飞行理论图解 · 空中领航

大圆航线与地图投影图解

大圆 · 等角 · 兰伯特投影

地球上两点之间,最短的路不是直线
大圆航线最短但要不断转向,等角航线好飞但要绕一点

经度差小于 30° 差别小 · 等角正割圆锥投影

球面上的航线有两种选法:大圆航线距离最短但航向一直在变;等角航线航向不变但距离稍长。把球面画到纸上叫地图投影,难免失真;民航航图用兰伯特投影把失真压到最小。本页把地球、两条航线与投影一次讲清。

01 地球与经纬网

纬线 · 经线 · 赤道 · 真经线

地轴 北极 N 南极 S 赤道(大圆圈) 纬线 经线(子午线) 经线:过地轴的平面与地面相割成的圆,都交于极点 纬线:垂直地轴的平面与地面相割成的圆,互相平行 赤道:过球心、垂直地轴的大圆圈 点的位置 = 纬线与经线两条线相交确定 坐标系属大地坐标系 · ICAO 标准 WGS-84 经度与纬度怎么量 经度 起始经线 某地经线 经度:过一点的经线平面与起始经线平面的夹角 纬度 赤道面 某地纬线 纬度:过一点的纬线平面与赤道平面之间的夹角 真经线 · 磁经线 · 磁差 真经线(地理北) 磁经线(磁北 · 偏东) 磁差 以真经线为基准:磁经线北端偏东 → 正磁差;偏西 → 负磁差
坐标系
点的位置用纬线和经线两条线相交确定;属大地坐标系,ICAO 采用 WGS-84
纬线
垂直地轴的平面与地面相割成的圆,所有纬线互相平行
经线
通过地轴的平面与地面相割成的圆,所有经线都交于极点
赤道
通过球心、垂直于地轴的大圆圈
真经线
指向地理南北的方向线
磁经线
稳定自由磁针所指的南北方向线
磁差
磁经线北端偏离真经线北端的角度;以真经线为基准,偏东为正、偏西为负
磁差年变率
地磁场世纪变化的年平均值,对空中导航精度影响较大

注 · 「大圆圈」是 02 的伏笔:赤道就是过球心的大圆圈;所有纬线里只有赤道是大圆圈,其余纬线都是小圆圈

02 大圆航线:过地心的平面切一刀

大圆圈 · 较短弧 · 不断转向

小圆圈(平面不过地心) 过地心的平面(切面) 地心 A B 较短弧 = 大圆航线 假想平面切地球 → 无数圆;过地心切出大圆圈 过两点仅能作一条大圆圈线 取大圆圈上较短弧作航线 = 大圆航线 各点与真经线夹角不等 · 距离最短 大圆弧与子午线交角不等 → 须不断改航向
大圆圈
通过地心的平面切出的圆圈;过两点仅能作一条大圆圈线
大圆航线
以该大圆圈线上较短的弧作为航线的叫大圆航线
特点一
大圆航线上各点与真经线的夹角不相等,航线距离最短
特点二
大圆弧与所有子午线相交角度不等,严格沿大圆弧航行必须不断改变航向

注 · 把地球想成橙子:过地心竖着切一刀,切口圆周长最大;斜着不经过地心切,切口就是小圆圈。两点之间的最短弧总是「贴着球面、圆心在地心」的那条。

03 等角航线:航线角不变的螺旋线

等角线 · 距离稍长 · 便于领航

α α 各点航线角相等 等角航线(斜航线) 以过两点间的等角线作航线的叫等角航线 其上各点航线角相等 → 沿同一航向就能飞 距离一般都比大圆航线长 近距离飞行通常采用等角航线 远程:全程大圆 + 分几阶段按等角航线飞 这样既便于领航实施,也经济效益好
定义
以通过地球表面两点间的等角线作为航线的叫等角航线;其上各点航线角相等
距离
距离一般都比大圆航线长
近距离
通常采用等角航线
远程
最常用:全程大圆航线,再按实际情况分成几个阶段,每阶段按等角航线飞行
好处
既便于领航实施,也经济效益好

