郭耀林 段方東 李戰(zhàn)偉

【摘要】為機(jī)場(chǎng)保障部門提供疑似超高物體的平面坐標(biāo)、WGS84坐標(biāo)、地面高程、頂部高程、場(chǎng)高及相對(duì)于跑道中心的距離、磁方位角等。為確保飛行安全，需要對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)域內(nèi)疑似超高建（構(gòu)）或高大樹(shù)木等的位置、高程、比高等進(jìn)行充分的了解和準(zhǔn)確測(cè)量，本文就凈空測(cè)量的作業(yè)方法進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量；三角高程；磁方位角

引言

在2014年期間，筆者負(fù)責(zé)了某民用機(jī)場(chǎng)疑似超高物的三維坐標(biāo)測(cè)量。該項(xiàng)目測(cè)繪面積大，疑似超高物既有人工構(gòu)（建）筑物，也有自然地貌。具體的目標(biāo)多種多樣，有高樓大廈、露天設(shè)備，也有各類高壓塔、信號(hào)塔和山頂樹(shù)木等。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和工作中的體會(huì)，針對(duì)不同超高物的測(cè)量方法做些詳細(xì)的分析。

1、機(jī)場(chǎng)凈空控制測(cè)量的方法

控制測(cè)量是工程建設(shè)的基礎(chǔ)，服務(wù)于各種工程建設(shè)，城鎮(zhèn)建設(shè)和土地規(guī)劃與管理等。是在測(cè)區(qū)內(nèi)，按測(cè)量任務(wù)所要求的精度，測(cè)定一系列控制點(diǎn)的平面位置和高程，建立起測(cè)量控制網(wǎng)，作為各種測(cè)量的基礎(chǔ)，具有控制全局，限制測(cè)量誤差累積的作用。

1.1 機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量范圍的確定。機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量范圍的確定是進(jìn)行凈空測(cè)量的首要條件，是機(jī)場(chǎng)凈空控制測(cè)量是基礎(chǔ)。由于我國(guó)大部分民用機(jī)場(chǎng)是4E（飛機(jī)能起飛降落的類型）型機(jī)場(chǎng)，4E型機(jī)場(chǎng)端凈空一般20公里，側(cè)凈空15公里，加上機(jī)場(chǎng)跑道寬度和長(zhǎng)度就可以確定出機(jī)場(chǎng)整個(gè)凈空的測(cè)量范圍。

1.2 機(jī)場(chǎng)凈空控制測(cè)量的方法。

根據(jù)凈空范圍收集和機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)高程基準(zhǔn)一致的高等級(jí)控制點(diǎn)，并通過(guò)GPS靜態(tài)測(cè)量或RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位以及水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量解算出各已知點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)和高程。GPS靜態(tài)測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行平面和高程控制的具體步驟參閱相關(guān)規(guī)程（規(guī)范），此文不再贅述。主要對(duì)運(yùn)用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位進(jìn)行控制測(cè)量的注意事項(xiàng)進(jìn)行分析。

（1）常規(guī)RTK1+1模式作業(yè)半徑最好（5-10公里），而利用CORS系統(tǒng)作業(yè)不受此限制；（2）盡量避開(kāi)電離層活躍的時(shí)間段；

（3）衛(wèi)星6顆以上作業(yè)才較為可靠；

（4）測(cè)量時(shí)置信度須設(shè)置在99.99%，固定狀態(tài)且HRMS≤0.02，VRMS≤0.02時(shí)方可數(shù)據(jù)采集，HRMS和VRMS越小，RTK點(diǎn)位坐標(biāo)收斂越快定位精度也就越高，如果收斂很慢，獲得固定解需要幾十秒甚至幾分鐘，這時(shí)即使顯示的是固定解但也可能不真實(shí)，也就是俗稱的假固定。PDOP是位置精度強(qiáng)弱度（0.5--99.9）；為緯度、經(jīng)度和高程等誤差平方和的開(kāi)根號(hào)值，是反映觀測(cè)衛(wèi)星圖形強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，PDOP越小說(shuō)明衛(wèi)星越多分布越均勻。那么RTK精度的精確性可靠性越高，而且初始化時(shí)間越短；

