孫娜 喬相飛 張悅麗 張大志

【摘要】機(jī)場(chǎng)在整個(gè)建設(shè)過(guò)程中不同的工序及專業(yè)需要采用不同的坐標(biāo)系，如土建施工采用以平行主跑道為坐標(biāo)軸的機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系，規(guī)劃竣工驗(yàn)收及飛行控制等工序則采用WGS84坐標(biāo)系、北京54坐標(biāo)系等坐標(biāo)系統(tǒng)，為保證各工序在空間上的精確銜接，需要對(duì)不同的坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。以膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，介紹了通過(guò)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(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系與其它坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法。

【關(guān)鍵詞】機(jī)場(chǎng);坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;GNSS控制網(wǎng);獨(dú)立坐標(biāo)系

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

1、引言

機(jī)場(chǎng)是一個(gè)區(qū)域的重要交通設(shè)施，其建設(shè)是一項(xiàng)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(jì)、到最終的竣工運(yùn)營(yíng)，其各個(gè)階段、不同的專業(yè)涉及多種坐標(biāo)系統(tǒng)[1]，如前期的地形圖測(cè)繪主要采用當(dāng)?shù)氐某鞘凶鴺?biāo)系，通常是基于1980西安坐標(biāo)系等坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換而來(lái)[2]，在土建施工過(guò)程中，主要采用平行于主跑道建立的機(jī)場(chǎng)PH獨(dú)立坐標(biāo)系[3]，而在運(yùn)營(yíng)階段，飛行控制程序等專業(yè)則采用WGS84坐標(biāo)、北京54坐標(biāo)系等坐標(biāo)系統(tǒng)[4]。

建立嚴(yán)密的空間轉(zhuǎn)換參數(shù)，將這些不同的坐標(biāo)系統(tǒng)在空間進(jìn)行精確的銜接是機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中十分重要的工作[5]。以膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，介紹了機(jī)場(chǎng)PH獨(dú)立坐標(biāo)系及其它坐標(biāo)系相互之間的轉(zhuǎn)換方法，并對(duì)相關(guān)精度進(jìn)行了分析。

2、機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

2.1機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系

機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系為機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中專用坐標(biāo)系，標(biāo)注為PH坐標(biāo)系，以主跑道方向?yàn)镻軸，垂直于主跑道方向?yàn)镠軸，P軸與H軸構(gòu)成左手系，坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置應(yīng)使機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域的PH坐標(biāo)均為正值，從而便于計(jì)算和使用。與常用的測(cè)繪坐標(biāo)系表現(xiàn)形式不同的是，PH坐標(biāo)系以格網(wǎng)表示，即將整個(gè)機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域劃分成等間距的方格網(wǎng)，每個(gè)格網(wǎng)的間距為40米，PH坐標(biāo)系下每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值用該點(diǎn)至坐標(biāo)軸投影點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的網(wǎng)格數(shù)以及余數(shù)表示，如某點(diǎn)PH坐標(biāo)為（Pm+n，Hp+q），這里n<40，q<40，表示該點(diǎn)至P軸投影點(diǎn)至原點(diǎn)相距m個(gè)網(wǎng)格，還余n米，該點(diǎn)至H軸投影點(diǎn)至原點(diǎn)相距p個(gè)網(wǎng)格，還余q米。

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

2.2機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中，需要頻繁的將機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系與西安80系、北京54系等地方坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此需建立機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通常，在機(jī)場(chǎng)建設(shè)前期，由機(jī)場(chǎng)建設(shè)部門委托測(cè)繪單位提供機(jī)場(chǎng)區(qū)域地形圖成果，并給民航設(shè)計(jì)等部門進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在該地形圖確定主跑道位置、主跑道端點(diǎn)在機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及在地形圖坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。如膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，其用于設(shè)計(jì)的地形圖為1980西安坐標(biāo)系，民航部門給出了主跑道兩個(gè)端點(diǎn)在機(jī)場(chǎng)PH獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和1980西安坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，據(jù)此確定了PH坐標(biāo)系和西安80系的空間關(guān)系。

