跑道真方位及磁方位测量方法研究与实践

吴亚东，徐洪兵，崔同建，石固林

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610051)

1 引 言

近年来，随着民用航空业的快速发展，我国对航空器飞行安全及机场运行安全管理越来越重视。在众多安全因素中，跑道方位是一个极为重要的基础数据，新建机场应对机场跑道方位进行测量或复核，获取准确的跑道方位数据，以确保航空器的导航、飞行安全，杜绝事故隐患。机场跑道方位分为坐标方位、真北方位和磁北方位，三北方位互相关联，跑道方位的确定会影响到航空安全、跑道利用率和环境噪声等。跑道真方位、磁方位及机场磁偏角等基础数据在机场规划选址、建设运营各个阶段，在机场使用手册附图的测绘以及飞行程序设计中均是必不可少的[1～3]。

测定跑道真北方向主要有天文测量法、陀螺仪测量法和全球定位系统(Global Positioning System，GPS)测量法，其中GPS测量是较为普遍且精度较高的方法。文献[4]利用GPS方法测量了临沧机场跑道轴线的方位角，对测量方法的精度进行了详细的分析总结。文献[5]则利用GPS相对静态定位测量结合站心地平直角坐标系来计算跑道真方位角，该方法计算过程简单、可靠省时。测定磁方位角主要有罗盘仪测量法、磁通门经纬仪测量法以及通过测定真方位角和磁偏角，利用数学转换公式进行解算的方法，其中磁偏角可以通过国家基本比例尺地形图进行查询。文献[6]介绍了利用GPS测量计算真方位角，使用J6级经纬仪配合磁针测量磁方位角，从而测定磁偏角的方法，其测量精度只能满足小型机场的飞行要求。文献[7]针对高原机场的特殊环境，探讨了磁偏角的测量方法，对日变、太阳黑子活动和金属等因素对磁偏角测量的影响做出了讨论。值得注意的是，利用仪器(如磁通门经纬仪)实地测量磁方位角时易受到周边金属堆砌物的影响，导致测量结果差异变化较大[8]，只能在远离金属的区域进行测量，通过三北方向的空间几何关系进行转换求得。因此，本文以成都天府国际机场为例，介绍了一种高精度、高实用性的跑道真方位及磁方位测量方法，较好地避免了跑道及其周边金属堆砌物对磁偏角测量的影响，对机场跑道真方位及磁方位的测量工作具有实际意义的指导性作用。

2 跑道真方位及磁方位测量方法

通过跑道S端点与地轴所组成的平面与地球旋转面的交线称为该点的真子午线，真子午线在S点的切线方向为该端点的真子午线方向，真子午线方向与跑道SN的夹角A为跑道SN的真方位角；过跑道端点S与磁南北极所作的平面与地球旋转面的交线称为该点的磁子午线，磁子午线在S点的切线方向称为该点的磁子午线方向，磁子午线方向与跑道SN的夹角Am为跑道SN的磁方位角。由于地球的两磁极连线与地轴不重合，所以磁子午线方向与真子午线方向之间存在一个δ角，称为磁偏角或者磁差。坐标北方向是高斯投影时投影带的中央子午线的方向，也是高斯平面直角坐标系的坐标纵轴方向，坐标北方向与跑道SN的夹角α称为跑道SN的坐标方位角，真子午线与坐标纵轴之间的夹角称为子午线收敛角γ。跑道SN真方位角、磁方位角及坐标方位角的关系为A=Am+δ，A=α+γ，三北方位的几何关系如图1所示[9～13]。

图1 跑道三北方位示意图

基于三北向的空间几何关系，本文采用了一种可以有效避免金属物影响且方便快捷的测量方法即采用GPS技术及磁通门经纬仪实测跑道真北方位、磁北方位及磁偏角方法，测量方法的主要步骤如下：

(1)在跑道附近无干扰区域布控若干磁偏角测站点，采用GPS测出待测边两端点的大地坐标，计算出高斯投影坐标、坐标北方向，利用公式A=α+γ解算待测边的真方位角。

(2)利用磁通门经纬仪实测测站的磁方位角，利用公式δ=A-Am解算确定区域平均磁偏角，并保证各个测站点所测磁偏角的较差达到测量精度要求。

(3)在待测跑道端点及中点位置采用GPS测出待测边两端点的大地坐标，计算出高斯投影坐标、坐标北方向，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。具体技术路线如图2所示。

图2 技术路线图

3 成都天府国际机场跑道方位实测

成都天府国际机场定位为国家级国际航空枢纽、丝绸之路经济带中等级最高的航空港，是“国家十三五”规划中计划建成的中国最大的民用运输枢纽机场项目，远期规划六条跑道，四条主向远距离平行跑道和两条垂直侧向中距跑道，两条主向跑道之间规划中央航站区。西一、西二跑道为4F等级，东一、东二、北一、北二跑道均为4E等级。经实地勘察表明，成都天府国际机场跑道外附近堆砌钢材等金属杂物较多，对磁场环境影响太大，不能够直接在跑道上测量磁方位。

3.1 踏勘选点及测线布设

首先在测区卫图上进行点位初选，然后对测区环境进行实地踏勘和观测点位的现场选择。目前东一、西一跑道和北一跑道已经基本建成，且跑道外附近堆砌钢材等金属杂物较多，对磁场环境影响太大，跑道及跑道外 200 m范围无法进行观测点位的选择和测量。根据实地情况，沿着与跑道平行的东西、南北方向进行观测点位的布设，点位确定前，对测点环境进行了梯度观测以判定测点磁场环境是否满足观测条件，同时还需考虑两点的通视条件。最终根据现场情况，共选择4个测站点(如图3所示)，分别命名为TFJC01、TFJC02、TFJC03、TFJC04，与4个标志点组成4条测线。

