基于ArcGIS的飞行程序扇区划分实现研究

何光勤，张淼，范峥

（中国民用航空飞行学院，广汉　618307）

基于ArcGIS的飞行程序扇区划分实现研究

何光勤，张淼，范峥

（中国民用航空飞行学院，广汉618307）

0　引言

近年来，中国民航业的发展正极速增长，对空域使用和飞行效率的要求日益提高。能高效准确地完成飞行程序设计是提升空域使用效率的关键。目前国内的飞行程序设计主要依托于AutoCAD，虽然大大弥补了手绘的长周期、误差大等不足，但仍不能满足现今的需要［1］，如对于不同机场需要重复绘制相同内容，三维可视效果差，不能自动进行障碍物评估等。笔者结合国内飞行程序设计标准，利用ArcGIS的二次开发功能，实现飞行程序的扇区划分。

1　扇区定义及模型

扇区是空中交通管制业务中实施业务的最小单位。为保证飞行安全，提高飞行效率和空域利用率，一个优秀的扇区划分是非常重要的。根据空中交通流量的实际需求对空域扇区边界重新优化，对保障空中交通安全和减少航班延误均有重要意义。

影响扇区划分的重要因素有：本地空域结构、管制员能力、流量分布情况、扇区内机场、及跑道的结构、空中交通服务方式、航路航线数量、飞行器类型及状态、管制区相互移交条件。

一般的扇区模型，以磁北方向为起始，顺时针90°旋转，将终端区46千米范围分为四等份，如图1所示。

图1　标准扇区划分模型

根据具体的航线航路分布以及实际地形情况，对扇区进行调整。如图2所示，主要航线只有东北方向一条，南方与西方的地形起伏变化较大，北方和东方的地形高度基本一致，故将扇区调整重新划分为两个，即按照10°和170°划分整个终端区。

特别地，以DME为中心的扇区的部分区域，可在扇区内另外规定一个圆形边界（DME弧），作为扇区分扇区，在里面的区域使用较低的MSA。DME弧应在19～28km之间，避免分扇区过于狭小，进而避免整个扇区受最高障碍物影响而使用效率降低过多的情况发生［2］。如图3所示。

图2　考虑地形情况后的扇区划分

图3　扇区中包含分扇区情况

扇区划分优化时，是以标准象限划分扇区为基础，对四个扇区内的地形情况进行分析，根据查找到的地理信息，确定扇区高度和大小，针对目标航线所在的扇区，要使其范围尽量小并且高度适合，以保证该扇区内的飞行器容量符合管制员的负荷水平。

完成划分后，从ARP点开始，以5km为大小向外辐射扫描地形数据，确定不同扇区的最低安全高度值，确保扇区高度符合终端区使用。

2　ArcGIS中模型实现

2.1系统体系结构

飞行程序设计中设计规划的对象包括：跑道、导航设施、障碍物、进离场程序保护区、进近评价面等［3］。在扇区划分中使用的对象主要是：机场跑道和导航设施。用户可以根据实际需求情况对这些对象的设计进行修改。这些设计对象是由点线等基本几何元素组合而成的。系统总体结构如图4所示。

2.2系统功能模块

系统功能模块划分为：地理信息模块、扇区生成模块、扇区优化模块和显示模块。最主要的模块是扇区生成模块和优化模块。

图4　系统总体结构

地理信息模块，是整个系统的支撑，利用数据库存储机场周边的地理信息数据，提供查询分析功能。所有程序设计对象的数据都在其中，能根据不同的需求单独查询分析。

扇区生成模块，能根据地理信息模块提供的机场基础数据生成一个基本的扇区保护区模型。将生成后的扇区保护区数据反馈给地理信息模块储存，并通过显示模块呈现到用户面前。

扇区优化模块，在基础的扇区保护区模型基础上，利用地理信息模块分析的数据结果，对扇区进行优化，控制扇区的大小和高度。

显示模块，建立输出通道，将机场的基本情况和生成的扇区保护区进行显示，最后还能设置比例打印输出。

图5　系统功能模块及相互关系

2.3实现方法和思路

（1）建立地理信息数据库，存储机场终端区的地理信息数据。根据机场附近的地图和地理信息，采集需要的地理数据，提取出设计对象的信息，存储各自的高程信息，以便以后使用提取。

