基于GIS的機(jī)場(chǎng)航線規(guī)劃與管理研究

閆 鶴，張旭帆

（1．西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710043； 2.重慶新田野土地測(cè)繪服務(wù)有限公司，重慶 400020）

飛行航線是在統(tǒng)一時(shí)空框架下由一系列不同時(shí)間的地理位置點(diǎn)構(gòu)成的，為能夠?qū)︼w行航線進(jìn)行統(tǒng)一的可視化表達(dá)和分析，GIS系統(tǒng)能夠提供有力支持。本文利用GIS系統(tǒng)的時(shí)空框架和高效的可視化、分析工具，研究如何將以機(jī)場(chǎng)局部坐標(biāo)系下飛行航線利用GIS進(jìn)行統(tǒng)一可視化和管理，為機(jī)場(chǎng)建設(shè)前期籌劃、飛行實(shí)時(shí)監(jiān)控等提供有力支持。

1 機(jī)場(chǎng)局部坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型

在機(jī)場(chǎng)（跑道）固定的情況下，常規(guī)航線的計(jì)量和起算是相對(duì)跑道兩端的開車點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記的，即以跑道兩端的開車點(diǎn)為原點(diǎn)，以跑道軸線為零度線，逆時(shí)針為正向、順時(shí)針為反向，這一計(jì)量方式是行業(yè)規(guī)范，并鋪開使用，但為了能夠?qū)⒉煌瑱C(jī)場(chǎng)的航線進(jìn)行統(tǒng)一化的管理和可視化，需要在航線的局部坐標(biāo)系和GIS世界坐標(biāo)系之間建立轉(zhuǎn)化模型。通過機(jī)場(chǎng)規(guī)劃和勘查資料等能夠得到機(jī)場(chǎng)跑道原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度和高程同時(shí)能夠得到跑道在世界坐標(biāo)系下的方位角。

1.1 投影坐標(biāo)系選擇

地圖投影是利用一定數(shù)學(xué)法則把地球表面的經(jīng)、緯線轉(zhuǎn)換到平面上的理論和方法[4]。由于地球是一個(gè)赤道略寬、兩極略扁的不規(guī)則球體，故其表面是不可展平的曲面，運(yùn)用任何數(shù)學(xué)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生誤差和變形，為按照不同的需求縮小誤差，就產(chǎn)生了各種投影方法。

地圖投影按變形方式可以分為等角、等積、任意投影3種方式，針對(duì)航線的特殊要求，應(yīng)盡力保證方向和角度的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控、導(dǎo)航和規(guī)劃時(shí)的精度要求和與實(shí)地的一致性。因此綜合考慮各種投影的變形特征，在本系統(tǒng)應(yīng)用中采用墨卡托投影坐標(biāo)系。

1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)化模型

利用GIS帶有的投影變換功能能夠求得跑道原點(diǎn)在墨卡托投影下的坐標(biāo)，將問題轉(zhuǎn)化為已知局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，建立兩個(gè)坐標(biāo)下任意一點(diǎn)的轉(zhuǎn)換模型。采用通用數(shù)學(xué)模型如下：

設(shè)O(X,Y)，O′(X′,Y′)是 2 個(gè)坐標(biāo)系；O′在O(X,Y)中的坐標(biāo)為(x0,y0)，由x軸到x′軸的角度為t；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式是：

2 航線統(tǒng)一化模型

2.1 標(biāo)準(zhǔn)航線的分解與組合

分析飛行航線的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，任何一條航線都可以分解成為許多航線片段（簡(jiǎn)稱航段）的組合。每一片段的速度、功率、飛機(jī)仰角等飛行狀態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定，只要確定了每一片段的軌跡，整個(gè)航線就確定了。對(duì)這些組成片段加以分析發(fā)現(xiàn)，其主要有兩大類，一類是直線（包括起飛滑跑、著陸滑跑、直線爬升、直線下滑以及直線平飛等）；另一類是曲線（包括左轉(zhuǎn)彎爬升、右轉(zhuǎn)彎爬升、左轉(zhuǎn)彎平飛、右轉(zhuǎn)彎平飛、左轉(zhuǎn)彎下滑、右轉(zhuǎn)彎下滑等）[5]。這兩類基本航段就是飛行航線組成的基本要素，其不同的排列組合共同構(gòu)成了不同的飛行航線。每一要素的幾何特征具有相似性，其數(shù)學(xué)模型基本相同，不同的只是相關(guān)參數(shù)而已。因此只要建立直線和曲線航段這兩個(gè)基本要素的通用模型，就可以任意增加刪減航段，變換相關(guān)參數(shù)，組合而成任何所需要的飛行航線[6]。如圖1所示，在飛行訓(xùn)練中經(jīng)常采用的大環(huán)線航線起飛爬升階段，可以進(jìn)行再次細(xì)分為如圖2所示的4個(gè)航線片段，分別是直線爬升和弧線轉(zhuǎn)彎爬升等4個(gè)通用片段。

