機場建設過程中不同坐標系的轉換方法與探討

孫娜 喬相飛 張悅麗 張大志

【摘要】機場在整個建設過程中不同的工序及專業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，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，采用赫爾默特四參數轉換模型建立機場獨立坐標系與其它坐標系轉換關系的方法。

【關鍵詞】機場;坐標轉換;GNSS控制網;獨立坐標系

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

1、引言

機場是一個區域的重要交通設施，其建設是一項龐大的、涉及多專業的綜合性系統工程，從前期的規劃選址設計、到最終的竣工運營，其各個階段、不同的專業涉及多種坐標系統[1]，如前期的地形圖測繪主要采用當地的城市坐標系，通常是基于1980西安坐標系等坐標系統進行轉換而來[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則采用WGS84坐標、北京54坐標系等坐標系統[4]。

建立嚴密的空間轉換參數，將這些不同的坐標系統在空間進行精確的銜接是機場建設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換方法，并對相關精度進行了分析。

2、機場獨立坐標系及坐標轉換

2.1機場獨立坐標系

機場獨立坐標系為機場建設過程中專用坐標系，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軸構成左手系，坐標系原點的位置應使機場建設區域的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形式不同的是，PH坐標系以格網表示，即將整個機場建設區域劃分成等間距的方格網，每個格網的間距為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格數以及余數表示，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個網格，還余n米，該點至H軸投影點至原點相距p個網格，還余q米。

機場土建施工主要采用的是PH坐標系，由于機場建構筑物特有的布置方式，采用PH坐標系更利于設計、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獨立坐標系的格網間距為10米。

2.2機場獨立坐標系與地方坐標系的轉換

機場建設過程中，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換，因此需建立機場獨立坐標系與地方坐標系嚴密的轉換關系。通常，在機場建設前期，由機場建設部門委托測繪單位提供機場區域地形圖成果，并給民航設計等部門進行設計，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，據此確定了PH坐標系和西安80系的空間關系。

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

3、北京54系、西安80系等坐標系之間的坐標轉換

除了機場獨立坐標系，在機場整個建設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換關系，為此，在機場建設區域外圍建立高精度的GNSS控制網，解算各個控制點在不同坐標系下的坐標成果，并根據解算成果確定不同坐標系之間的轉換關系，同時建立的GNSS控制網也是整個機場建設過程的空間參考基準。

膠東國際機場建設前期在機場外圍適當位置處布設了6個高等級GNSS控制點，為保證這6個控制點能夠在建設周期內穩定保存，控制點深埋到基巖，并埋設成強制觀測墩，這6個控制點也是機場建設中空間基準的起算依據。GNSS控制網以青島市連續運行基準站系統（QDCORS）為起算數據，同時聯測當地高等級控制點，以用于GNSS控制網解算結果的校核。

外業觀測結束后，內業依次經過基線解算、基線質量檢查（同步環閉合差、異步環閉合差和重復基線差），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換提供了基礎，根據上文所示赫爾默特四參數轉換模型，并基于最小二乘算法，即可求解不同坐標系之間的轉換參數。

綜上所述，膠東國際機場建設共涉及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換需求頻繁，為避免建設過程中坐標轉換出現人為造成的錯誤問題，及逆轉換帶來的坐標差異，根據機場建設過程中坐標轉換工作的實際情況，制定5種不同坐標系轉換規則。

由于膠東國際機場前期基礎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換的橋梁，避免過于繁雜的轉換關系給實際工作帶來麻煩，坐標轉換工作及轉換參數應用建設部門統一組織實施并下發相關轉換參數文件，結合機場建設實際需求及坐標轉換工作，機場PH獨立坐標系和1980西安坐標系可以互轉，1980西安坐標系至青島城市坐標系、北京54坐標系和WGS84坐標系應盡量避免逆轉，防止眾多的參建單位對坐標進行往復逆轉造成坐標差異。

總結：

機場建設規模宏大，涉及坐標系復雜，需根據實際工作需要建立不同坐標系之間嚴密的轉換關系。機場獨立坐標系根據主跑道走向建立，并以方格網表示，更便于建設人員判讀、使用，是施工建設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測繪圖上進行標定，應根據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關系，并依據赫爾默特四參數模型建立嚴密的轉換關系。

對于涉及其它各類坐標系相互之間的轉換，應通過在機場建設區域建立高精度的GNSS控制網，并求解各個控制點在不同坐標系下的坐標，同樣依據赫爾默特四參數模型確定轉換關系。由于機場建設參建單位多，坐標轉換工作頻繁，為了保證各類轉換工作準確無誤，需根據機場建設實際需求對各類坐標系制定有效的轉換機制。

參考文獻：

[1]王智，趙亞波.QDCORS在青島地鐵控制網中的應用研究[J].城市勘測.2016（4）：106-109.

[2]張杰，范玉磊，董海政等.ITRF框架與CGCS2000坐標轉換的研究[J].全球定位系統，2017，42（6）：79-83.

[3]楊元喜.2000中國大地坐標系[J].科學通報，2009，54（16）：2271-2276.

[4]薛慧艷，王智.基于線定向設站法建立獨立坐標系的探討及其及應用[J].測繪通報，2020（9）：155-158.

[5]崔家武，張興福，王峰等.GNSS精密單點定位成果的框架與歷元轉換方法[J].大地測量與地球動力學，2018，38（2）：172-175.

[6]王智，陳鵬，孫曉麗等.ITRF2014至CGCS2000坐標轉換方法研究及精度分析[J].城市勘測，2020（2）：119-122.

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。