(中國民航飛行學(xué)院綿陽分院空管站　四川　綿陽　621000)

引言

隨著航空事業(yè)的高速發(fā)展，安全問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點，其中超高障礙物是直接威脅飛行安全的因素之一。過去，機場設(shè)計和管理人員常常采用手工作圖法進行分析計算以確定機場周圍任意平面位置的障礙物許可高度。傳統(tǒng)的凈空繪制方法速度慢、精度低、難以更新，不能直觀準(zhǔn)確地從凈空圖上得到想要的數(shù)據(jù)。目前，三維建模技術(shù)已逐漸完善，可以采用建模方式創(chuàng)建出虛擬的機場障礙物限制面模型，將障礙物放到模型當(dāng)中，那么，障礙物是否超高，就能直接觀察出來了。

一、背景

機場是航空事業(yè)中的一個重要組成部分，是飛機起降、停駐、維護的場所。機場的演變過程反映著民航事業(yè)的發(fā)展過程。場道使用面積和各種飛行保障設(shè)施決定使用飛機的大小、運載重量和飛行速度，凈空標(biāo)準(zhǔn)和場道范圍直接影響飛行安全。[1]

機場凈空區(qū)是為了保障飛機的正常安全運行而劃定的一個限制地面物體高度的空間區(qū)域。機場的凈空條件會直接影響到機場的飛行等級，所以在機場的選址、設(shè)計、規(guī)劃和后續(xù)的日常維護工作中，需要對機場進行凈空評估，檢查該地區(qū)的障礙物是否滿足機場的凈空要求，以確保機場的安全系數(shù)。如果有物體超高，飛機的起飛和降落就不能得到安全保障，機場就不能正常運行，嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致機場的關(guān)閉或遷址，造成龐大的經(jīng)濟損失。像不久前成都和綿陽機場凈空區(qū)遭到無人機的入侵，導(dǎo)致航班備降、返航，給旅客造成不便，給機場和航空公司帶來損失。如果飛行員、管制員沒有及時發(fā)現(xiàn)無人機的存在，后果是不敢想象的。

二、機場凈空

機場凈空區(qū)又叫機場凈空保護區(qū)。根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(MH5001-2013)的要求，機場凈空區(qū)由端凈空區(qū)和側(cè)凈空區(qū)組成。端凈空區(qū)是保證飛機起飛爬升和著陸下滑安全限制物體高度的空間區(qū)域；側(cè)凈空區(qū)是從升降帶和端凈空區(qū)限制面邊線開始，至機場凈空區(qū)邊線所構(gòu)成的限制物體高度的區(qū)域，由過渡面、內(nèi)水平面、錐形面和外水平面組成。[2]如圖1:

圖1　機場凈空組成平面示意圖

障礙物限制面是用于評價和保護機場凈空而設(shè)置的限制地面物體高度的各種規(guī)定的面。限制面的范圍也就是凈空區(qū)。

障礙物限制面由于是在國際民航組織《附件14·機場》中規(guī)定的，所以又叫附件十四面，包括內(nèi)水平面、錐形面、進近面、過渡面、內(nèi)進近面、內(nèi)過渡面、復(fù)飛面、起飛爬升面。[3]

三、凈空三維模擬

本文采用ArcGIS 10.0軟件構(gòu)建三維模型。

1.直角坐標(biāo)系

在飛行程序設(shè)計過程中，為了說明障礙物與跑道之間的位置關(guān)系，主要采用直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系。對于基本ILS面障礙物評價，是在直角坐標(biāo)系中構(gòu)建各個障礙物限制面。

直角坐標(biāo)系是以跑道入口的中點為原點；x軸與跑道中心線延長線重合，跑道入口前為正值，入口后為負值；y軸過原點與x軸垂直，在進近航跡的右側(cè)為正值，進近航跡的左側(cè)為負值；z軸為過原點垂直于xy面的豎軸，以入口標(biāo)高為0，高于入口平面為正值。

2.綿陽機場凈空區(qū)構(gòu)成

跑道：長2400米，寬45米。

升降帶：自跑道端向外延伸60米，從跑道中線及其延遲線每側(cè)橫向延伸150米。

內(nèi)水平面：以跑道兩端入口中點的平均標(biāo)高為基準(zhǔn)標(biāo)高，以跑道兩端入口中點為圓心，4000米為半徑畫圓弧，然后用和跑道中線相平行的兩條直線與這些圓弧相切形成的一個近似橢圓形，高于基準(zhǔn)面45米。

錐形面：從內(nèi)水平面的周邊開始以1/20的梯度向上和向外傾斜，高度從內(nèi)水平面的高度起算，直到100米。

進近面：起端從升降帶的末端開始，內(nèi)邊長度為300米，距跑道入口距離60米，散開率15%。第一段長度3000米，坡度2%。第二段長度3600米，坡度2.5%。水平段長度8400米，總長度15000米。

