军用机场净空测绘关键技术及工程应用

胡玉祥，刘宝华，张洪德，王智，孟庆年

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市西海岸基础地理信息中心有限公司，山东 青岛 266000)

1 引 言

飞机起飞和降落对周边范围有一定的要求，机场净空区便是为保证飞机安全在机场周边划定的限制物体高度的区域，是飞机起飞、着陆的必经之地。机场净空区由升降带、端净空区和侧净空区三个部分组成[1]，其中侧净空区包括过渡面、内水平面、锥形面和外水平面。绘制机场净空障碍物限制图是机场建设过程中的重要一环，对于保证机场建设的顺利进行提供基础保障。机场净空障碍物限制图绘制过程中涉及众多测绘理论，其中关键测量技术主要有坐标转换、高斯投影换带计算以及三北方向计算等，本文结合某军用机场净空障碍物限制图项目，对限制图绘制过程中涉及的上述关键测量技术进行分析，梳理总结过程中的注意事项，给相关工程提供了很好的借鉴。

2 净空测绘关键技术

飞机在起飞或着陆过程中飞行高度较低，而且是逐渐升高或降低的，因此需要对周边一定区域的人工障碍物和自然障碍物的高度进行限制，这一限制障碍物高度的区域称为净空区。净空障碍物测绘过程中涉及众多的测绘技术，本章结合具体工程实践，介绍机场净空障碍物限制图绘制过程中的坐标转换、高斯投影换带计算、三北方向以及净空障碍物限制图绘制等关键技术和环节。

2.1 坐标转换

任何一个机场净空障碍物限制图均需要在同一坐标系下进行外业测量和内业绘制，为了使用方便，有的净空项目还需要提供几套坐标系成果，这就需要进行坐标转换[2]，坐标转换通常采用公共点来计算转换参数，转换过程利用布尔莎七参数模型，即：

(1)

式中，3个平移参数[△X△Y△Z]T，3个旋转参数[εXεYεZ]T和1个尺度参数m，无单位。

2.2 高斯投影换带计算

机场净空障碍物限制图上的障碍区信息需要提供经纬度、平面坐标以及方位角等，而外业测绘得到的一般是某坐标系下的大地坐标，这就需要进行高斯投影正、反算[3]求得其平面坐标；有的机场净空项目需要的成果和当地坐标系使用并非中央子午线，甚至有的机场选址位于当地坐标系临接带，这时还需要进行换带计算。

由大地坐标(B，L)推求高斯平面坐标(x，y)的过程为高斯投影坐标正算，即：

(2)

由高斯平面坐标(x，y)推求大地坐标(B，L)的过程为高斯投影坐标反算，即：

(3)

高斯投影虽然保证了投影后角度保持不变，但其长度变形严重。长度变形严重不利于成果的使用，为了限制高斯投影的长度变形，我们选取中央子午线东西两侧一定范围区域的狭长带依中央子午线进行分带。但这样会导致一个统一坐标系被分隔成不同带的独立坐标系，因而需要换带计算(如图1所示)。换代计算的基本思路就是利用某点的大地坐标不变的特点作为过渡，用高斯投影正、反算作为转换的工具，进而求得不同带之间的坐标。它具有精度高、通用和便于计算等优点。

图1 换带计算示意图

图2 换带计算示意图

2.3 三北方向计算

机场建设过程中的一个重要参数便是磁偏角，对于跑道编号、航站台建设以及飞机导航定位有重要意义。

机场净空测绘过程中遇到的北方向主要有3种，即磁北、真北以及坐标北，坐标北是指地图上纵轴指示的方向，也就是测绘作业中X轴所指的方向，可由两点的平面坐标反算得到，真北方向是沿着地球表面朝向地理北极的方向。坐标北方向与真北方向的夹角称为子午线收敛角，用γ0表示，距离中央子午线越近，子午线收敛角越小；磁北方向即指南针所指北方向，随着时间的变化而变化，由于地球的真南北极、磁南北极不重合，因此过地球表面上任一点的真子午线方向和磁子午线方向不重合，两者之间的夹角称为磁偏角，用δ表示；三北关系示意图如图3所示。

图3 各方位角关系图

在测绘作业过程中，我们使用的是坐标方位角α0，可由两点的平面坐标反算得到，而不是地理方位角A0，因此还需要求子午线收敛角γ0，子午线收敛角在中央子午线以东为正，以西为负。地理方位角和坐标方位角的关系为：

A0=α0+γ0

(4)

子午线收敛角γ0可有查表法[5]求得，也可以根据公式求出，公式为：

γ0=△L·sinB

(5)

式中，△L=L-L0，L为对应点的中央子午线经度，L0为相应投影带中央子午线经度。

2.4 净空限制图

机场净空区是指为保证飞机起飞、着陆和复飞的安全，在机场周围划定的限制物体高度的空间区域。由升降带、端净空区、侧净空区构成。其范围和规格根据机场等级确定，本文以二级机场为例，如图4为二级机场净空区平面图、图5为侧面图。

升降带是以机场跑道中线为基准，两侧各 100 m的中线平行线和两端各 100 m处中线水平延长线的垂直线所构成的场地。升降带上不应用过高的障碍物对飞机起飞造成威胁。

