付先國(guó) （合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230061）

1 引言

為進(jìn)一步提升航空情報(bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量，滿足民航運(yùn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，民航局、空管局對(duì)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的跑道相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了核實(shí)，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)存在一定的偏差和遺漏，為提高跑道相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量，消除安全隱患，需要開展跑道數(shù)據(jù)專項(xiàng)核查工作。

合肥新橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于合肥市蜀山區(qū)高劉街道，與合肥市中心的直線距離約31.8km，飛行區(qū)技術(shù)等級(jí)指標(biāo)為4E，遠(yuǎn)期考慮F 類飛機(jī)的運(yùn)行需求，遠(yuǎn)期規(guī)劃為4 條跑道，已經(jīng)建設(shè)了一條長(zhǎng)3400m、寬45m 的東一跑道，目前西一跑道正在建設(shè)中。根據(jù)民航局（2021）809 號(hào)文件精神，各機(jī)場(chǎng)應(yīng)對(duì)跑道真向、機(jī)場(chǎng)磁偏角等數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，真向數(shù)據(jù)精確到0.01度，磁偏角數(shù)據(jù)精確到1分。

2 真方位角測(cè)量

測(cè)定跑道真方位角主要有天文測(cè)量法、陀螺儀測(cè)量法和GNSS 測(cè)量法。陀螺儀測(cè)量法主要利用陀螺儀自動(dòng)尋北的原理；GNSS 測(cè)量法主要采用GNSS 測(cè)出跑道兩端點(diǎn)的坐標(biāo)，利用三北向（坐標(biāo)北、真北、磁北）的空間幾何關(guān)系，解算跑道的真方位角。

過(guò)跑道端點(diǎn)真子午線的切線北端所指示的方向稱為真北方向，坐標(biāo)縱軸正向所指示的方向稱為坐標(biāo)北方向。由真北方向起算的方位角為真方位角，由坐標(biāo)北方向起算的方位角為坐標(biāo)方位角。真北方向與坐標(biāo)北方向之間的夾角為子午線收斂角γ。若坐標(biāo)北方向在真北方向東側(cè)時(shí)，子午線收斂角為正；若坐標(biāo)北方向在真北方向西側(cè)時(shí)，子午線收斂角為負(fù)。

子午線收斂角可按下式計(jì)算：

式中，△L 為跑道端點(diǎn)大地經(jīng)度與中央子午線大地經(jīng)度的差值；B為跑道端點(diǎn)的大地緯度。

當(dāng)△L不變時(shí)，緯度越高，子午線收斂角越大；緯度越低，子午線收斂角越小。

跑道真方位角與坐標(biāo)方位角關(guān)系公式為：

式中，A為跑道的真方位角；α為跑道的坐標(biāo)方位角；γ為跑道端點(diǎn)的子午線收斂角。

通過(guò)GNSS 測(cè)量法，可以測(cè)出跑道兩端點(diǎn)的大地坐標(biāo)，利用公式（1）計(jì)算得到跑道子午線收斂角γ；將跑道兩端點(diǎn)大地坐標(biāo)進(jìn)行高斯投影計(jì)算，獲得跑道的坐標(biāo)方位角α，利用公式（2）求得跑道真方位角A。

陀螺儀測(cè)量法主要利用陀螺全站儀自動(dòng)尋北的原理。陀螺全站儀的工作原理是用吊絲懸掛重心下移的陀螺靈敏部感應(yīng)地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量，在重力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)北向進(jìn)動(dòng)的力矩，使陀螺敏感部主軸圍繞子午面往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)光電傳感器將陀螺敏感部往復(fù)擺動(dòng)的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤陀螺靈敏部的方位擺動(dòng)，并對(duì)靈敏部進(jìn)行加矩控制，解算出被測(cè)目標(biāo)的真北向方位角。

合肥新橋機(jī)場(chǎng)真方位角測(cè)量使用陀螺儀測(cè)量法，并通過(guò)GNSS 測(cè)量法進(jìn)行檢核。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程

測(cè)量場(chǎng)地示意圖如圖1 所示，P1 為機(jī)場(chǎng)跑道中線的南端點(diǎn)，P3 為機(jī)場(chǎng)跑道中線的北端點(diǎn)，P2 為跑道中心線上的點(diǎn)：

圖1 真方位角測(cè)量示意圖

①在跑道中心線的南端點(diǎn)P1 處架設(shè)陀螺全站儀，中心線上P2架設(shè)覘牌；

②測(cè)量P1-P2 連線的真方位角，共進(jìn)行3個(gè)測(cè)回的獨(dú)立測(cè)量；

③對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行陀螺全站儀儀器常數(shù)修正，在跑道真方位角測(cè)量前后，均將陀螺全站儀在基線場(chǎng)的真北標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)上校準(zhǔn)儀器常數(shù)，確保儀器常數(shù)的準(zhǔn)確；