（5）控制點(diǎn)檢核核，開(kāi)機(jī)后在一切準(zhǔn)備就緒后到兩個(gè)控制點(diǎn)上檢核，滿足精度后方可下一步作業(yè)。常規(guī)RTK實(shí)時(shí)定位和靜態(tài)事后差分處理結(jié)果后的精度比較如下表。

常規(guī)RTK實(shí)時(shí)定位和靜態(tài)事后差分處理結(jié)果后的精度比較表

2、疑似超高點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量的方法

2.1 超高點(diǎn)地面、頂部均可以直接到達(dá)，空天通視好，能夠用RTK直接施測(cè)。可以利用CORS系統(tǒng)并加載事先求定的七參數(shù)，先用RTK進(jìn)行控制點(diǎn)的檢核，滿足限差要求后方可進(jìn)行下一步作業(yè)。這時(shí)就可以到目標(biāo)點(diǎn)施測(cè)出其地面高程和頂部三維坐標(biāo)。RTK的優(yōu)點(diǎn)是快速并可全天候作業(yè)，經(jīng)濟(jì)高效精度有保證。當(dāng)然在作業(yè)區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的情況下，也可以采用RTK 1+1模式，利用電臺(tái)發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，移動(dòng)站在接收到差分信號(hào)后解算整周模糊度并得出固定解后即可測(cè)量。

2.2 超高點(diǎn)地面能夠到達(dá)，頂部不能到達(dá)，地面空天通視好，地面能夠用RTK直接施測(cè)。可以用RTK直接施測(cè)其地面高程，然后在空曠地方布設(shè)兩個(gè)相互通視圖根控制點(diǎn)，并和頂部目標(biāo)兩兩通視。在兩個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀用前方交會(huì)方法并同時(shí)觀測(cè)記錄目標(biāo)的天頂距。交會(huì)角度要控制在30?-150?之間，避免因交會(huì)角度過(guò)大或過(guò)小而導(dǎo)致所求目標(biāo)坐標(biāo)偏差過(guò)大。前方交會(huì)公式如下：假定所測(cè)控制點(diǎn)A（XA，YA，HA），B（XB，YB，HB），觀測(cè)的水平角分別為α、β，天頂距為JAP、JBP，儀器高為IA、IB則P點(diǎn)平面坐標(biāo)如下：XP=（XActgβ+XBctgα+（YB-YA）/（ctgα+ctgβ），YP=（YActgβ+YBctgα+（XA-XB）/（ctgα+ctgβ），因此可推算出平距DAP=SQRT（（XA-XP）^2+（XA-XP）^2），DBP=SQRT（（XB-XP）^2+（XB-XP）^2）。

根據(jù)三角高程通用計(jì)算公式：（R為地球平均曲率半徑?。?371000米），K為大氣遮光系數(shù)一般取0.14），當(dāng)邊長(zhǎng)小于300米時(shí)可以不考慮球氣差（（1-K）*D^2/（2R）。

HP1=HA+IA+DAP*ctgJAP+（1-K）*DAP^2/（2R），

HP2=HB+IB+DBP*ctgJBP+（1-K）*DBP^2/（2R）

所以P點(diǎn)頂部高程平均值即為HP=（HP1+HP2）/2，當(dāng)HP1、HP2誤差較大時(shí)應(yīng)重新觀測(cè)計(jì)算。

2.3超高點(diǎn)地面能夠到達(dá)，頂部不能到達(dá)，地面空天通視不好，地面與不能夠用RTK直接施測(cè)。由于RTK不能直接施測(cè)地面高程，需要在地面目標(biāo)附近布設(shè)兩個(gè)控制點(diǎn)，首先架設(shè)全站儀用極坐標(biāo)法測(cè)出地面點(diǎn)的三角高程。然后再用前方交會(huì)法測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)頂部坐標(biāo)和其三角高程，測(cè)量原理同B類目標(biāo)點(diǎn)前方交會(huì)法。當(dāng)頂部目標(biāo)的垂直投影在地面容易判斷和測(cè)量時(shí)，也可直接利用全站儀的懸高測(cè)量程序輕松實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的上下比高，進(jìn)而間接求出頂部高程。

