何光勤，張淼，范崢

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢　618307）

基于ArcGIS的飛行程序扇區(qū)劃分實(shí)現(xiàn)研究

何光勤，張淼，范崢

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢618307）

0　引言

近年來，中國民航業(yè)的發(fā)展正極速增長，對空域使用和飛行效率的要求日益提高。能高效準(zhǔn)確地完成飛行程序設(shè)計(jì)是提升空域使用效率的關(guān)鍵。目前國內(nèi)的飛行程序設(shè)計(jì)主要依托于AutoCAD，雖然大大彌補(bǔ)了手繪的長周期、誤差大等不足，但仍不能滿足現(xiàn)今的需要［1］，如對于不同機(jī)場需要重復(fù)繪制相同內(nèi)容，三維可視效果差，不能自動進(jìn)行障礙物評估等。筆者結(jié)合國內(nèi)飛行程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS的二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)飛行程序的扇區(qū)劃分。

1　扇區(qū)定義及模型

扇區(qū)是空中交通管制業(yè)務(wù)中實(shí)施業(yè)務(wù)的最小單位。為保證飛行安全，提高飛行效率和空域利用率，一個優(yōu)秀的扇區(qū)劃分是非常重要的。根據(jù)空中交通流量的實(shí)際需求對空域扇區(qū)邊界重新優(yōu)化，對保障空中交通安全和減少航班延誤均有重要意義。

影響扇區(qū)劃分的重要因素有：本地空域結(jié)構(gòu)、管制員能力、流量分布情況、扇區(qū)內(nèi)機(jī)場、及跑道的結(jié)構(gòu)、空中交通服務(wù)方式、航路航線數(shù)量、飛行器類型及狀態(tài)、管制區(qū)相互移交條件。

一般的扇區(qū)模型，以磁北方向?yàn)槠鹗?，順時針90°旋轉(zhuǎn)，將終端區(qū)46千米范圍分為四等份，如圖1所示。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)劃分模型

根據(jù)具體的航線航路分布以及實(shí)際地形情況，對扇區(qū)進(jìn)行調(diào)整。如圖2所示，主要航線只有東北方向一條，南方與西方的地形起伏變化較大，北方和東方的地形高度基本一致，故將扇區(qū)調(diào)整重新劃分為兩個，即按照10°和170°劃分整個終端區(qū)。

特別地，以DME為中心的扇區(qū)的部分區(qū)域，可在扇區(qū)內(nèi)另外規(guī)定一個圓形邊界（DME?。?，作為扇區(qū)分扇區(qū)，在里面的區(qū)域使用較低的MSA。DME弧應(yīng)在19～28km之間，避免分扇區(qū)過于狹小，進(jìn)而避免整個扇區(qū)受最高障礙物影響而使用效率降低過多的情況發(fā)生［2］。如圖3所示。

圖2　考慮地形情況后的扇區(qū)劃分

圖3　扇區(qū)中包含分扇區(qū)情況

扇區(qū)劃分優(yōu)化時，是以標(biāo)準(zhǔn)象限劃分扇區(qū)為基礎(chǔ)，對四個扇區(qū)內(nèi)的地形情況進(jìn)行分析，根據(jù)查找到的地理信息，確定扇區(qū)高度和大小，針對目標(biāo)航線所在的扇區(qū)，要使其范圍盡量小并且高度適合，以保證該扇區(qū)內(nèi)的飛行器容量符合管制員的負(fù)荷水平。

完成劃分后，從ARP點(diǎn)開始，以5km為大小向外輻射掃描地形數(shù)據(jù)，確定不同扇區(qū)的最低安全高度值，確保扇區(qū)高度符合終端區(qū)使用。

2　ArcGIS中模型實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

飛行程序設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)規(guī)劃的對象包括：跑道、導(dǎo)航設(shè)施、障礙物、進(jìn)離場程序保護(hù)區(qū)、進(jìn)近評價面等［3］。在扇區(qū)劃分中使用的對象主要是：機(jī)場跑道和導(dǎo)航設(shè)施。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求情況對這些對象的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。這些設(shè)計(jì)對象是由點(diǎn)線等基本幾何元素組合而成的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊劃分為：地理信息模塊、扇區(qū)生成模塊、扇區(qū)優(yōu)化模塊和顯示模塊。最主要的模塊是扇區(qū)生成模塊和優(yōu)化模塊。

圖4　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地理信息模塊，是整個系統(tǒng)的支撐，利用數(shù)據(jù)庫存儲機(jī)場周邊的地理信息數(shù)據(jù)，提供查詢分析功能。所有程序設(shè)計(jì)對象的數(shù)據(jù)都在其中，能根據(jù)不同的需求單獨(dú)查詢分析。

扇區(qū)生成模塊，能根據(jù)地理信息模塊提供的機(jī)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成一個基本的扇區(qū)保護(hù)區(qū)模型。將生成后的扇區(qū)保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)反饋給地理信息模塊儲存，并通過顯示模塊呈現(xiàn)到用戶面前。

扇區(qū)優(yōu)化模塊，在基礎(chǔ)的扇區(qū)保護(hù)區(qū)模型基礎(chǔ)上，利用地理信息模塊分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，對扇區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，控制扇區(qū)的大小和高度。

顯示模塊，建立輸出通道，將機(jī)場的基本情況和生成的扇區(qū)保護(hù)區(qū)進(jìn)行顯示，最后還能設(shè)置比例打印輸出。

圖5　系統(tǒng)功能模塊及相互關(guān)系

2.3實(shí)現(xiàn)方法和思路

（1）建立地理信息數(shù)據(jù)庫，存儲機(jī)場終端區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)。根據(jù)機(jī)場附近的地圖和地理信息，采集需要的地理數(shù)據(jù)，提取出設(shè)計(jì)對象的信息，存儲各自的高程信息，以便以后使用提取。