過渡面：從升降帶兩側(cè)邊緣和進近面部分邊緣開始，按14.3%的梯度向上向外傾斜，直到與內(nèi)水平面相交的復(fù)合面。

內(nèi)進近面：起端與進近面的起端重合，寬度120米，按2%的梯度、900米的長度向上向外延伸至內(nèi)進近面的終端。

復(fù)飛面：距離跑道入口后面1800米，按120米的起端寬度和10%的散開率向兩側(cè)散開，并以3.3%的梯度向前向上延伸，直至與內(nèi)水平面相交。

起飛爬升面：起端位于跑道端外規(guī)定距離處或凈空道末端，垂直于跑道中線的一條水平線。起端寬度為180米，距跑道端距離60米，散開率12.5%，最后寬度1200米，總長度15000米，坡度2%。

3.三維模型構(gòu)建步驟

根據(jù)凈空區(qū)障礙物限制面的各項標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出相鄰兩個面交點的坐標(biāo)，如表1。

表1　障礙物限制面交點坐標(biāo)

由這些交點的坐標(biāo)，可以在ArcGIS平臺上構(gòu)建凈空區(qū)障礙物限制面的三維模型。步驟如下：

(1)新建文件夾，命名為“凈空區(qū)障礙物限制面”，并連接到ArcMAP。

(2)依次新建“凈空區(qū)障礙物限制面”文件地理數(shù)據(jù)庫、“凈空區(qū)障礙物限制面”數(shù)據(jù)集。

(3)創(chuàng)建要素類。在凈空區(qū)障礙物限制面將涉及到點、線和面三種要素類型。其中，跑道是用于確定直角坐標(biāo)系的位置，因此在這里將其視為線要素。

新建“跑道”要素類，點擊視圖中的數(shù)據(jù)框?qū)傩?，在常?guī)中的顯示欄中選擇度分秒，點擊確定。這樣可以在右下角看到地理坐標(biāo)，如圖2。

圖2地理位置

右鍵“跑道”圖層，點擊開始編輯。綿陽南郊機場地理位置為北緯32度12分，東經(jīng)101度12分，則在“跑道”圖層上找到這個大概的位置作為跑道中心，畫出長2400米寬為45米的跑道。保存編輯內(nèi)容，停止編輯。

新建“坐標(biāo)”要素類，開始編輯。在跑道左側(cè)建立直角坐標(biāo)系。保存編輯內(nèi)容，停止編輯。

新建“線”要素類，開始編輯。根據(jù)表1畫出各個障礙物限制面。綿陽南郊機場等級為4D，設(shè)有Ⅰ類精密近進儀表著陸系統(tǒng)，則設(shè)置以下障礙物限制面：錐形面、內(nèi)水平面、進近面、過渡面、內(nèi)進近面、復(fù)飛面、起飛爬升面。給每一條線段的點要素添加高程值即Z軸值。保存編輯內(nèi)容，停止編輯。結(jié)果如圖3。

(4)要素轉(zhuǎn)面

點擊ArcToolbox窗口，在數(shù)據(jù)管理工具中選擇要素，在要素欄里雙擊要素轉(zhuǎn)面。

(5)生成障礙物限制面。打開Arcscene，可以在Arcscene中打開限制面要素，得到如下圖4的障礙物評價的三維限制面。

圖3　障礙物限制面在x-y面上的投影

圖4　障礙物限制面三維圖

四、案例分析

綿陽南郊機場周邊存在許多障礙物。本文選擇表2中兩個障礙物作為實例。

表2　綿陽南郊機場障礙物

在ArcMAP里“凈空區(qū)障礙物限制面”數(shù)據(jù)集中新建“障礙物”要素類，開始編輯。通過坐標(biāo)系找到障礙物位置點，并輸入高程值。在ArcScene中加載“凈空區(qū)障礙物限制面”數(shù)據(jù)集，可以得到標(biāo)出了兩個障礙物的三維圖。如圖5。

圖5　障礙物三維圖

調(diào)整視角就能夠直觀地看出障礙物是否超高。如圖6，障礙物新益大廈穿透內(nèi)水平面，所以表示障礙物的點出現(xiàn)在面的上方。

圖6　新益大廈穿透內(nèi)水平面

如圖7，障礙物天線未穿透進近面，所以從上方觀察是看不到表示障礙物天線的那個點，它存在于進近面下方。

圖7　天線未穿透進近面

五、結(jié)論

本文基于附件十四面理論和國內(nèi)的研究成果，初步地研究機場凈空區(qū)限制面在機場保護中的作用。重點建立凈空數(shù)學(xué)模型，通過ArcGIS構(gòu)建凈空障礙物限制面三維模型，實現(xiàn)綿陽南郊機場凈空區(qū)障礙物評價，能夠直觀、快速且準(zhǔn)確地對障礙物進行評價，能為提高精密進近飛行程序設(shè)計的效率提供一些幫助。

【參考文獻】

[1]地球博覽.老、舊、棄 中國機場歷史故事[EB/OL].2016.

[2]蔡良才,邵斌,鄭汝海,等.機場凈空區(qū)范圍確定方法[J].交通運輸工程學(xué)報,2004,4(4):40-43.

[3]國際民航公約附件十四[S].