孫娜 喬相飛 張悅麗 張大志

【摘要】機場在整個建設(shè)過程中不同的工序及專業(yè)需要采用不同的坐標系，如土建施工采用以平行主跑道為坐標軸的機場獨立坐標系，規(guī)劃竣工驗收及飛行控制等工序則采用WGS84坐標系、北京54坐標系等坐標系統(tǒng)，為保證各工序在空間上的精確銜接，需要對不同的坐標系進行坐標轉(zhuǎn)換。以膠東國際機場為例，介紹了通過建立高精度的GNSS控制網(wǎng)，采用赫爾默特四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型建立機場獨立坐標系與其它坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法。

【關(guān)鍵詞】機場;坐標轉(zhuǎn)換;GNSS控制網(wǎng);獨立坐標系

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.113

1、引言

機場是一個區(qū)域的重要交通設(shè)施，其建設(shè)是一項龐大的、涉及多專業(yè)的綜合性系統(tǒng)工程，從前期的規(guī)劃選址設(shè)計、到最終的竣工運營，其各個階段、不同的專業(yè)涉及多種坐標系統(tǒng)[1]，如前期的地形圖測繪主要采用當?shù)氐某鞘凶鴺讼?，通常是基?980西安坐標系等坐標系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換而來[2]，在土建施工過程中，主要采用平行于主跑道建立的機場PH獨立坐標系[3]，而在運營階段，飛行控制程序等專業(yè)則采用WGS84坐標、北京54坐標系等坐標系統(tǒng)[4]。

建立嚴密的空間轉(zhuǎn)換參數(shù)，將這些不同的坐標系統(tǒng)在空間進行精確的銜接是機場建設(shè)過程中十分重要的工作[5]。以膠東國際機場為例，介紹了機場PH獨立坐標系及其它坐標系相互之間的轉(zhuǎn)換方法，并對相關(guān)精度進行了分析。

2、機場獨立坐標系及坐標轉(zhuǎn)換

2.1機場獨立坐標系

機場獨立坐標系為機場建設(shè)過程中專用坐標系，標注為PH坐標系，以主跑道方向為P軸，垂直于主跑道方向為H軸，P軸與H軸構(gòu)成左手系，坐標系原點的位置應(yīng)使機場建設(shè)區(qū)域的PH坐標均為正值，從而便于計算和使用。與常用的測繪坐標系表現(xiàn)形式不同的是，PH坐標系以格網(wǎng)表示，即將整個機場建設(shè)區(qū)域劃分成等間距的方格網(wǎng)，每個格網(wǎng)的間距為40米，PH坐標系下每個點的坐標值用該點至坐標軸投影點到坐標原點的網(wǎng)格數(shù)以及余數(shù)表示，如某點PH坐標為（Pm+n，Hp+q），這里n<40，q<40，表示該點至P軸投影點至原點相距m個網(wǎng)格，還余n米，該點至H軸投影點至原點相距p個網(wǎng)格，還余q米。

機場土建施工主要采用的是PH坐標系，由于機場建構(gòu)筑物特有的布置方式，采用PH坐標系更利于設(shè)計、施工，圖紙更便于工程人員讀取、使用。對于一些小型機場，其也常采用機場AB獨立坐標系，與PH獨立坐標系不同的是，AB獨立坐標系的格網(wǎng)間距為10米。

2.2機場獨立坐標系與地方坐標系的轉(zhuǎn)換

機場建設(shè)過程中，需要頻繁的將機場獨立坐標系與西安80系、北京54系等地方坐標系進行轉(zhuǎn)換，因此需建立機場獨立坐標系與地方坐標系嚴密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通常，在機場建設(shè)前期，由機場建設(shè)部門委托測繪單位提供機場區(qū)域地形圖成果，并給民航設(shè)計等部門進行設(shè)計，并在該地形圖確定主跑道位置、主跑道端點在機場獨立坐標系下的坐標以及在地形圖坐標系下的坐標值。如膠東國際機場，其用于設(shè)計的地形圖為1980西安坐標系，民航部門給出了主跑道兩個端點在機場PH獨立坐標系下的坐標和1980西安坐標系下的坐標，據(jù)此確定了PH坐標系和西安80系的空間關(guān)系。

為求PH坐標系和西安80坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需先根據(jù)式（1）將主跑道兩個端點在PH坐標系下的標注方式轉(zhuǎn)換為PH坐標值，從而轉(zhuǎn)化為兩個平面坐標系之間的轉(zhuǎn)換，考慮到PH坐標系為右手系，而西安80坐標系為左手系，采用經(jīng)典的赫爾默特四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型求取轉(zhuǎn)換參數(shù)[6]。

