跑道真方位及磁方位測量方法研究與實踐

吳亞東，徐洪兵，崔同建，石固林

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610051)

1 引 言

近年來，隨著民用航空業的快速發展，我國對航空器飛行安全及機場運行安全管理越來越重視。在眾多安全因素中，跑道方位是一個極為重要的基礎數據，新建機場應對機場跑道方位進行測量或復核，獲取準確的跑道方位數據，以確保航空器的導航、飛行安全，杜絕事故隱患。機場跑道方位分為坐標方位、真北方位和磁北方位，三北方位互相關聯，跑道方位的確定會影響到航空安全、跑道利用率和環境噪聲等。跑道真方位、磁方位及機場磁偏角等基礎數據在機場規劃選址、建設運營各個階段，在機場使用手冊附圖的測繪以及飛行程序設計中均是必不可少的[1～3]。

測定跑道真北方向主要有天文測量法、陀螺儀測量法和全球定位系統(Global Positioning System，GPS)測量法，其中GPS測量是較為普遍且精度較高的方法。文獻[4]利用GPS方法測量了臨滄機場跑道軸線的方位角，對測量方法的精度進行了詳細的分析總結。文獻[5]則利用GPS相對靜態定位測量結合站心地平直角坐標系來計算跑道真方位角，該方法計算過程簡單、可靠省時。測定磁方位角主要有羅盤儀測量法、磁通門經緯儀測量法以及通過測定真方位角和磁偏角，利用數學轉換公式進行解算的方法，其中磁偏角可以通過國家基本比例尺地形圖進行查詢。文獻[6]介紹了利用GPS測量計算真方位角，使用J6級經緯儀配合磁針測量磁方位角，從而測定磁偏角的方法，其測量精度只能滿足小型機場的飛行要求。文獻[7]針對高原機場的特殊環境，探討了磁偏角的測量方法，對日變、太陽黑子活動和金屬等因素對磁偏角測量的影響做出了討論。值得注意的是，利用儀器(如磁通門經緯儀)實地測量磁方位角時易受到周邊金屬堆砌物的影響，導致測量結果差異變化較大[8]，只能在遠離金屬的區域進行測量，通過三北方向的空間幾何關系進行轉換求得。因此，本文以成都天府國際機場為例，介紹了一種高精度、高實用性的跑道真方位及磁方位測量方法，較好地避免了跑道及其周邊金屬堆砌物對磁偏角測量的影響，對機場跑道真方位及磁方位的測量工作具有實際意義的指導性作用。

2 跑道真方位及磁方位測量方法

通過跑道S端點與地軸所組成的平面與地球旋轉面的交線稱為該點的真子午線，真子午線在S點的切線方向為該端點的真子午線方向，真子午線方向與跑道SN的夾角A為跑道SN的真方位角；過跑道端點S與磁南北極所作的平面與地球旋轉面的交線稱為該點的磁子午線，磁子午線在S點的切線方向稱為該點的磁子午線方向，磁子午線方向與跑道SN的夾角Am為跑道SN的磁方位角。由于地球的兩磁極連線與地軸不重合，所以磁子午線方向與真子午線方向之間存在一個δ角，稱為磁偏角或者磁差。坐標北方向是高斯投影時投影帶的中央子午線的方向，也是高斯平面直角坐標系的坐標縱軸方向，坐標北方向與跑道SN的夾角α稱為跑道SN的坐標方位角，真子午線與坐標縱軸之間的夾角稱為子午線收斂角γ。跑道SN真方位角、磁方位角及坐標方位角的關系為A=Am+δ，A=α+γ，三北方位的幾何關系如圖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量方法即采用GPS技術及磁通門經緯儀實測跑道真北方位、磁北方位及磁偏角方法，測量方法的主要步驟如下：

(1)在跑道附近無干擾區域布控若干磁偏角測站點，采用GPS測出待測邊兩端點的大地坐標，計算出高斯投影坐標、坐標北方向，利用公式A=α+γ解算待測邊的真方位角。

(2)利用磁通門經緯儀實測測站的磁方位角，利用公式δ=A-Am解算確定區域平均磁偏角，并保證各個測站點所測磁偏角的較差達到測量精度要求。

(3)在待測跑道端點及中點位置采用GPS測出待測邊兩端點的大地坐標，計算出高斯投影坐標、坐標北方向，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。具體技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3 成都天府國際機場跑道方位實測

成都天府國際機場定位為國家級國際航空樞紐、絲綢之路經濟帶中等級最高的航空港，是“國家十三五”規劃中計劃建成的中國最大的民用運輸樞紐機場項目，遠期規劃六條跑道，四條主向遠距離平行跑道和兩條垂直側向中距跑道，兩條主向跑道之間規劃中央航站區。西一、西二跑道為4F等級，東一、東二、北一、北二跑道均為4E等級。經實地勘察表明，成都天府國際機場跑道外附近堆砌鋼材等金屬雜物較多，對磁場環境影響太大，不能夠直接在跑道上測量磁方位。

3.1 踏勘選點及測線布設

首先在測區衛圖上進行點位初選，然后對測區環境進行實地踏勘和觀測點位的現場選擇。目前東一、西一跑道和北一跑道已經基本建成，且跑道外附近堆砌鋼材等金屬雜物較多，對磁場環境影響太大，跑道及跑道外 200 m范圍無法進行觀測點位的選擇和測量。根據實地情況，沿著與跑道平行的東西、南北方向進行觀測點位的布設，點位確定前，對測點環境進行了梯度觀測以判定測點磁場環境是否滿足觀測條件，同時還需考慮兩點的通視條件。最終根據現場情況，共選擇4個測站點(如圖3所示)，分別命名為TFJC01、TFJC02、TFJC03、TFJC04，與4個標志點組成4條測線。