注 · 等角航线又叫「斜航线」:它和每条经线相交的角度都一样,所以沿一个固定航向就能飞;代价是在球面上它是一条螺旋线,越往极地绕得越厉害、路程越长。

04 大圆与等角对比

30° 差别小 · 墨卡托图上更直观

A B 等角航线 大圆航线(微凸向极地) 距离差较小 经度差小于 30° 极地(北) A B 等角航线(直线 · 航线角不变) 大圆航线(凸向极地的弧线) 等角航线 大圆航线 墨卡托图上:大圆呈凸向极地的弧线 · 等角呈直线
对比项大圆航线等角航线
本质过两点大圆圈上的较短弧过两点、各点航线角相等的等角线
航向与子午线交角不等 → 不断改航向航线角不变 → 一个航向飞到底
距离最短一般比大圆航线长
适用远程全程采用近距离通常采用;远程分阶段采用
墨卡托图形凸向极地的弧线直线
经度差 < 30°大圆航线与等角航线的距离差较小(差别小,可近似互替)

注 · 远程飞行的「分段」逻辑:全程先按大圆航线确定最短路径,再把大圆弧分成几段,每一段按等角航线飞——这样航向固定、领航简单,总距离又接近最短。

05 地图投影原理

圆柱 · 圆锥 · 平面(方位)

圆柱投影 圆柱面套在地球外 · 展开成长方形 圆锥投影 圆锥面罩在地球上 · 展开成扇形 平面(方位)投影 平面切于一点(极点)· 展开成圆形 按投影面几何特征分类 民航地图作业常用等角圆锥投影(兰伯特投影)
投影原理
按一定数学法则,把地球椭球面上的经纬网转换到平面
地图失真
投影产生的变形,有长度失真、角度失真和面积失真三种
分类
按投影面几何特征分为圆柱投影、圆锥投影、平面(方位)投影
民航常用
等角圆锥投影(兰伯特投影)

注 · 把地球皮「剥下来摊平」总会变形——因为球面摊不平。选择投影就是选「牺牲哪种失真」:等角投影保角、等积投影保面积,航图要保角度,所以用等角投影。

06 兰伯特投影

等角正割圆锥 · 1:100 万世界航图

圆锥面相割地球(剖面) 北极 标准纬线 1 标准纬线 2 锥顶 地心 投影线 展开成平面(扇形) 标准纬线 经线交于顶点 · 纬线为同心圆弧 ← 以外:长度拉伸(离标准纬线越远失真越大) 标准纬线:无失真 ← 之间:长度缩短 标准纬线:无失真 ← 以外:长度拉伸(离标准纬线越远失真越大) 1:100 万 世界航图,赤道至北纬 84° 或南纬 80° 间采用 4° · 6° 投影带按纬度差 4°、经度差 6° 划分 40′ 每带标准纬度与边缘纬度相差 40′ 结论 投影带范围很小 → 失真极小
别名
兰伯特投影又称等角正割圆锥投影
投影面
圆锥面,通过两条标准纬线与地球相割;从地球中心把经纬网投到圆锥面,展开成平面
特点
纬度差相等的各纬线间距基本相等无角度失真,但有长度、面积失真
失真
两条标准纬线上无失真;其间长度缩短,以外拉伸;离标准纬线越远失真越大
分带投影
地区较大时用多个圆锥面正割地球分带投影减小失真;拼接时各投影之间产生裂缝
世界航图
1:100 万 世界航图,赤道至北纬 84° 或南纬 80° 间采用兰伯特投影
投影带
纬度差 、经度差 ;每带标准纬度与边缘纬度相差 40′,带范围小、失真极小

注 · 兰伯特投影图是最主要的航空地图。记数字的锚点:全球统一规范 1:100 万;覆盖范围北纬 84° 到南纬 80°;一条带 4° × 6°;边缘离标准纬线 40′