图3 测点分布图

3.2 真方位角测量

使用GPS观测方法进行真方位角观测。在磁偏角测点位置和方位标志点位置上分别架设测量三脚架，其中磁偏角测点位置上所架设的必须是无磁三脚架。当确认当前磁偏角磁倾角测点位置和方位标志点位置上的GPS接收机均接收到5颗以上GPS卫星的信号，磁偏角磁倾角测点位置和方位标志点位置上的GPS接收机开始进入同步观测状态。当磁偏角磁倾角测点位置和方位标志点位置上的GPS接收机均显示等效测量基线长度大于 8 km后，结束测量状态。上述测量过程在地磁测量开始之前和结束之后各进行一次。

3.3 磁北方位测量

采用CTM-DI型磁通门经纬仪(如图4所示)进行观测，磁方位角和磁倾角的观测重复性不大于0.1′，转向差不大于10′，主机与传感器之间的电缆长度大于 2 m。具体观测过程及要求如下：

图4 CTM-DI型磁通门经纬仪

(1)第一次标志观测：将磁通门经纬仪望远镜在正镜(探头向上)状态下瞄准标志，使望远镜十字丝与标志中心重合，读取水平度盘读数。然后，将望远镜十字丝人为调离标志中心，再调到望远镜十字丝和标志中心重合，读水平度盘读数。将水平度盘旋转180°，进行倒镜观测(探头向下)，观测方法与正镜完全相同。

(2)磁北观测：第一步，将磁通门经纬仪望远镜指东，探头向上，调节垂直度盘，使垂直度盘读数精确到90°00.0′，旋转经纬仪水平度盘，使电子监测器输出读数接近零，然后，旋转水平微调螺栓(保持中间位置操作)，使磁通门经纬仪的显示器输出精确为零(在观测中注意+0和-0的区别，始终总保持一种状态)，再检查垂直度盘读数是否严格保持90°00.0′。若是，读取水平读盘读数D1，同时，记录偏角观测开始时间。若否，则调整垂直微调螺栓使垂直度盘读数精确到 90°00.0′，然后再调整水平微调螺栓，直到磁通门经纬仪的显示器读数为零，读水平度盘读数记录D1及观测开始时间。第二步，将经纬仪水平旋转180°，望远镜指西，探头向上，保证垂直度盘读数精确到90°00.0′，调节水平微调螺栓，使磁通门经纬仪的显示器输出精确为零，读取水平度盘读数记录D2。第三步，保持水平度盘不变，将仪器垂直度盘旋转180°，望远镜指东，探头向下，使垂直读盘读数精确到270°00.0′，调节水平微调螺栓到磁通门经纬仪的显示器输出精确为零，读取并记录水平度盘读数D3。第四步，旋转水平度盘180°，望远镜指西，探头向下，调整垂直读盘读数精确到270°00.0′，调节水平微调螺栓到磁通门经纬仪的显示器读数精确为零，读取并记录水平度盘读数D4及观测结束时间。

(3)第二次标志观测：在完成上面所规定的磁倾角和地磁场总强度测量后，进行第二次标志观测。测量步骤与第一次标志观测完全相同。各测点每次测量所获得的所有磁方位角标志观测值的差一般不得大于0.4′。

3.4 跑道真方位及磁方位计算

全部测量结束后，利用GPS测量的大地坐标计算出高斯投影坐标及坐标方位角，再根据公式A=α+γ计算出布设测线的真北方向，结合磁通门经纬仪的观测成果，计算出测线的磁北方向及磁偏角。

磁偏角计算表 表1

由表1可以看出，各个测站点的观测中误差不超过1″，东西向与南北向的较差在1′左右，磁偏角测量精度高达0.021′，数据结果表明在规避金属堆砌物影响的情况下，本文的测量方法获得了高精度的测量结果。

利用GPS接收机测量出跑道端点和中点的大地坐标，计算出端点高斯投影坐标及坐标方位角，再根据公式A=α+γ计算出跑道的真方位角，结合磁通门经纬仪所测的磁偏角成果，计算出跑道的磁方位角，本文取平均磁偏角为-2°20′。跑道真方位及磁方位计算结果如表2所示。

跑道真方位及磁方位计算结果表 表2

4 结 语

本文从跑道真方位及磁方位定义出发，提出了一种利用GPS技术和磁通门经纬仪实测跑道真北方位、磁北方位及磁偏角的方法，并以天府国际机场为例，证明了该方法的可行性和可靠性，现总结如下：

(1)磁偏角测量观测点一定要选择在远离金属、电力、通讯等设施并且磁场稳定的地点，减少外界环境的影响。磁通门经纬仪等磁性仪器对金属十分敏感，要求测量标识，脚架基座为非金属材料，在观测过程中观测者不能携带任何金属物体(包括带金属的眼睛、皮带等)。采用本文的测量方法可以较好地避免环境干扰，同时方法简单快捷，对测量工作具有重要的指导意义。

(2)本文的测量方法主要依托于GPS技术与磁通门经纬仪测量技术。相比于其他技术，采用GPS测量坐标北改正子午线收敛角的方法误差源更少、操作更简单，精度也更高。采用磁通门经纬仪测量磁偏角更加稳定可靠，能够达到飞行导航数据的精度要求。因此，在有条件的情况下，应采用GPS技术和磁性仪器对跑道的真方位和磁方位进行实地测量。