str,string s,string e），设其中字符串变量s为截取的前端字符为“空格+‘A’”,字符串变量e为截取的后续字符，此处为“空格”。为了进一步对处理的字符串进行验证，结合气压数字为四位数字此处采用C#的string类的Length方法实现对字符位数的校验，个数不为4则代表数据有异常，丢弃数据。GetValue函数实现的代码如下：

public static string GetValue（string str,string s,string e）

{

Regex rg=new Regex（"（?<=（"+s+"））[.\s\S]*?（?=（"+e+"））",RegexOptions.Multiline|RegexOptions.Singleline）;

return rg.Match（str）.Value;

}

S模式雷达数据处理主要通过UDP数据接收，在C#上通过Socket和多线程进行编程设计，程序添加以下命名空间：

using System.Net.Sockets;

using System.Net;

using System.Threading;

实现部分代码如下：

client=new Socket（AddressFamily.InterNetwork,SocketType.

Dgram,ProtocolType.Udp）;

client.Bind（new IPEndPoint（IPAddress.Parse（"192.168.4.88"）,6000））;

Thread t=new Thread（ReciveMsg）;

t.Start（）;

数据的解析与AFTN的QNH报文处理类似，此处不赘述。

2.2 数据融合处理

在数据融合处理上，系统采用多线程处理，主要包含AFTN数据处理线程和S模式雷达数据两个线程，S模式数据线程通过监听不同UDP端口实现数据的接收与处理，而AFTN数据处理线程主要通过监听串口实现实时数据的接收与处理。S模式雷达数据处理线程首先通过异步UDP协议实时接收S模式雷达发送的原始 BDS（Binary Data Selector）信号数据，并将数据按照ASTERIX CAT048数据格式定义进行数据项的解析，获取具体航空器的当前飞行高度、航班号、起飞机场、落地机场、MCP/FCU（或FMS）高度预设、气压基准预设值等数据；AFTN报文处理则根据上述的串口设计，获得该机场的实时修正海平面气压值（QNH）等运行气象数据。所有信息的处理都在软件设计上定义具体的类对象列表，通过对象列表的具体对象的新建或属性更新实现信息的融合交互处理。

航空器飞行过程中需要涉及的高度变化主要有过渡高度层和过渡高度，两者都是航空器在起飞和进近过程中高度（表）基准值转换的一个过渡空间。实际工作中，这个过渡空间分成上下两个面，离地面近的这个面（下面）定义为“过渡高度”；离地面远的面（上面）定义为“过渡高度层”；过渡高度和过渡高度层之间定义为“过渡夹层”。如图2所示。

图2航空器的过度高度和过度高度层

为了让所有巡航的飞机有一样的零点高度，航空器会把高度表设置为标准气压，所有的飞行高度以QNE为基准面。而在航空器起降过程中，航空器的高度表使用的是修正海压高QNH。所以起飞离场加入航线或脱离航线进场着陆，就需要进行修正海压高与标准气压高间的转换，即进行基准气压面的调整。为了统一转换的时间，民航设定了过渡高度和过渡高度层，具体定义如下：

过渡高度TA（Transition Altitude）是以修正海压QNH为基准面在机场区域内划定的一个气压高度，在这个高度（含）以下，所有飞机按修正海压高飞行。

过渡高度层TL（Transition Level）是在过渡高度以上可以利用的最低飞行高度层（以QNE为基准面的飞行高度），在这个高度（含）以上，所有飞机按标准气压高飞行。过渡夹层（Transition Layer）是指过渡高与过渡高度层之间的空间（即垂直间隔），它随修正海压的变化而变化，但在任何情况下必须在300～600米。

鉴于上述的具体要求，系统需要对不同航空器的不同管制权限进行分类处理：如若航空器的具体管制权限为区域管制权限，则比对S模式数据中航空器预设气压基准值BPS与QNE值的差；如若航空器的具体管制权限为进近管制权限，则进一步分析航空器实时飞行高度。当实时飞行高度MFL在过度高度层（含）之上，则比对S模式数据中航空器预设气压基准值BPS与QNE值的差，当实时飞行高度MFL在过度高度（含）之下，则比对S模式数据中航空器预设气压基准值BPS与与AFTN报文解析的QNH值的差，当实时飞行高度MFL位于过度夹层之中，则比对S模式数据中航空器预设气压基准值BPS与与AFTN报文解析的QNH值或QNE值的差；如若航空器的权限为塔台管制权限比对S模式数据中航空器预设气压基准值BPS与AFTN报文解析的QNH值的差。以上情况，当对比的结果差大于系统设定的阈值，数据融合处理模块则将其告警消息发送到终端软件实现声光告警。

2.3 界面处理

为了提高系统处理的效率和符合现场的工作部署，系统采用C/S模式进行设计，在终端软件上，主要通过UDP数据接收来自服务器端的告警消息并通过文本日志形式保存本地的配置和历史记录信息。系统组成一个工作局域网，通过IP地址和席位角色绑定可以在服务器端实现对终端的远程控制。为了提高系统的人机交互功能，终端界面提供了管制扇区所属显示、人工修改、目标查询、数据记录、历史查询、基础配置和告警消除等功能。实现界面如图3所示。

图3软件界面

3 结语

本文从实际出发，提出一种QNH实时监控系统。系统基于C#实现了C/S模式的软件架构，可以处理来自S模式雷达的CAT048数据和来自AFTN的QNH报文数据，通过数据的融合处理实现了对QNH状态的实时监控，为管制员纠错航空器设置QNH差错提供技术手段，减少因机组人为因素而导致的气压设置错误，对提高运行安全效率有一定的意义。