跑道真方位及磁方位測(cè)量方法研究與實(shí)踐

吳亞?wèn)|，徐洪兵，崔同建，石固林

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051)

1 引 言

近年來(lái)，隨著民用航空業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)航空器飛行安全及機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理越來(lái)越重視。在眾多安全因素中，跑道方位是一個(gè)極為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，新建機(jī)場(chǎng)應(yīng)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道方位進(jìn)行測(cè)量或復(fù)核，獲取準(zhǔn)確的跑道方位數(shù)據(jù)，以確保航空器的導(dǎo)航、飛行安全，杜絕事故隱患。機(jī)場(chǎng)跑道方位分為坐標(biāo)方位、真北方位和磁北方位，三北方位互相關(guān)聯(lián)，跑道方位的確定會(huì)影響到航空安全、跑道利用率和環(huán)境噪聲等。跑道真方位、磁方位及機(jī)場(chǎng)磁偏角等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃選址、建設(shè)運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段，在機(jī)場(chǎng)使用手冊(cè)附圖的測(cè)繪以及飛行程序設(shè)計(jì)中均是必不可少的[1～3]。

測(cè)定跑道真北方向主要有天文測(cè)量法、陀螺儀測(cè)量法和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)測(cè)量法，其中GPS測(cè)量是較為普遍且精度較高的方法。文獻(xiàn)[4]利用GPS方法測(cè)量了臨滄機(jī)場(chǎng)跑道軸線(xiàn)的方位角，對(duì)測(cè)量方法的精度進(jìn)行了詳細(xì)的分析總結(jié)。文獻(xiàn)[5]則利用GPS相對(duì)靜態(tài)定位測(cè)量結(jié)合站心地平直角坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算跑道真方位角，該方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠省時(shí)。測(cè)定磁方位角主要有羅盤(pán)儀測(cè)量法、磁通門(mén)經(jīng)緯儀測(cè)量法以及通過(guò)測(cè)定真方位角和磁偏角，利用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行解算的方法，其中磁偏角可以通過(guò)國(guó)家基本比例尺地形圖進(jìn)行查詢(xún)。文獻(xiàn)[6]介紹了利用GPS測(cè)量計(jì)算真方位角，使用J6級(jí)經(jīng)緯儀配合磁針測(cè)量磁方位角，從而測(cè)定磁偏角的方法，其測(cè)量精度只能滿(mǎn)足小型機(jī)場(chǎng)的飛行要求。文獻(xiàn)[7]針對(duì)高原機(jī)場(chǎng)的特殊環(huán)境，探討了磁偏角的測(cè)量方法，對(duì)日變、太陽(yáng)黑子活動(dòng)和金屬等因素對(duì)磁偏角測(cè)量的影響做出了討論。值得注意的是，利用儀器(如磁通門(mén)經(jīng)緯儀)實(shí)地測(cè)量磁方位角時(shí)易受到周邊金屬堆砌物的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果差異變化較大[8]，只能在遠(yuǎn)離金屬的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)三北方向的空間幾何關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換求得。因此，本文以成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，介紹了一種高精度、高實(shí)用性的跑道真方位及磁方位測(cè)量方法，較好地避免了跑道及其周邊金屬堆砌物對(duì)磁偏角測(cè)量的影響，對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道真方位及磁方位的測(cè)量工作具有實(shí)際意義的指導(dǎo)性作用。

