跑道真方位及磁方位測量方法研究與實(shí)踐

吳亞東，徐洪兵，崔同建，石固林

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

1 引 言

近年來，隨著民用航空業(yè)的快速發(fā)展，我國對航空器飛行安全及機(jī)場運(yùn)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(chǔ)數(shù)據(jù)，新建機(jī)場應(yīng)對機(jī)場跑道方位進(jìn)行測量或復(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)場磁偏角等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在機(jī)場規(guī)劃選址、建設(shè)運(yùn)營各個階段，在機(jī)場使用手冊附圖的測繪以及飛行程序設(shè)計(jì)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(tǒng)(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(xiàn)[4]利用GPS方法測量了臨滄機(jī)場跑道軸線的方位角，對測量方法的精度進(jìn)行了詳細(xì)的分析總結(jié)。文獻(xiàn)[5]則利用GPS相對靜態(tài)定位測量結(jié)合站心地平直角坐標(biāo)系來計(jì)算跑道真方位角，該方法計(jì)算過程簡單、可靠省時(shí)。測定磁方位角主要有羅盤儀測量法、磁通門經(jīng)緯儀測量法以及通過測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國家基本比例尺地形圖進(jìn)行查詢。文獻(xiàn)[6]介紹了利用GPS測量計(jì)算真方位角，使用J6級經(jīng)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(jī)場的飛行要求。文獻(xiàn)[7]針對高原機(jī)場的特殊環(huán)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(jīng)緯儀)實(shí)地測量磁方位角時(shí)易受到周邊金屬堆砌物的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果差異變化較大[8]，只能在遠(yuǎn)離金屬的區(qū)域進(jìn)行測量，通過三北方向的空間幾何關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換求得。因此，本文以成都天府國際機(jī)場為例，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(jī)場跑道真方位及磁方位的測量工作具有實(shí)際意義的指導(dǎo)性作用。

2 跑道真方位及磁方位測量方法

通過跑道S端點(diǎn)與地軸所組成的平面與地球旋轉(zhuǎn)面的交線稱為該點(diǎn)的真子午線，真子午線在S點(diǎn)的切線方向?yàn)樵摱它c(diǎn)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(diǎn)S與磁南北極所作的平面與地球旋轉(zhuǎn)面的交線稱為該點(diǎn)的磁子午線，磁子午線在S點(diǎn)的切線方向稱為該點(diǎn)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(biāo)北方向是高斯投影時(shí)投影帶的中央子午線的方向，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稱為跑道SN的坐標(biāo)方位角，真子午線與坐標(biāo)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(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量方法即采用GPS技術(shù)及磁通門經(jīng)緯儀實(shí)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(qū)域布控若干磁偏角測站點(diǎn)，采用GPS測出待測邊兩端點(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解算待測邊的真方位角。

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

(3)在待測跑道端點(diǎn)及中點(diǎn)位置采用GPS測出待測邊兩端點(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)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3 成都天府國際機(jī)場跑道方位實(shí)測

成都天府國際機(jī)場定位為國家級國際航空樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶中等級最高的航空港，是“國家十三五”規(guī)劃中計(jì)劃建成的中國最大的民用運(yùn)輸樞紐機(jī)場項(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，東一、東二、北一、北二跑道均為4E等級。經(jīng)實(shí)地勘察表明，成都天府國際機(jī)場跑道外附近堆砌鋼材等金屬雜物較多，對磁場環(huán)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(diǎn)及測線布設(shè)

首先在測區(qū)衛(wèi)圖上進(jìn)行點(diǎn)位初選，然后對測區(qū)環(huán)境進(jìn)行實(shí)地踏勘和觀測點(diǎn)位的現(xiàn)場選擇。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，對磁場環(huán)境影響太大，跑道及跑道外 200 m范圍無法進(jìn)行觀測點(diǎn)位的選擇和測量。根據(jù)實(shí)地情況，沿著與跑道平行的東西、南北方向進(jìn)行觀測點(diǎn)位的布設(shè)，點(diǎn)位確定前，對測點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行了梯度觀測以判定測點(diǎn)磁場環(huán)境是否滿足觀測條件，同時(shí)還需考慮兩點(diǎn)的通視條件。最終根據(jù)現(xiàn)場情況，共選擇4個測站點(diǎn)(如圖3所示)，分別命名為TFJC01、TFJC02、TFJC03、TFJC04，與4個標(biāo)志點(diǎn)組成4條測線。

