民航气象QNH多重保障方案的设计与实现

杨绍松 王蕊

摘 要：QNH又称修正海平面气压，是管制员通告机组的一个重要气象要素，该数据的准确性直接关系着航空器的飞行安全。本文通过数据库访问、留底数据读取、串口数据通信等方式，获取多个系统的修正海压数值。依据预定的算法与阈值对相应的QNH数值进行实时对比，并对疑似故障的气压传感器进行有效诊断，进一步保障民航气象对外提供QNH的准确性。

关键词：修正海压;UDP;QNH;气象要素

中图分类号：V321.21 文献标识码：A

1 现状

目前，民航气象台能够提供QNH的方式包括：（1）通过自动气象观测系统客户端的形式提供个管制员与机组。（2）发报系统发布报文，传至民航气象中心并分发到全国各机场。（3）通过民航气象服务网的方式把数据提供个民航相关单位。

从全国来看，为保障气象报文中QNH的准确性，大多都在使用人工对比方式预防，近几年由于错报QNH造成的不安全事件也时有发生。

2 QNH存在的安全隐患

2.1 QNH的提供方式

根据QNH的来源不同，可将其提供方式分为以下三种：

（1）自动气象观测系统客户端。通过自动气象观测系统客户端获取QNH是最直接的获取方式，也是实时性最高的方式，针对这种方式，我们只需保障自动气象观测系统客户端中QNH的准确性即可。

（2）气象报文。发报系统通过串口的方式获取自动气象观测系统的QNH数据，并进行编发报，并转发至全国。这种方式是传播范围最广的一种方式，保障其中QNH的准确性必须重视。本文采取的保障方式是，首先保障自动气象观测系统、遥测二型系统中QNH数据的准确性，其次保障发报系统采集到的QNH的准确性，最后监控最新发出报文中QNH的准确性。

（3）民航气象服务网。TS16通过串口的方式把自动观测系统相关气象要素（包括QNH）发送给气象数据库。民航气象服务网间接的访问气象数据库，并把QNH数据显示到前台，提供给航空公司、属地化机场等航空用户。针对这种方式的保障方案是把气象数据库中的QNH与自动气象观测系统中的QNH进行实时对比校验。

2.2 存在的安全隐患

（1）气压传感器故障。气压传感器故障是最直接的安全隐患，它会直接导致依据该传感器计算或获取的QNH数据全部异常。气压传感器故障可分为无数据与错数据，与无数据对比错数据带来的安全隐患更大、更隐蔽，影响范围更广。静压孔堵塞、空气导管堵塞或破损都可以、传输线路被干扰都可以导致气压传感器输出数据出错。

（2）数据传输被干扰。数据传输被干扰最常发生的现象是接收到的数据出现乱码，由于一般的发报系统都对乱码数据进行过滤。但是如果原始数据经过干扰之后变成了另一个格式合法的数据，这种数据篡改不仅影响大，而且隐蔽性也强。

（3）第三方软件故障。第三方软件指的是发报系统、民航气象数据库解析与入库软件等QNH数据处理相关的软件。一旦发生第三方软件故障，对外就已经造成了影响，只能通过发布更正报挽救。

3 QNH保障方案总体设计

针对上述QNH存在的安全隐患，利用现行的所有气压传感器的数据与相关技术手段，对各个系统提供的QNH进行实时监控，对发报系统与民航气象数据库采集的QNH进行二次验证，对发报系统发出报文中的QNH进行三次验证，进一步消除由硬件故障、通讯干扰、软件故障带来安全隐患。总体方案设计数据流程如图1所示。

4 QNH保障方案的实现

4.1 数据库设计

本方案数据库使用的是ORACLE12C数据库，为报文、场压、修正海压等数据的长期存储提供基础支撑。为提高该系统的运行效率与实现数据的长期存储，数据库可分为历史库与应用库。历史库用来存储3天之前的历史原始数据，应用库用来存储3天内的原始数据与二次处理的数据。

4.2 数据采集

本方案的设计原则上可以获取所有气压数据源的气压数据，这里只针对常规机场的配置进行数据采集，各系统的气压数据采集流程如下：

（1）自动气象观测系统气压数据的采集方式是TS16发送串口数据给数据采集程序，采集程序解析出两端场压数据与通过两端气压计算的修正海压数据并入库。

（2）遥测二型系统气压数据的采集使用的是UDP数据采集方式，遥测二型服务器端程序向网内广播实时的气象数据。采集程序在3018端口处实时监听。依据一定的格式，對监听到的数据进行解析并入库。