3、數(shù)據(jù)處理和成果整理

根據(jù)機(jī)場(chǎng)保障部的要求還要提交以下數(shù)據(jù)，疑似超高點(diǎn)WGS84大地坐標(biāo)、場(chǎng)高及相對(duì)于跑道中心的距離、磁方位角等。由于部分目標(biāo)無(wú)法直接施測(cè)WGS84坐標(biāo)，但我們已經(jīng)用極坐標(biāo)法和前方交會(huì)法求出了高斯平面坐標(biāo)，然后可根據(jù)前期所求的七參數(shù)可反算出其WGS84大地坐標(biāo)，到此為止所有目標(biāo)點(diǎn)的地面、頂部高程及平面和WGS84大地坐標(biāo)均觀測(cè)計(jì)算完畢，就可以進(jìn)行目標(biāo)相對(duì)跑到中心點(diǎn)磁方位角計(jì)算。

磁方位角的計(jì)算公式：磁方位角A=坐標(biāo)方位角α+子午線收斂角γ-磁偏角δ±3600。當(dāng)A大于360度時(shí)應(yīng)減去360，當(dāng)A小于360時(shí)應(yīng)加上360度。

磁偏角是地球表面任一點(diǎn)的磁子午圈同地理子午圈的夾角，根據(jù)規(guī)定，磁針指北極N向東偏則磁偏角為正，向西偏則磁偏角為負(fù)。磁偏角是指磁針靜止時(shí)，所指的北方與真正北方的夾角。在我國(guó)除部分磁力異常的地方外大部分地區(qū)磁偏角西偏。由于地球磁極的微小變化磁偏角不是一成不變的，如果精度要求較高，則需要用磁偏角儀或者陀螺經(jīng)緯儀來(lái)測(cè)量，若精度要求不高的可以網(wǎng)上查詢各地磁偏角。

子午線收斂角是地球橢球體面上一點(diǎn)的真子午線與位于此點(diǎn)所在的投影帶的中央子午線之間的夾角。即在高斯平面上的真子午線與坐標(biāo)縱線的夾角，通常用γ表示。此角有正、負(fù)之分，以真子午線北方向?yàn)闇?zhǔn)，當(dāng)坐標(biāo)縱軸線北端位于以東時(shí)稱東偏，其角值為正；位于以西時(shí)稱西偏，其角值為負(fù)。某地面點(diǎn)此角的大小與此點(diǎn)相對(duì)于中央子午線的經(jīng)差△L和此點(diǎn)的緯度B有關(guān)，其角值可用近似計(jì)算公式γ=△L·sinB計(jì)算。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)高的定義是目標(biāo)點(diǎn)頂部高程相對(duì)于機(jī)場(chǎng)跑道中心高程的差值。即H場(chǎng)高=H頂-H中心

總結(jié)機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量具體就是以下流程：

收集測(cè)區(qū)資料確定測(cè)區(qū)范圍→制定項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)→布控（選點(diǎn) 埋石、觀測(cè)、計(jì)算）→求出平面坐標(biāo)和WGS84間的轉(zhuǎn)換七參數(shù)→疑似超高點(diǎn)測(cè)量（極坐標(biāo)法、懸高法、前方交會(huì)法）→求出所有超高點(diǎn)地面、頂部高程及平面坐標(biāo)→結(jié)合七參數(shù)反算出所有超高點(diǎn)頂部WGS84大地坐標(biāo)→計(jì)算所有疑似超高點(diǎn)磁方位角、場(chǎng)高及相對(duì)跑道距離→整理所有計(jì)算數(shù)據(jù)輸出成果。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合目機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量的實(shí)際情況，針對(duì)不同目標(biāo)三維坐標(biāo)的測(cè)量方法以及GPS-RTK作業(yè)需特別注意的事項(xiàng)作了詳細(xì)的描述和分析。對(duì)類似于需要三角高測(cè)量的項(xiàng)目，如日照測(cè)量、規(guī)劃監(jiān)督測(cè)量、工程測(cè)量等均有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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