④用GNSS 接收機(jī)測(cè)量跑道兩端點(diǎn)的大地坐標(biāo)，通過(guò)GNSS 測(cè)量法計(jì)算跑道真方位角，對(duì)陀螺儀測(cè)量的真方位角進(jìn)行檢核。

2.2 陀螺全站儀一次測(cè)量作業(yè)過(guò)程

①在測(cè)站上對(duì)中整平陀螺全站儀，將儀器大致對(duì)正北向；

②粗略定向（測(cè)定近似北方向）：鎖緊靈敏部，啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，待達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，下方陀螺靈敏部，用粗略定向的方法測(cè)定近似北方向。完畢后制動(dòng)陀螺并托起鎖緊，將望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸轉(zhuǎn)到近似北方向位置，固定照準(zhǔn)部；

③測(cè)前懸?guī)Я阄挥^測(cè)；打開陀螺照明，下方陀螺靈敏部，進(jìn)行測(cè)前懸?guī)Я阄挥^測(cè)，零位觀測(cè)完畢，托起并鎖緊靈敏部；

④精密定向（精密測(cè)定陀螺北）：采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行精密定向；

⑤測(cè)后懸?guī)Я阄挥^測(cè)。

將陀螺全站儀各測(cè)回的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行儀器常數(shù)修正后，計(jì)算得到測(cè)量中誤差為±2.8″，符合精度要求。

用陀螺全站儀測(cè)量的P1→P3 真方位角成果如表1所示。

表1 陀螺真方位角測(cè)量結(jié)果表

用GNSS 測(cè)量法，具體測(cè)量過(guò)程如下：

①用GNSS 接收機(jī)，測(cè)量跑道南端點(diǎn)P1、北端點(diǎn)P3 的大地經(jīng)緯度坐標(biāo)（CGCS2000坐標(biāo)系）；

②利用公式（1），計(jì)算跑道南端點(diǎn)P1的子午線收斂角γ；

③將跑道南端點(diǎn)P1、北端點(diǎn)P3 的大地經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行高斯投影，獲得其高斯平面直角坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算跑道的坐標(biāo)方位角α；

④利用公式（2），計(jì)算P1→P3 的真方位角。

用GNSS 測(cè)量法計(jì)算的P1→P3 真方位角成果如表2所示。

表2 GNSS測(cè)量法計(jì)算真方位角結(jié)果表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，兩種不同的測(cè)量方法獲得的真方位角結(jié)果一致，均能滿足規(guī)范要求。

3 磁偏角測(cè)量

由于地球磁極與地球南北極不重合，因此過(guò)地面上一點(diǎn)的磁北方向與真北方向不重合，其間的夾角稱為磁偏角。磁北方向在真北方向東側(cè)時(shí)，磁偏角為正；磁北方向在真北方向西側(cè)時(shí)，磁偏角為負(fù)。在我國(guó)范圍內(nèi)，正常情況下磁偏角都是西偏，只有某些發(fā)生磁力異常的區(qū)域才會(huì)表現(xiàn)為東偏。磁偏角的大小也不是固定不變的，而是因地而異。同一地點(diǎn)，也隨時(shí)間有微小變化，有周年變化和周日變化。發(fā)生磁暴和在磁力異常地區(qū)，如磁鐵礦和高壓線附近，磁偏角會(huì)產(chǎn)生急劇變化而影響測(cè)量，應(yīng)盡量避免。

測(cè)定跑道磁偏角主要采用磁力儀進(jìn)行測(cè)量。磁力儀是由無(wú)磁經(jīng)緯儀、磁通門檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)磁腳架等構(gòu)成。無(wú)磁經(jīng)緯儀是高度“無(wú)磁”的，足以保證磁偏角的觀測(cè)精度，這是它與普通經(jīng)緯儀的本質(zhì)區(qū)別。磁通門檢測(cè)系統(tǒng)是具有高靈敏度和高穩(wěn)定度的電子檢測(cè)系統(tǒng)，其傳感器安置在無(wú)磁經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡之上。通過(guò)無(wú)磁經(jīng)緯儀的測(cè)角系統(tǒng)，按照一定的觀測(cè)程序就可以精確地測(cè)定磁偏角D。

圖2 CTM—DI磁力儀

3.1 磁子午線水平角觀測(cè)

將無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡水平安置，調(diào)整垂直符合水準(zhǔn)器，然后將無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到磁力儀0位附近，旋緊水平固定螺旋，利用水平微動(dòng)使磁力儀精確指0，記錄該時(shí)刻，讀取該0位置的水平度盤讀數(shù)。通常按EU、WU、WD、ED 的順序進(jìn)行4個(gè)0位磁力儀時(shí)的水平角觀測(cè)，此為一測(cè)回，并計(jì)算磁子午線MM平均值。

MM=(ED+WD+EU+WU)/4 （3）

其中，ED：垂直角設(shè)置為270°時(shí)，當(dāng)無(wú)磁經(jīng)緯儀指向東面，且磁通門傳感器位于無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡之下時(shí)，水平度盤讀數(shù)為ED；