（3）振筒气压仪气压数据采集是通过气压仪上的串口COM1进行，采集程序定时向气压仪发送“R”命令，气压仪就会返回给采集程序测量到的场压数据，修正海压的数据需要采集程序进行计算与入库。

（4）最新报文QNH的数据采集使用的是文件共享的方式，采集程序通过文件共享读取到最新的报文留底文件，依据报文格式对留底报文进行解析与入库。

（5）发报系统数据库与民航气象数据库中QNH的采集使用的都是数据库访问方式，为了减轻被访数据库的压力，数据采集周期设定为1分钟。

4.3 数据监控

对气压数据的监控，本文使用了多方位的监控方式。首先对原始气压数据进行基础验证，然后对数据进行横向与纵向监控。通过比对数据的接近程度，找出最具嫌疑的故障传感器，同时对比前端与末端数据，判定末端数据的有效性。

（1）基础数据验证。数据基础验证是在数据采集入库阶段进行的，根据本场气候志资料与气压历史数据设定一个气压有效范围。气压数据采集程序采集到气压数据后，首先进行基础数据验证。只有通过基础验证的数据才能进入后续的数据监控。

（2）数据监控。依据气压数据的对比方式，可把气压数据监控分为：气压数据横向监控、气压数据纵向监控、QNH复制品的监控、报文中QNH监控。每一项数据监控，都是对目前存在安全问题的有效解决。

数据横向监控是把各个系统最新气压数据进行实时对比，找出偏离量最大且超出阈值的传感器。QNH是通过场面气压计算出来的，原理上只需监控QNH的有效性就行。但是对QNH数据的诊断，只能判断哪个系统可能存在问题，并不能诊断出哪个传感器出了问题。所以，本文依然把场面气压列入了监控对象。

参与气压数据纵向监控的数据源包括所有有效系统的气压数据。以QNH为例，纵向对比是对不同时间点的同一系统QNH进行对比，计算出该系统QNH的在过去一个时段的波动因子。由此可以得出三个系统的QNH的波动因子，再利用横向对比的方式对比这三个波动因子，找出异常的QNH。

QNH复制品的监控主要体现在对发报数据库与气象数据库QNH的监控，此类监控几乎不允许存在误差，因为QNH复制品本就应该与QNH原件一模一样。

对报文中QNH的监控可分为三个部分：1）监控编报后发报前与发报后报文中QNH与自动气象观测系统中最新QNH的差异;2）监控发报系统数据库中最新的QNH与最近报文中QNH的差异;3）监控最近两份报文中QNH的差异。

（3）嫌疑传感器诊断。诊断最具嫌疑的传感器，至少需要三个数据源。以三数据源为例，首先判断各个QFE是否在预设的有效范围之内。当数据都在有效范围之内时启用差值对比，当三数据的两两差值小于预设阈值（例如：0.7）时，视三个数据都正常。当两两差值中有一个大于0.7时，两两差值最小的两个数据视为正常，另一个视为异常。当两两差值中有两个大于0.7时，视两两差值小于0.7的两个数据正常，剩余的一个数据异常。当两两差值都大于0.7时，视三个数据都异常。

（4）系统的软件实现。该系统的实现利用的是JAVA平台，界面设计使用的是红绿灯的方式，简单明了。报警方式使用了声光告警，一旦某个数据對比项目异常，相应的数据背景或绿灯都会变成红色，及时提醒值班员设备故障。

5 方案优点

（1）本方案有效消除了无校验串口数据传输与发报软件故障，可能带来的发报系统发布错误QNH、气象服务网显示错误QNH的安全隐患。

（2）场压、修正海压双重横向对比，自动诊断出可疑传感器，气压源n（n>=3）个时，任意1….n-2个气压源数据同时出错，也能进行有效诊断。

（3）对编报后发报前与发报后报文中的QNH进行监控，一旦发现发出报文QNH出错，第一时间提醒观测员重新编报或者发布更正报。

（4）气压数据纵向对比为数据横向对比做辅助监控，为气压传感器的稳定性与气压数据的可用性做更加准确有效的诊断。

6 结束语

本文设计的方案能够采集业内众多系统的气压数据，使用交叉验证的方式对气压数据的有效性进行实时诊断。有效避免气压数据的错报，确保民航气象对外提供气压数据的准确性，进一步保障航空器的飞行安全。

参考文献：

[1]Bruce Eckel.Java编程思想（第4版）[M].机械工业出版社，2007.6.1.

[2]王瑛，李祥胜.Oracle数据库基础教程[M].人民邮电出版社，2008.