2 跑道真方位及磁方位測(cè)量方法

通過(guò)跑道S端點(diǎn)與地軸所組成的平面與地球旋轉(zhuǎn)面的交線(xiàn)稱(chēng)為該點(diǎn)的真子午線(xiàn)，真子午線(xiàn)在S點(diǎn)的切線(xiàn)方向?yàn)樵摱它c(diǎn)的真子午線(xiàn)方向，真子午線(xiàn)方向與跑道SN的夾角A為跑道SN的真方位角；過(guò)跑道端點(diǎn)S與磁南北極所作的平面與地球旋轉(zhuǎn)面的交線(xiàn)稱(chēng)為該點(diǎn)的磁子午線(xiàn)，磁子午線(xiàn)在S點(diǎn)的切線(xiàn)方向稱(chēng)為該點(diǎn)的磁子午線(xiàn)方向，磁子午線(xiàn)方向與跑道SN的夾角Am為跑道SN的磁方位角。由于地球的兩磁極連線(xiàn)與地軸不重合，所以磁子午線(xiàn)方向與真子午線(xiàn)方向之間存在一個(gè)δ角，稱(chēng)為磁偏角或者磁差。坐標(biāo)北方向是高斯投影時(shí)投影帶的中央子午線(xiàn)的方向，也是高斯平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)縱軸方向，坐標(biāo)北方向與跑道SN的夾角α稱(chēng)為跑道SN的坐標(biāo)方位角，真子午線(xiàn)與坐標(biāo)縱軸之間的夾角稱(chēng)為子午線(xiàn)收斂角γ。跑道SN真方位角、磁方位角及坐標(biāo)方位角的關(guān)系為A=Am+δ，A=α+γ，三北方位的幾何關(guān)系如圖1所示[9～13]。

圖1 跑道三北方位示意圖

基于三北向的空間幾何關(guān)系，本文采用了一種可以有效避免金屬物影響且方便快捷的測(cè)量方法即采用GPS技術(shù)及磁通門(mén)經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)跑道真北方位、磁北方位及磁偏角方法，測(cè)量方法的主要步驟如下：

(1)在跑道附近無(wú)干擾區(qū)域布控若干磁偏角測(cè)站點(diǎn)，采用GPS測(cè)出待測(cè)邊兩端點(diǎn)的大地坐標(biāo)，計(jì)算出高斯投影坐標(biāo)、坐標(biāo)北方向，利用公式A=α+γ解算待測(cè)邊的真方位角。

(2)利用磁通門(mén)經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)測(cè)站的磁方位角，利用公式δ=A-Am解算確定區(qū)域平均磁偏角，并保證各個(gè)測(cè)站點(diǎn)所測(cè)磁偏角的較差達(dá)到測(cè)量精度要求。

(3)在待測(cè)跑道端點(diǎn)及中點(diǎn)位置采用GPS測(cè)出待測(cè)邊兩端點(diǎn)的大地坐標(biāo)，計(jì)算出高斯投影坐標(biāo)、坐標(biāo)北方向，利用公式A=α+γ解算跑道的真方位角，利用平均磁偏角δ和公式Am=A-δ解算跑道的磁方位角。具體技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線(xiàn)圖

3 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道方位實(shí)測(cè)

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)定位為國(guó)家級(jí)國(guó)際航空樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶中等級(jí)最高的航空港，是“國(guó)家十三五”規(guī)劃中計(jì)劃建成的中國(guó)最大的民用運(yùn)輸樞紐機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目，遠(yuǎn)期規(guī)劃六條跑道，四條主向遠(yuǎn)距離平行跑道和兩條垂直側(cè)向中距跑道，兩條主向跑道之間規(guī)劃中央航站區(qū)。西一、西二跑道為4F等級(jí)，東一、東二、北一、北二跑道均為4E等級(jí)。經(jīng)實(shí)地勘察表明，成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道外附近堆砌鋼材等金屬雜物較多，對(duì)磁場(chǎng)環(huán)境影響太大，不能夠直接在跑道上測(cè)量磁方位。

3.1 踏勘選點(diǎn)及測(cè)線(xiàn)布設(shè)

首先在測(cè)區(qū)衛(wèi)圖上進(jìn)行點(diǎn)位初選，然后對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境進(jìn)行實(shí)地踏勘和觀(guān)測(cè)點(diǎn)位的現(xiàn)場(chǎng)選擇。目前東一、西一跑道和北一跑道已經(jīng)基本建成，且跑道外附近堆砌鋼材等金屬雜物較多，對(duì)磁場(chǎng)環(huán)境影響太大，跑道及跑道外 200 m范圍無(wú)法進(jìn)行觀(guān)測(cè)點(diǎn)位的選擇和測(cè)量。根據(jù)實(shí)地情況，沿著與跑道平行的東西、南北方向進(jìn)行觀(guān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)，點(diǎn)位確定前，對(duì)測(cè)點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行了梯度觀(guān)測(cè)以判定測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)環(huán)境是否滿(mǎn)足觀(guān)測(cè)條件，同時(shí)還需考慮兩點(diǎn)的通視條件。最終根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，共選擇4個(gè)測(cè)站點(diǎn)(如圖3所示)，分別命名為T(mén)FJC01、TFJC02、TFJC03、TFJC04，與4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)組成4條測(cè)線(xiàn)。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布圖

