(中國(guó)民航飛行學(xué)院綿陽(yáng)分院空管站　四川　綿陽(yáng)　621000)

引言

隨著航空事業(yè)的高速發(fā)展，安全問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其中超高障礙物是直接威脅飛行安全的因素之一。過(guò)去，機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)和管理人員常常采用手工作圖法進(jìn)行分析計(jì)算以確定機(jī)場(chǎng)周?chē)我馄矫嫖恢玫恼系K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?qǐng)D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(jī)場(chǎng)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(lái)了。

一、背景

機(jī)場(chǎng)是航空事業(yè)中的一個(gè)重要組成部分，是飛機(jī)起降、停駐、維護(hù)的場(chǎng)所。機(jī)場(chǎng)的演變過(guò)程反映著民航事業(yè)的發(fā)展過(guò)程。場(chǎng)道使用面積和各種飛行保障設(shè)施決定使用飛機(jī)的大小、運(yùn)載重量和飛行速度，凈空標(biāo)準(zhǔn)和場(chǎng)道范圍直接影響飛行安全。[1]

機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)是為了保障飛機(jī)的正常安全運(yùn)行而劃定的一個(gè)限制地面物體高度的空間區(qū)域。機(jī)場(chǎng)的凈空條件會(huì)直接影響到機(jī)場(chǎng)的飛行等級(jí)，所以在機(jī)場(chǎng)的選址、設(shè)計(jì)、規(guī)劃和后續(xù)的日常維護(hù)工作中，需要對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行凈空評(píng)估，檢查該地區(qū)的障礙物是否滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)的凈空要求，以確保機(jī)場(chǎng)的安全系數(shù)。如果有物體超高，飛機(jī)的起飛和降落就不能得到安全保障，機(jī)場(chǎng)就不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)的關(guān)閉或遷址，造成龐大的經(jīng)濟(jì)損失。像不久前成都和綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)遭到無(wú)人機(jī)的入侵，導(dǎo)致航班備降、返航，給旅客造成不便，給機(jī)場(chǎng)和航空公司帶來(lái)?yè)p失。如果飛行員、管制員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的存在，后果是不敢想象的。

二、機(jī)場(chǎng)凈空

機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)又叫機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)。根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(MH5001-2013)的要求，機(jī)場(chǎng)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(jī)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(xiàn)開(kāi)始，至機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)邊線(xiàn)所構(gòu)成的限制物體高度的區(qū)域，由過(guò)渡面、內(nèi)水平面、錐形面和外水平面組成。[2]如圖1:

圖1　機(jī)場(chǎng)凈空組成平面示意圖

障礙物限制面是用于評(píng)價(jià)和保護(hù)機(jī)場(chǎng)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(guó)際民航組織《附件14·機(jī)場(chǎng)》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(jìn)近面、過(guò)渡面、內(nèi)進(jìn)近面、內(nèi)過(guò)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(jì)過(guò)程中，為了說(shuō)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(duì)于基本ILS面障礙物評(píng)價(jià)，是在直角坐標(biāo)系中構(gòu)建各個(gè)障礙物限制面。

直角坐標(biāo)系是以跑道入口的中點(diǎn)為原點(diǎn)；x軸與跑道中心線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)重合，跑道入口前為正值，入口后為負(fù)值；y軸過(guò)原點(diǎn)與x軸垂直，在進(jìn)近航跡的右側(cè)為正值，進(jìn)近航跡的左側(cè)為負(fù)值；z軸為過(guò)原點(diǎn)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(yáng)機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)構(gòu)成

跑道：長(zhǎng)2400米，寬45米。

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

內(nèi)水平面：以跑道兩端入口中點(diǎn)的平均標(biāo)高為基準(zhǔn)標(biāo)高，以跑道兩端入口中點(diǎn)為圓心，4000米為半徑畫(huà)圓弧，然后用和跑道中線(xiàn)相平行的兩條直線(xiàn)與這些圓弧相切形成的一個(gè)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(kāi)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(jìn)近面：起端從升降帶的末端開(kāi)始，內(nèi)邊長(zhǎng)度為300米，距跑道入口距離60米，散開(kāi)率15%。第一段長(zhǎng)度3000米，坡度2%。第二段長(zhǎng)度3600米，坡度2.5%。水平段長(zhǎng)度8400米，總長(zhǎng)度15000米。

過(guò)渡面：從升降帶兩側(cè)邊緣和進(jìn)近面部分邊緣開(kāi)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(jìn)近面：起端與進(jìn)近面的起端重合，寬度120米，按2%的梯度、900米的長(zhǎng)度向上向外延伸至內(nèi)進(jìn)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(kāi)率向兩側(cè)散開(kāi)，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(xiàn)的一條水平線(xiàn)。起端寬度為180米，距跑道端距離60米，散開(kāi)率12.5%，最后寬度1200米，總長(zhǎng)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出相鄰兩個(gè)面交點(diǎn)的坐標(biāo)，如表1。

表1　障礙物限制面交點(diǎn)坐標(biāo)

由這些交點(diǎn)的坐標(biāo)，可以在ArcGIS平臺(tái)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(kù)、“凈空區(qū)障礙物限制面”數(shù)據(jù)集。

(3)創(chuàng)建要素類(lèi)。在凈空區(qū)障礙物限制面將涉及到點(diǎn)、線(xiàn)和面三種要素類(lèi)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(xiàn)要素。

新建“跑道”要素類(lèi)，點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)擊開(kāi)始編輯。綿陽(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)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(gè)大概的位置作為跑道中心，畫(huà)出長(zhǎng)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(lèi)，開(kāi)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(xiàn)”要素類(lèi)，開(kāi)始編輯。根據(jù)表1畫(huà)出各個(gè)障礙物限制面。綿陽(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)等級(jí)為4D，設(shè)有Ⅰ類(lèi)精密近進(jìn)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(jìn)近面、過(guò)渡面、內(nèi)進(jìn)近面、復(fù)飛面、起飛爬升面。給每一條線(xiàn)段的點(diǎn)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(diǎn)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(kāi)Arcscene，可以在Arcscene中打開(kāi)限制面要素，得到如下圖4的障礙物評(píng)價(jià)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(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)周邊存在許多障礙物。本文選擇表2中兩個(gè)障礙物作為實(shí)例。

表2　綿陽(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)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(lèi)，開(kāi)始編輯。通過(guò)坐標(biāo)系找到障礙物位置點(diǎn)，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(gè)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(diǎn)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(xiàn)未穿透進(jìn)近面，所以從上方觀察是看不到表示障礙物天線(xiàn)的那個(gè)點(diǎn)，它存在于進(jìn)近面下方。

圖7　天線(xiàn)未穿透進(jìn)近面

五、結(jié)論

本文基于附件十四面理論和國(guó)內(nèi)的研究成果，初步地研究機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)限制面在機(jī)場(chǎng)保護(hù)中的作用。重點(diǎn)建立凈空數(shù)學(xué)模型，通過(guò)ArcGIS構(gòu)建凈空障礙物限制面三維模型，實(shí)現(xiàn)綿陽(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)障礙物評(píng)價(jià)，能夠直觀、快速且準(zhǔn)確地對(duì)障礙物進(jìn)行評(píng)價(jià)，能為提高精密進(jìn)近飛行程序設(shè)計(jì)的效率提供一些幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]地球博覽.老、舊、棄 中國(guó)機(jī)場(chǎng)歷史故事[EB/OL].2016.

[2]蔡良才,邵斌,鄭汝海,等.機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)范圍確定方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2004,4(4):40-43.

[3]國(guó)際民航公約附件十四[S].