端净空区是从升降带端线的两端开始，与升降带边线水平延长线以水平面15%的扩散率扩展至 3 000 m，并以此宽度延伸到机场净空区边线所构成的限制物体高度的区域。障碍物限制面起算高程为跑道端中点高程。

侧净空区是从升降带和端净空区限制面边线开始，至机场净空区边线所构成的限制物体高度的区域。侧净空区通常包含内水平面、锥形面和外水平面。

净空障碍物限制图通常需要求得障碍物的经纬度以及方位角信息，考虑机场建设周期问题，往往需要对周边的障碍物进行不同时期的测绘，根据障碍物测绘精度要求，通常用的测量手段主要有全站仪极坐标法以及RTK测量方法。机场净空障碍物绘制具体可参考《军用机场净空规定》，采用CAD极坐标法绘制。

图4 二级机场净空区平面图

图5二级机场净空区侧面图

3 工程应用

某军用机场由于建设需要，需要测绘机场净空障碍物限制图。测绘范围以新机场跑道为中心，半径 15 km～50 km范围内的高大建(构)筑物，测绘成果按 1∶50 000和 1∶100 000比例尺分别绘制成净空平面图和净空剖面图，并在图中标出跑道位置、净空障碍物限制面、净空障碍点，包括障碍物编号、名称、方向、距离、高程和超高高度，绘制 1∶50 000和 1∶100 000障碍点分布图各一份。

针对上述任务需要，本文对净空障碍物限制图绘制过程中涉及的关键测绘技术进行分析。

3.1 外业测量及记录

超高点地面、顶部均可以直接到达，空天通视好，能够用RTK直接施测。可以利用SDCORS系统进行作业，先用RTK进行控制点的检核，满足限差要求进行下一步作业。

对于超高点地面能够到达，顶部不能到达，地面空天通视好，地面能够用RTK直接施测。可以用RTK直接施测其地面高程，然后在空旷地方布设和顶部目标两两通视图根控制点，采用前方交会的方法进行测量，并同时观测记录目标的天顶距。交会角度要控制在30°～150°之间，避免因交会角度过大或过小而导致所求目标坐标偏差过大。也可利用两个相互通视的控制点采用极坐标测量法直接测量获取超高点的三维坐标。

3.2 跑道中心点坐标确定

绘制机场净空障碍物限制图首先要根据供求确定机场跑道中线点坐标，而确定坐标就涉及基准问题，在机场净空障碍物绘制过程中，很多基础资料都是在当地坐标系下的，而障碍物限制图往往需要提供另一个基准下的相关数据，这就需要进行换带计算和坐标转换。

搜集到的基础资料都是在当地坐标系下，平面基准为：地方坐标系，1980西安坐标系参考椭球，高斯投影，中央子午线119°10′；而项目平面基准为：1980西安坐标系，高斯投影，中央子午线120°；高程基准均为1985国家高程基准。要得到所需投影带的跑道中心点平面坐标，首先需要进行投影换带计算，然后进行坐标转换得到大地坐标。换带计算过程如图6程序框图：

图6 换带计算流程图

3.3 磁北方位角计算

经过上面处理后得到了障碍物点在各坐标系下的平面坐标，根据坐标反算可以得到障碍物点相对于基准点(跑道南北端点)的坐标方位角，根据坐标方位角以及子午线收敛角和磁偏角可以求得各障碍物点相对于基准点(跑道南北端点)的磁方位角。跑道南北端点的子午线收敛角可以根据点的经纬度求得。具体的计算流程见图7：

注：(x0，y0)、(B0，L0)为基准点(机场南北端点)的平面坐标和大地坐标。

图7磁北方位角计算流程图

3.4 净空障碍物限制图绘制

机场净空障碍物限制图的绘制需要用专用的CAD软件进行，首先根据相关的跑道和升降带信息在相应坐标系下绘制出跑道和升降带。

过渡面从升降带和端净空区限制面边线开始，按1/10坡度向上向外倾斜，直至与相应的内水平面、锥形面、外水平面相交。升降带两侧过渡面起算点高程采用跑道中线距该点最近处的高程；端净空区两侧过渡面起算高程为端净空区限制面边线上的高程。

内水平面从过渡面的外边线开始，水平向外延伸，直至与锥形面相交。

锥形面从内水平面的外边线开始，按相应坡度向上向外倾斜，直至与外水平面相交。

外水平面从锥形面和端净空区两侧过渡面的外边线开始，水平向外延伸，直至机场净空区边缘。

本项目绘制的机场净空限制障碍物图类似图4，并在图中标出相应的障碍物位置，以表的形式列出障碍物在WGS84、1954北京坐标系以及1980西安坐标系下的相应坐标成果以及障碍物的磁方位角、名称、编号、高程和超高高度等信息。

4 结 论

机场净空障碍物测量是机场建设的重要组成部分，是一项专业性强、涉及知识面广的综合测绘项目；其测绘成果往往涉密，成果要求较高，对于飞机安全起飞、降落意义重大。机场净空测量过程中涉及大地测量、工程测量、地图制图以及计算机编程等测绘新技术，是测绘工作者专业技能水平的良好体现。随着社会经济的发展以及空间技术的进步，机场净空障碍物测绘必将会成为测绘工作者的重要工作内容之一。针对机场净空障碍物测绘，本文重点论述了障碍物测量中涉及的关键测绘技术，结合实际应用项目进行了分析探讨，为今后解决类似项目提供了良好的借鉴。