3.2 真方位角測(cè)量

使用GPS觀(guān)測(cè)方法進(jìn)行真方位角觀(guān)測(cè)。在磁偏角測(cè)點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上分別架設(shè)測(cè)量三腳架，其中磁偏角測(cè)點(diǎn)位置上所架設(shè)的必須是無(wú)磁三腳架。當(dāng)確認(rèn)當(dāng)前磁偏角磁傾角測(cè)點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上的GPS接收機(jī)均接收到5顆以上GPS衛(wèi)星的信號(hào)，磁偏角磁傾角測(cè)點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上的GPS接收機(jī)開(kāi)始進(jìn)入同步觀(guān)測(cè)狀態(tài)。當(dāng)磁偏角磁傾角測(cè)點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上的GPS接收機(jī)均顯示等效測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度大于 8 km后，結(jié)束測(cè)量狀態(tài)。上述測(cè)量過(guò)程在地磁測(cè)量開(kāi)始之前和結(jié)束之后各進(jìn)行一次。

3.3 磁北方位測(cè)量

采用CTM-DI型磁通門(mén)經(jīng)緯儀(如圖4所示)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，磁方位角和磁傾角的觀(guān)測(cè)重復(fù)性不大于0.1′，轉(zhuǎn)向差不大于10′，主機(jī)與傳感器之間的電纜長(zhǎng)度大于 2 m。具體觀(guān)測(cè)過(guò)程及要求如下：

圖4 CTM-DI型磁通門(mén)經(jīng)緯儀

(1)第一次標(biāo)志觀(guān)測(cè)：將磁通門(mén)經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡在正鏡(探頭向上)狀態(tài)下瞄準(zhǔn)標(biāo)志，使望遠(yuǎn)鏡十字絲與標(biāo)志中心重合，讀取水平度盤(pán)讀數(shù)。然后，將望遠(yuǎn)鏡十字絲人為調(diào)離標(biāo)志中心，再調(diào)到望遠(yuǎn)鏡十字絲和標(biāo)志中心重合，讀水平度盤(pán)讀數(shù)。將水平度盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行倒鏡觀(guān)測(cè)(探頭向下)，觀(guān)測(cè)方法與正鏡完全相同。

(2)磁北觀(guān)測(cè)：第一步，將磁通門(mén)經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡指東，探頭向上，調(diào)節(jié)垂直度盤(pán)，使垂直度盤(pán)讀數(shù)精確到90°00.0′，旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀水平度盤(pán)，使電子監(jiān)測(cè)器輸出讀數(shù)接近零，然后，旋轉(zhuǎn)水平微調(diào)螺栓(保持中間位置操作)，使磁通門(mén)經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零(在觀(guān)測(cè)中注意+0和-0的區(qū)別，始終總保持一種狀態(tài))，再檢查垂直度盤(pán)讀數(shù)是否嚴(yán)格保持90°00.0′。若是，讀取水平讀盤(pán)讀數(shù)D1，同時(shí)，記錄偏角觀(guān)測(cè)開(kāi)始時(shí)間。若否，則調(diào)整垂直微調(diào)螺栓使垂直度盤(pán)讀數(shù)精確到 90°00.0′，然后再調(diào)整水平微調(diào)螺栓，直到磁通門(mén)經(jīng)緯儀的顯示器讀數(shù)為零，讀水平度盤(pán)讀數(shù)記錄D1及觀(guān)測(cè)開(kāi)始時(shí)間。第二步，將經(jīng)緯儀水平旋轉(zhuǎn)180°，望遠(yuǎn)鏡指西，探頭向上，保證垂直度盤(pán)讀數(shù)精確到90°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓，使磁通門(mén)經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取水平度盤(pán)讀數(shù)記錄D2。第三步，保持水平度盤(pán)不變，將儀器垂直度盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°，望遠(yuǎn)鏡指東，探頭向下，使垂直讀盤(pán)讀數(shù)精確到270°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓到磁通門(mén)經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取并記錄水平度盤(pán)讀數(shù)D3。第四步，旋轉(zhuǎn)水平度盤(pán)180°，望遠(yuǎn)鏡指西，探頭向下，調(diào)整垂直讀盤(pán)讀數(shù)精確到270°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓到磁通門(mén)經(jīng)緯儀的顯示器讀數(shù)精確為零，讀取并記錄水平度盤(pán)讀數(shù)D4及觀(guān)測(cè)結(jié)束時(shí)間。