圖3 測點分布圖

3.2 真方位角測量

使用GPS觀測方法進行真方位角觀測。在磁偏角測點位置和方位標志點位置上分別架設測量三腳架，其中磁偏角測點位置上所架設的必須是無磁三腳架。當確認當前磁偏角磁傾角測點位置和方位標志點位置上的GPS接收機均接收到5顆以上GPS衛星的信號，磁偏角磁傾角測點位置和方位標志點位置上的GPS接收機開始進入同步觀測狀態。當磁偏角磁傾角測點位置和方位標志點位置上的GPS接收機均顯示等效測量基線長度大于 8 km后，結束測量狀態。上述測量過程在地磁測量開始之前和結束之后各進行一次。

3.3 磁北方位測量

采用CTM-DI型磁通門經緯儀(如圖4所示)進行觀測，磁方位角和磁傾角的觀測重復性不大于0.1′，轉向差不大于10′，主機與傳感器之間的電纜長度大于 2 m。具體觀測過程及要求如下：

圖4 CTM-DI型磁通門經緯儀

(1)第一次標志觀測：將磁通門經緯儀望遠鏡在正鏡(探頭向上)狀態下瞄準標志，使望遠鏡十字絲與標志中心重合，讀取水平度盤讀數。然后，將望遠鏡十字絲人為調離標志中心，再調到望遠鏡十字絲和標志中心重合，讀水平度盤讀數。將水平度盤旋轉180°，進行倒鏡觀測(探頭向下)，觀測方法與正鏡完全相同。

(2)磁北觀測：第一步，將磁通門經緯儀望遠鏡指東，探頭向上，調節垂直度盤，使垂直度盤讀數精確到90°00.0′，旋轉經緯儀水平度盤，使電子監測器輸出讀數接近零，然后，旋轉水平微調螺栓(保持中間位置操作)，使磁通門經緯儀的顯示器輸出精確為零(在觀測中注意+0和-0的區別，始終總保持一種狀態)，再檢查垂直度盤讀數是否嚴格保持90°00.0′。若是，讀取水平讀盤讀數D1，同時，記錄偏角觀測開始時間。若否，則調整垂直微調螺栓使垂直度盤讀數精確到 90°00.0′，然后再調整水平微調螺栓，直到磁通門經緯儀的顯示器讀數為零，讀水平度盤讀數記錄D1及觀測開始時間。第二步，將經緯儀水平旋轉180°，望遠鏡指西，探頭向上，保證垂直度盤讀數精確到90°00.0′，調節水平微調螺栓，使磁通門經緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取水平度盤讀數記錄D2。第三步，保持水平度盤不變，將儀器垂直度盤旋轉180°，望遠鏡指東，探頭向下，使垂直讀盤讀數精確到270°00.0′，調節水平微調螺栓到磁通門經緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取并記錄水平度盤讀數D3。第四步，旋轉水平度盤180°，望遠鏡指西，探頭向下，調整垂直讀盤讀數精確到270°00.0′，調節水平微調螺栓到磁通門經緯儀的顯示器讀數精確為零，讀取并記錄水平度盤讀數D4及觀測結束時間。

(3)第二次標志觀測：在完成上面所規定的磁傾角和地磁場總強度測量后，進行第二次標志觀測。測量步驟與第一次標志觀測完全相同。各測點每次測量所獲得的所有磁方位角標志觀測值的差一般不得大于0.4′。

3.4 跑道真方位及磁方位計算

全部測量結束后，利用GPS測量的大地坐標計算出高斯投影坐標及坐標方位角，再根據公式A=α+γ計算出布設測線的真北方向，結合磁通門經緯儀的觀測成果，計算出測線的磁北方向及磁偏角。

磁偏角計算表 表1

由表1可以看出，各個測站點的觀測中誤差不超過1″，東西向與南北向的較差在1′左右，磁偏角測量精度高達0.021′，數據結果表明在規避金屬堆砌物影響的情況下，本文的測量方法獲得了高精度的測量結果。

利用GPS接收機測量出跑道端點和中點的大地坐標，計算出端點高斯投影坐標及坐標方位角，再根據公式A=α+γ計算出跑道的真方位角，結合磁通門經緯儀所測的磁偏角成果，計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算結果如表2所示。

跑道真方位及磁方位計算結果表 表2

4 結 語

本文從跑道真方位及磁方位定義出發，提出了一種利用GPS技術和磁通門經緯儀實測跑道真北方位、磁北方位及磁偏角的方法，并以天府國際機場為例，證明了該方法的可行性和可靠性，現總結如下：

(1)磁偏角測量觀測點一定要選擇在遠離金屬、電力、通訊等設施并且磁場穩定的地點，減少外界環境的影響。磁通門經緯儀等磁性儀器對金屬十分敏感，要求測量標識，腳架基座為非金屬材料，在觀測過程中觀測者不能攜帶任何金屬物體(包括帶金屬的眼睛、皮帶等)。采用本文的測量方法可以較好地避免環境干擾，同時方法簡單快捷，對測量工作具有重要的指導意義。

(2)本文的測量方法主要依托于GPS技術與磁通門經緯儀測量技術。相比于其他技術，采用GPS測量坐標北改正子午線收斂角的方法誤差源更少、操作更簡單，精度也更高。采用磁通門經緯儀測量磁偏角更加穩定可靠，能夠達到飛行導航數據的精度要求。因此，在有條件的情況下，應采用GPS技術和磁性儀器對跑道的真方位和磁方位進行實地測量。