WD：垂直角設(shè)置為270°時(shí)，當(dāng)無(wú)磁經(jīng)緯儀指向西面，且磁通門傳感器位于無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡之下時(shí)，水平度盤讀數(shù)為WD；

EU：垂直角設(shè)置為90°時(shí)，當(dāng)無(wú)磁經(jīng)緯儀指向東面，且磁通門傳感器位于無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡之上時(shí)，水平度盤讀數(shù)為EU；

WU：垂直角設(shè)置為90°時(shí)，當(dāng)無(wú)磁經(jīng)緯儀指向西面，且磁通門傳感器位于無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡之上時(shí)，水平度盤讀數(shù)為WU。

3.2 參考標(biāo)志水平角觀測(cè)

對(duì)參考標(biāo)志測(cè)量時(shí)，水平度盤可以隨意設(shè)置，照準(zhǔn)部位于盤左位置，瞄準(zhǔn)目標(biāo)并記錄此時(shí)水平度盤的讀數(shù)CL，倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡成盤右位置，旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并記錄此時(shí)水平度盤的讀數(shù)CR，計(jì)算參考標(biāo)志度盤位置TD：

此為一測(cè)回，TD 中包含±90°分量，計(jì)算磁偏角D時(shí)將會(huì)減除。

3.3 磁偏角D計(jì)算

磁偏角D為：

其中A 為跑道的真方位角，通過(guò)前面介紹的陀螺儀測(cè)量法或GNSS 測(cè)量法可以獲得。

3.4 新橋機(jī)場(chǎng)磁偏角測(cè)量過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)磁方位角的測(cè)量結(jié)果影響很大，因新橋機(jī)場(chǎng)跑道附近鋪設(shè)了鋼筋網(wǎng)，可能對(duì)磁方位角的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在跑道外磁干擾影響小的位置選定了一條與跑道中線平行的測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，平行測(cè)線與跑道中線距離140m，在平行測(cè)線上布設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行磁方位角測(cè)量，由于平行的兩條測(cè)線距離較近，所以兩平行線磁方位角相同。

圖3 磁偏角測(cè)量示意圖

①在進(jìn)行磁方位角觀測(cè)前，做好個(gè)人的磁衛(wèi)生檢查，例如衣服應(yīng)沒(méi)有金屬紐扣、不能佩戴金屬眼鏡等。

②磁力儀格值標(biāo)定。將地磁經(jīng)緯儀架設(shè)于無(wú)磁腳架上，精確整平。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使垂直度盤置于90°，順時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡至東方向，使磁力儀示值約為150 nT，記錄水平度盤讀數(shù)A+及磁力儀示值B+；繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使磁力儀示值約為0 nT，記錄平度盤讀數(shù)A0 及磁力儀示值B0；繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使磁力儀示值約為-150 nT，記錄平度盤讀數(shù)A-及磁力儀示值B-，并計(jì)算磁北方向近零格值。

③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在距離跑道中線140m 無(wú)磁干擾的位置布設(shè)4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，點(diǎn)位間隔約400m，在W1、W2、W3每個(gè)測(cè)站觀測(cè)三個(gè)測(cè)回，W4 作為后視點(diǎn)架設(shè)覘牌，觀測(cè)時(shí)段選在晚上，避開白天磁場(chǎng)影響劇烈的時(shí)段。

④每個(gè)測(cè)站分別獨(dú)立觀測(cè)，利用公式（6）進(jìn)行磁力儀格值改正，利用公式（5）計(jì)算各測(cè)站的測(cè)量結(jié)果。

各測(cè)站數(shù)據(jù)處理后結(jié)果如表3 所示。

表3 磁方位角D測(cè)量結(jié)果表

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算觀測(cè)中誤差為：±0.6＇,滿足規(guī)范1＇的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了機(jī)場(chǎng)跑道真方位角和磁偏角的測(cè)量原理和方法，并以合肥新橋機(jī)場(chǎng)為例，闡述了測(cè)量方法的具體實(shí)施過(guò)程，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析和精度評(píng)定，總結(jié)如下。

①在進(jìn)行機(jī)場(chǎng)真方位角和磁偏角測(cè)量前，一定要理解三北向（坐標(biāo)北、真北、磁北）的空間幾何關(guān)系，理解子午線收斂角、磁偏角、真方位角、磁方位角等生僻術(shù)語(yǔ)的意義。

②陀螺儀測(cè)量法和GNSS 測(cè)量法均能滿足真方位角測(cè)量要求，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，靈活選擇測(cè)量方法進(jìn)行作業(yè)。

③周圍環(huán)境對(duì)磁偏角測(cè)量結(jié)果影響較大。測(cè)量磁偏角時(shí)應(yīng)在晚上進(jìn)行，避免白天強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾；要遠(yuǎn)離金屬、電力、通訊等設(shè)施，測(cè)量腳架、測(cè)量標(biāo)識(shí)要為無(wú)磁。