(3)第二次標(biāo)志觀(guān)測(cè)：在完成上面所規(guī)定的磁傾角和地磁場(chǎng)總強(qiáng)度測(cè)量后，進(jìn)行第二次標(biāo)志觀(guān)測(cè)。測(cè)量步驟與第一次標(biāo)志觀(guān)測(cè)完全相同。各測(cè)點(diǎn)每次測(cè)量所獲得的所有磁方位角標(biāo)志觀(guān)測(cè)值的差一般不得大于0.4′。

3.4 跑道真方位及磁方位計(jì)算

全部測(cè)量結(jié)束后，利用GPS測(cè)量的大地坐標(biāo)計(jì)算出高斯投影坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角，再根據(jù)公式A=α+γ計(jì)算出布設(shè)測(cè)線(xiàn)的真北方向，結(jié)合磁通門(mén)經(jīng)緯儀的觀(guān)測(cè)成果，計(jì)算出測(cè)線(xiàn)的磁北方向及磁偏角。

磁偏角計(jì)算表 表1

由表1可以看出，各個(gè)測(cè)站點(diǎn)的觀(guān)測(cè)中誤差不超過(guò)1″，東西向與南北向的較差在1′左右，磁偏角測(cè)量精度高達(dá)0.021′，數(shù)據(jù)結(jié)果表明在規(guī)避金屬堆砌物影響的情況下，本文的測(cè)量方法獲得了高精度的測(cè)量結(jié)果。

利用GPS接收機(jī)測(cè)量出跑道端點(diǎn)和中點(diǎn)的大地坐標(biāo)，計(jì)算出端點(diǎn)高斯投影坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角，再根據(jù)公式A=α+γ計(jì)算出跑道的真方位角，結(jié)合磁通門(mén)經(jīng)緯儀所測(cè)的磁偏角成果，計(jì)算出跑道的磁方位角，本文取平均磁偏角為-2°20′。跑道真方位及磁方位計(jì)算結(jié)果如表2所示。

跑道真方位及磁方位計(jì)算結(jié)果表 表2

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從跑道真方位及磁方位定義出發(fā)，提出了一種利用GPS技術(shù)和磁通門(mén)經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)跑道真北方位、磁北方位及磁偏角的方法，并以天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，證明了該方法的可行性和可靠性，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)磁偏角測(cè)量觀(guān)測(cè)點(diǎn)一定要選擇在遠(yuǎn)離金屬、電力、通訊等設(shè)施并且磁場(chǎng)穩(wěn)定的地點(diǎn)，減少外界環(huán)境的影響。磁通門(mén)經(jīng)緯儀等磁性?xún)x器對(duì)金屬十分敏感，要求測(cè)量標(biāo)識(shí)，腳架基座為非金屬材料，在觀(guān)測(cè)過(guò)程中觀(guān)測(cè)者不能攜帶任何金屬物體(包括帶金屬的眼睛、皮帶等)。采用本文的測(cè)量方法可以較好地避免環(huán)境干擾，同時(shí)方法簡(jiǎn)單快捷，對(duì)測(cè)量工作具有重要的指導(dǎo)意義。

(2)本文的測(cè)量方法主要依托于GPS技術(shù)與磁通門(mén)經(jīng)緯儀測(cè)量技術(shù)。相比于其他技術(shù)，采用GPS測(cè)量坐標(biāo)北改正子午線(xiàn)收斂角的方法誤差源更少、操作更簡(jiǎn)單，精度也更高。采用磁通門(mén)經(jīng)緯儀測(cè)量磁偏角更加穩(wěn)定可靠，能夠達(dá)到飛行導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度要求。因此，在有條件的情況下，應(yīng)采用GPS技術(shù)和磁性?xún)x器對(duì)跑道的真方位和磁方位進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。