圖3 測點(diǎn)分布圖

3.2 真方位角測量

使用GPS觀測方法進(jìn)行真方位角觀測。在磁偏角測點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上分別架設(shè)測量三腳架，其中磁偏角測點(diǎn)位置上所架設(shè)的必須是無磁三腳架。當(dāng)確認(rèn)當(dāng)前磁偏角磁傾角測點(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，磁偏角磁傾角測點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上的GPS接收機(jī)開始進(jìn)入同步觀測狀態(tài)。當(dāng)磁偏角磁傾角測點(diǎn)位置和方位標(biāo)志點(diǎn)位置上的GPS接收機(jī)均顯示等效測量基線長度大于 8 km后，結(jié)束測量狀態(tài)。上述測量過程在地磁測量開始之前和結(jié)束之后各進(jìn)行一次。

3.3 磁北方位測量

采用CTM-DI型磁通門經(jīng)緯儀(如圖4所示)進(jìn)行觀測，磁方位角和磁傾角的觀測重復(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(jīng)緯儀

(1)第一次標(biāo)志觀測：將磁通門經(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，讀水平度盤讀數(shù)。將水平度盤旋轉(zhuǎn)180°，進(jìn)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(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡指東，探頭向上，調(diào)節(jié)垂直度盤，使垂直度盤讀數(shù)精確到90°00.0′，旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀水平度盤，使電子監(jiān)測器輸出讀數(shù)接近零，然后，旋轉(zhuǎn)水平微調(diào)螺栓(保持中間位置操作)，使磁通門經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零(在觀測中注意+0和-0的區(qū)別，始終總保持一種狀態(tài))，再檢查垂直度盤讀數(shù)是否嚴(yán)格保持90°00.0′。若是，讀取水平讀盤讀數(shù)D1，同時(shí)，記錄偏角觀測開始時(shí)間。若否，則調(diào)整垂直微調(diào)螺栓使垂直度盤讀數(shù)精確到 90°00.0′，然后再調(diào)整水平微調(diào)螺栓，直到磁通門經(jīng)緯儀的顯示器讀數(shù)為零，讀水平度盤讀數(shù)記錄D1及觀測開始時(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，保證垂直度盤讀數(shù)精確到90°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓，使磁通門經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取水平度盤讀數(shù)記錄D2。第三步，保持水平度盤不變，將儀器垂直度盤旋轉(zhuǎn)180°，望遠(yuǎn)鏡指東，探頭向下，使垂直讀盤讀數(shù)精確到270°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓到磁通門經(jīng)緯儀的顯示器輸出精確為零，讀取并記錄水平度盤讀數(shù)D3。第四步，旋轉(zhuǎn)水平度盤180°，望遠(yuǎn)鏡指西，探頭向下，調(diào)整垂直讀盤讀數(shù)精確到270°00.0′，調(diào)節(jié)水平微調(diào)螺栓到磁通門經(jīng)緯儀的顯示器讀數(shù)精確為零，讀取并記錄水平度盤讀數(shù)D4及觀測結(jié)束時(shí)間。

(3)第二次標(biāo)志觀測：在完成上面所規(guī)定的磁傾角和地磁場總強(qiáng)度測量后，進(jìn)行第二次標(biāo)志觀測。測量步驟與第一次標(biāo)志觀測完全相同。各測點(diǎn)每次測量所獲得的所有磁方位角標(biāo)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(jì)算

全部測量結(jié)束后，利用GPS測量的大地坐標(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)測線的真北方向，結(jié)合磁通門經(jīng)緯儀的觀測成果，計(jì)算出測線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，各個測站點(diǎn)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(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，本文的測量方法獲得了高精度的測量結(jié)果。

利用GPS接收機(jī)測量出跑道端點(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)合磁通門經(jīng)緯儀所測的磁偏角成果，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

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)和磁通門經(jīng)緯儀實(shí)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(jī)場為例，證明了該方法的可行性和可靠性，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)磁偏角測量觀測點(diǎn)一定要選擇在遠(yuǎn)離金屬、電力、通訊等設(shè)施并且磁場穩(wěn)定的地點(diǎn)，減少外界環(huán)境的影響。磁通門經(jīng)緯儀等磁性儀器對金屬十分敏感，要求測量標(biāo)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(huán)境干擾，同時(shí)方法簡單快捷，對測量工作具有重要的指導(dǎo)意義。

(2)本文的測量方法主要依托于GPS技術(shù)與磁通門經(jīng)緯儀測量技術(shù)。相比于其他技術(shù)，采用GPS測量坐標(biāo)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(jīng)緯儀測量磁偏角更加穩(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)和磁性儀器對跑道的真方位和磁方位進(jìn)行實(shí)地測量。