（2）利用ArcEngine和C#编程各个模块功能，完善数学模型，呈现最终结果。根据ArcGIS提供的接口和函数调用基本功能，计算并绘制扇区保护区。

例如，首先，根据地理信息数据的分析结果，确定扇区划分的边界改变情况，即每个扇区的大小和边界的方向。然后调用ArcGIS提供的ICircularArc接口，通过输入起点、终点和半径或起始角度、弧线角度和圆心等参数，实现圆弧的绘制，如图6所示。

图6　Circular Arc的基本参数属性模型

ArcGIS的角度是从正东方向开始逆时针方向计算，而飞行程序设计是从正北或磁北开始顺时针计算，故需要有一个转换的过程。使用接口提供的PutCoordsByAngle函数，输入圆心、起始角度、旋转角度和半径就能画出扇区所需要的弧线或者整个扇区边界。绘制好这条弧线，获取所需要弧线的其他属性：起点、终点、是否是闭合曲线等。有利于我们进一步完善扇区保护区的绘制。

具体实现过程如下：

（1）确定机场定位点（ARP），从地理信息数据库中查找机场对象信息，获取机场定位点的位置信息，并显示到交互界面上。

（2）根据机场定位点位置，绘制基础的扇区保护区模型：46千米半径的圆形区域，再加上9千米的保护区，然后划分为四等分区域，每个区域都包含9千米的外边界区域。

（3）查询机场周边地理信息数据，分析地理情况，对扇区进行优化，并且将扇区进行微分，获取每个微元的高程信息，结合优化扇区的大小情况确定不同扇区的最低安全高度值。如图7所示。

图7　计算过程

（4）将最终结果显示到界面上，并保存中间计算过程和最后计算的结论数据，如图8所示。

图8　根据高程数据计算优化扇区模型

3　结语

利用GIS技术进行的仪表飞行程序设计是近年来新提出的思路，它基于仪表飞行程序设计的基本思想，加入地理信息系统的内容，即结合地理信息数据的同时进行飞行程序设计，能较为直观地完成飞行程序设计。

从机场终端的地理信息数据出发，对终端区扇区划分进行研究，同时，运用ArcGIS系统二次开发功能，实现飞行程序设计中扇区划分的自动生成。解决了扇区划分人为因素过多，划分不合理等问题，使设计人员的工作量和工作强度显著降低，从而提高了后续工作的效率。

［1］项恒，赵嶷飞.仪表飞行程序辅助设计研究与实现［J］.中国民航学院学报，2004，22（5）：18

［2］朱代武，何光勤.目视和仪表飞行程序设计［M］.成都：西南交通大学出版社，2004

［3］国际民用航空公约.附件14机场［Z］，2009

Flight Procedure Design；Second Development of the ArcGIS；Sector Partition

Research on the Realization of Flight Procedures Sector Partition Based on ArcGIS

HE Guang-qin，ZHANG Miao，FAN Zheng
（Civil Aviation Flight University of China，Guanghan，Guanghan 618307）

1007-1423（2015）09-0060-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.09.015

何光勤（1961-），男，四川成都人，副教授，研究方向为飞行程序设计

张淼（1989-），男，四川成都人，在读硕士研究生，研究方向为飞行程序设计

范峥（1990-），男，江苏常州人，在读硕士研究生，研究方向为飞行程序设计

2015-01-15

2015-02-10

结合地理信息数据，应用ArcGIS二次开发实现飞行程序设计扇区自动划分功能。通过对终端区的地理信息数据分析，根据飞行程序设计标准，确定扇区划分的最低安全高度，修订扇区的划分大小。结果表明，引入地理信息数据，计算机绘制飞行程序设计的精度和效率有明显提高。

飞行程序设计；ArcGIS二次开发；扇区划分

中国民用航空飞行学院研究生科技创新项目（No.X2013-36）

Combined with geographic information data，uses second development and application of the ArcGIS to realize the automatic division of flight procedure design sector function.By means of geographic information data about the terminal area analysis，according to the flight procedure design standard，determines the minimum safety altitude and revises partition sector's size.The results show that using geographic information data in the computer can improve the accuracy and efficiency of the flight procedure design.