（2）利用ArcEngine和C#編程各個模塊功能，完善數(shù)學(xué)模型，呈現(xiàn)最終結(jié)果。根據(jù)ArcGIS提供的接口和函數(shù)調(diào)用基本功能，計(jì)算并繪制扇區(qū)保護(hù)區(qū)。

例如，首先，根據(jù)地理信息數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，確定扇區(qū)劃分的邊界改變情況，即每個扇區(qū)的大小和邊界的方向。然后調(diào)用ArcGIS提供的ICircularArc接口，通過輸入起點(diǎn)、終點(diǎn)和半徑或起始角度、弧線角度和圓心等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)圓弧的繪制，如圖6所示。

圖6　Circular Arc的基本參數(shù)屬性模型

ArcGIS的角度是從正東方向開始逆時針方向計(jì)算，而飛行程序設(shè)計(jì)是從正北或磁北開始順時針計(jì)算，故需要有一個轉(zhuǎn)換的過程。使用接口提供的PutCoordsByAngle函數(shù)，輸入圓心、起始角度、旋轉(zhuǎn)角度和半徑就能畫出扇區(qū)所需要的弧線或者整個扇區(qū)邊界。繪制好這條弧線，獲取所需要弧線的其他屬性：起點(diǎn)、終點(diǎn)、是否是閉合曲線等。有利于我們進(jìn)一步完善扇區(qū)保護(hù)區(qū)的繪制。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）確定機(jī)場定位點(diǎn)（ARP），從地理信息數(shù)據(jù)庫中查找機(jī)場對象信息，獲取機(jī)場定位點(diǎn)的位置信息，并顯示到交互界面上。

（2）根據(jù)機(jī)場定位點(diǎn)位置，繪制基礎(chǔ)的扇區(qū)保護(hù)區(qū)模型：46千米半徑的圓形區(qū)域，再加上9千米的保護(hù)區(qū)，然后劃分為四等分區(qū)域，每個區(qū)域都包含9千米的外邊界區(qū)域。

（3）查詢機(jī)場周邊地理信息數(shù)據(jù)，分析地理情況，對扇區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，并且將扇區(qū)進(jìn)行微分，獲取每個微元的高程信息，結(jié)合優(yōu)化扇區(qū)的大小情況確定不同扇區(qū)的最低安全高度值。如圖7所示。

圖7　計(jì)算過程

（4）將最終結(jié)果顯示到界面上，并保存中間計(jì)算過程和最后計(jì)算的結(jié)論數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　根據(jù)高程數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化扇區(qū)模型

3　結(jié)語

利用GIS技術(shù)進(jìn)行的儀表飛行程序設(shè)計(jì)是近年來新提出的思路，它基于儀表飛行程序設(shè)計(jì)的基本思想，加入地理信息系統(tǒng)的內(nèi)容，即結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行飛行程序設(shè)計(jì)，能較為直觀地完成飛行程序設(shè)計(jì)。

從機(jī)場終端的地理信息數(shù)據(jù)出發(fā)，對終端區(qū)扇區(qū)劃分進(jìn)行研究，同時，運(yùn)用ArcGIS系統(tǒng)二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)飛行程序設(shè)計(jì)中扇區(qū)劃分的自動生成。解決了扇區(qū)劃分人為因素過多，劃分不合理等問題，使設(shè)計(jì)人員的工作量和工作強(qiáng)度顯著降低，從而提高了后續(xù)工作的效率。

［1］項(xiàng)恒，趙嶷飛.儀表飛行程序輔助設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國民航學(xué)院學(xué)報，2004，22（5）：18

［2］朱代武，何光勤.目視和儀表飛行程序設(shè)計(jì)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2004

［3］國際民用航空公約.附件14機(jī)場［Z］，2009

Flight Procedure Design；Second Development of the ArcGIS；Sector Partition

Research on the Realization of Flight Procedures Sector Partition Based on ArcGIS

HE Guang-qin，ZHANG Miao，F(xiàn)AN Zheng
（Civil Aviation Flight University of China，Guanghan，Guanghan 618307）

1007-1423（2015）09-0060-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.09.015

何光勤（1961-），男，四川成都人，副教授，研究方向?yàn)轱w行程序設(shè)計(jì)

張淼（1989-），男，四川成都人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)轱w行程序設(shè)計(jì)

范崢（1990-），男，江蘇常州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)轱w行程序設(shè)計(jì)

2015-01-15

2015-02-10

結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)飛行程序設(shè)計(jì)扇區(qū)自動劃分功能。通過對終端區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)分析，根據(jù)飛行程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定扇區(qū)劃分的最低安全高度，修訂扇區(qū)的劃分大小。結(jié)果表明，引入地理信息數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)繪制飛行程序設(shè)計(jì)的精度和效率有明顯提高。

飛行程序設(shè)計(jì)；ArcGIS二次開發(fā)；扇區(qū)劃分

中國民用航空飛行學(xué)院研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（No.X2013-36）

Combined with geographic information data，uses second development and application of the ArcGIS to realize the automatic division of flight procedure design sector function.By means of geographic information data about the terminal area analysis，according to the flight procedure design standard，determines the minimum safety altitude and revises partition sector's size.The results show that using geographic information data in the computer can improve the accuracy and efficiency of the flight procedure design.