3、北京54系、西安80系等坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換

除了機場獨立坐標系，在機場整個建設(shè)過程中還是涉及多個坐標系，如膠東國際機場在前期地形圖測繪等工作采用的是1980西安坐標系，竣工測繪等工作采用的是青島城市坐標系，涉及飛行控制專業(yè)需要的是北京54坐標系和WGS84坐標系，因此，需建立這些坐標系之間的嚴密的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，為此，在機場建設(shè)區(qū)域外圍建立高精度的GNSS控制網(wǎng)，解算各個控制點在不同坐標系下的坐標成果，并根據(jù)解算成果確定不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時建立的GNSS控制網(wǎng)也是整個機場建設(shè)過程的空間參考基準。

膠東國際機場建設(shè)前期在機場外圍適當位置處布設(shè)了6個高等級GNSS控制點，為保證這6個控制點能夠在建設(shè)周期內(nèi)穩(wěn)定保存，控制點深埋到基巖，并埋設(shè)成強制觀測墩，這6個控制點也是機場建設(shè)中空間基準的起算依據(jù)。GNSS控制網(wǎng)以青島市連續(xù)運行基準站系統(tǒng)（QDCORS）為起算數(shù)據(jù)，同時聯(lián)測當?shù)馗叩燃壙刂泣c，以用于GNSS控制網(wǎng)解算結(jié)果的校核。

外業(yè)觀測結(jié)束后，內(nèi)業(yè)依次經(jīng)過基線解算、基線質(zhì)量檢查（同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線差），然后在WGS84坐標系下進行三維無約束平差，最后在各個坐標系下約束4個CORS站點的坐標進行二維約束平差，平差后各坐標系下均具有較高的精度，為不同坐標系之間的精確坐標轉(zhuǎn)換提供了基礎(chǔ)，根據(jù)上文所示赫爾默特四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，并基于最小二乘算法，即可求解不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

綜上所述，膠東國際機場建設(shè)共涉及5種坐標系，由于機場參建單位多達上百家，對不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換需求頻繁，為避免建設(shè)過程中坐標轉(zhuǎn)換出現(xiàn)人為造成的錯誤問題，及逆轉(zhuǎn)換帶來的坐標差異，根據(jù)機場建設(shè)過程中坐標轉(zhuǎn)換工作的實際情況，制定5種不同坐標系轉(zhuǎn)換規(guī)則。

由于膠東國際機場前期基礎(chǔ)測繪工作采用的坐標系為1980西安坐標系，因此在實際工作中，以西安80系作為各種坐標系相互之間轉(zhuǎn)換的橋梁，避免過于繁雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系給實際工作帶來麻煩，坐標轉(zhuǎn)換工作及轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用建設(shè)部門統(tǒng)一組織實施并下發(fā)相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)文件，結(jié)合機場建設(shè)實際需求及坐標轉(zhuǎn)換工作，機場PH獨立坐標系和1980西安坐標系可以互轉(zhuǎn)，1980西安坐標系至青島城市坐標系、北京54坐標系和WGS84坐標系應(yīng)盡量避免逆轉(zhuǎn)，防止眾多的參建單位對坐標進行往復(fù)逆轉(zhuǎn)造成坐標差異。

總結(jié)：

機場建設(shè)規(guī)模宏大，涉及坐標系復(fù)雜，需根據(jù)實際工作需要建立不同坐標系之間嚴密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。機場獨立坐標系根據(jù)主跑道走向建立，并以方格網(wǎng)表示，更便于建設(shè)人員判讀、使用，是施工建設(shè)過程中采用的主要坐標系，機場獨立坐標系通常是由民航部門在機場前期基礎(chǔ)測繪圖上進行標定，應(yīng)根據(jù)該圖上主跑道端點在機場獨立坐標系和測繪圖紙坐標系的對應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)赫爾默特四參數(shù)模型建立嚴密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

對于涉及其它各類坐標系相互之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)通過在機場建設(shè)區(qū)域建立高精度的GNSS控制網(wǎng)，并求解各個控制點在不同坐標系下的坐標，同樣依據(jù)赫爾默特四參數(shù)模型確定轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于機場建設(shè)參建單位多，坐標轉(zhuǎn)換工作頻繁，為了保證各類轉(zhuǎn)換工作準確無誤，需根據(jù)機場建設(shè)實際需求對各類坐標系制定有效的轉(zhuǎn)換機制。

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作者簡介：

孫娜，生于1981年，女，達斡爾族，山東青島人，大學本科，工程師，研究方向：工程測量。