圖1 大環(huán)線飛行航線投影圖

圖2 飛行航線分解投影圖

2.2 直線航段通用模型

該航線片段示意圖如圖3、4所示。

圖3 直線航段三維視圖

圖4 直線航段平面投影圖

完整描述該航段模型并計(jì)算飛機(jī)沿該航線片段飛行時(shí)所需要的參數(shù)有航段序號(hào)i、飛行航跡俯仰角zB（爬升角為正，下滑角為負(fù)，平飛為零）、末端高度zBi、x軸到航線的水平轉(zhuǎn)角αi（0 ≤αi≤ 2π）、末端速度vBi、末端功率θi＝0，如果是平飛即θi＝0時(shí)，還需要知道水平飛行距離Si。

由航線的連續(xù)性和傳遞性可知，第i個(gè)航段的起點(diǎn)坐標(biāo)是第i＝1個(gè)航段的終點(diǎn)坐標(biāo)；第i個(gè)航段的終點(diǎn)坐標(biāo)可由相關(guān)參數(shù)求得，公式如下。

起點(diǎn)坐標(biāo)：

終點(diǎn)坐標(biāo)：

x軸到航段的水平轉(zhuǎn)角αi（0 ≤αi≤ 2π）可根據(jù)機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系x軸的方位角（即主跑道的方位角αrw0）和飛行航跡的方位角εi計(jì)算如下：

2.3 曲線航段通用模型

該航段示意圖如圖5、6所示。

圖5 曲線航段三維視圖

圖6 曲線航段平面投影圖

與直線航段相似，完整描述該航段模型并計(jì)算飛機(jī)沿該航線片段飛行時(shí)的噪聲所需要的參數(shù)有航段序號(hào)i、飛行航跡俯仰角zB（爬升角為正，下滑角為負(fù)，平飛為零）、末端高度zBi、航線的水平轉(zhuǎn)角αi（－2π≤αi≤2π，順時(shí)針為負(fù)、逆時(shí)針為正），轉(zhuǎn)彎半徑ri、端速度vBi、末端功率PBi以及轉(zhuǎn)彎中心的平面坐標(biāo)Bi∶(xBi,yBi,zBi)等。航段起點(diǎn)坐標(biāo)為前一航段終點(diǎn)坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)為Bi∶(xBi,yBi,zBi)，按如下計(jì)算確定。

水平面內(nèi)二維向量：

得：

3 航線可視化方法

在利用通用航線模型求得航線段每一點(diǎn)在局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)后，通過航線屬性知道每個(gè)直線段的方位角和弧線段角度，通過第二節(jié)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將航線段參數(shù)轉(zhuǎn)化至墨卡托投影坐標(biāo)系下得到其世界坐標(biāo)，通過這些參數(shù)能夠在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行可視化表達(dá)。對(duì)于直線段的可視化表達(dá)比較簡(jiǎn)單，一般的GIS系統(tǒng)都提供相應(yīng)的工具?；【€段的可視化，各種GIS平臺(tái)提供的接口不盡相同，本文以ArcEngine開發(fā)平臺(tái)提供的弧線繪制工具為例。

ArcEngine提供了豐富的根據(jù)不同的參數(shù)繪制弧段的方法。圖7所示為CircularArc組件類圖形示意，利用IConstructCircularArc方法能夠根據(jù)弧段不同的參數(shù)進(jìn)行多樣組合計(jì)算和可視化弧[7]。根據(jù)前面已解算的參數(shù)，依據(jù)起始點(diǎn)、弧度和半徑在圖上繪制弧線航線段。

圖7 ArcEngine CircularArc方法

設(shè)計(jì)對(duì)大環(huán)線、交叉航線兩種比較復(fù)雜的航線進(jìn)行可視化表達(dá)。按照通用航線模型進(jìn)行分解，制作分解模板，同時(shí)將航線模板代入機(jī)場(chǎng)和不同飛機(jī)性能參數(shù)，建立實(shí)際航線，并求解各航線點(diǎn)位置，轉(zhuǎn)換至投影坐標(biāo)系，然后利用GIS平臺(tái)進(jìn)行圖上可視化的技術(shù)路線。

在具體實(shí)現(xiàn)上，本文以ArcEngine C#二次開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)編程實(shí)現(xiàn)，以機(jī)場(chǎng)為單位建立工程，加入飛機(jī)、航線和機(jī)場(chǎng)參數(shù)，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)能夠?qū)崟r(shí)查詢?cè)摵骄€的飛機(jī)參數(shù)性能等，并利用ArcEngine豐富的符號(hào)體系，對(duì)航線進(jìn)行顏色和線型的設(shè)置并同時(shí)疊加機(jī)場(chǎng)影像進(jìn)行顯示，進(jìn)一步提高可用性。如圖8、9所示。

圖8 某機(jī)場(chǎng)180度航線

圖9 某機(jī)場(chǎng)左右轉(zhuǎn)彎大環(huán)線航線

4 結(jié) 語

本文通過初步研究，對(duì)基于GIS的航線可視化有了一些成果，但對(duì)通過GIS深入挖掘和應(yīng)用航線信息還需要深入討論，同時(shí)應(yīng)結(jié)合三維GIS進(jìn)一步豐富可視化手段。