為求PH坐標(biāo)系和西安80坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需先根據(jù)式（1）將主跑道兩個(gè)端點(diǎn)在PH坐標(biāo)系下的標(biāo)注方式轉(zhuǎn)換為PH坐標(biāo)值，從而轉(zhuǎn)化為兩個(gè)平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，考慮到PH坐標(biāo)系為右手系，而西安80坐標(biāo)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(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

除了機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系，在機(jī)場(chǎng)整個(gè)建設(shè)過(guò)程中還是涉及多個(gè)坐標(biāo)系，如膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)在前期地形圖測(cè)繪等工作采用的是1980西安坐標(biāo)系，竣工測(cè)繪等工作采用的是青島城市坐標(biāo)系，涉及飛行控制專業(yè)需要的是北京54坐標(biāo)系和WGS84坐標(biāo)系，因此，需建立這些坐標(biāo)系之間的嚴(yán)密的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，為此，在機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域外圍建立高精度的GNSS控制網(wǎng)，解算各個(gè)控制點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)成果，并根據(jù)解算成果確定不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)建立的GNSS控制網(wǎng)也是整個(gè)機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程的空間參考基準(zhǔn)。

膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)前期在機(jī)場(chǎng)外圍適當(dāng)位置處布設(shè)了6個(gè)高等級(jí)GNSS控制點(diǎn)，為保證這6個(gè)控制點(diǎn)能夠在建設(shè)周期內(nèi)穩(wěn)定保存，控制點(diǎn)深埋到基巖，并埋設(shè)成強(qiáng)制觀測(cè)墩，這6個(gè)控制點(diǎn)也是機(jī)場(chǎng)建設(shè)中空間基準(zhǔn)的起算依據(jù)。GNSS控制網(wǎng)以青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)（QDCORS）為起算數(shù)據(jù)，同時(shí)聯(lián)測(cè)當(dāng)?shù)馗叩燃?jí)控制點(diǎn)，以用于GNSS控制網(wǎng)解算結(jié)果的校核。

外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，內(nèi)業(yè)依次經(jīng)過(guò)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(biāo)系下進(jìn)行三維無(wú)約束平差，最后在各個(gè)坐標(biāo)系下約束4個(gè)CORS站點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行二維約束平差，平差后各坐標(biāo)系下均具有較高的精度，為不同坐標(biāo)系之間的精確坐標(biāo)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(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

綜上所述，膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)共涉及5種坐標(biāo)系，由于機(jī)場(chǎng)參建單位多達(dá)上百家，對(duì)不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換需求頻繁，為避免建設(shè)過(guò)程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)人為造成的錯(cuò)誤問(wèn)題，及逆轉(zhuǎn)換帶來(lái)的坐標(biāo)差異，根據(jù)機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作的實(shí)際情況，制定5種不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換規(guī)則。

由于膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)前期基礎(chǔ)測(cè)繪工作采用的坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系，因此在實(shí)際工作中，以西安80系作為各種坐標(biāo)系相互之間轉(zhuǎn)換的橋梁，避免過(guò)于繁雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系給實(shí)際工作帶來(lái)麻煩，坐標(biāo)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(shí)施并下發(fā)相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)文件，結(jié)合機(jī)場(chǎng)建設(shè)實(shí)際需求及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作，機(jī)場(chǎng)PH獨(dú)立坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系可以互轉(zhuǎn)，1980西安坐標(biāo)系至青島城市坐標(biāo)系、北京54坐標(biāo)系和WGS84坐標(biāo)系應(yīng)盡量避免逆轉(zhuǎn)，防止眾多的參建單位對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行往復(fù)逆轉(zhuǎn)造成坐標(biāo)差異。

總結(jié)：

機(jī)場(chǎng)建設(shè)規(guī)模宏大，涉及坐標(biāo)系復(fù)雜，需根據(jù)實(shí)際工作需要建立不同坐標(biāo)系之間嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)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(guò)程中采用的主要坐標(biāo)系，機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系通常是由民航部門在機(jī)場(chǎng)前期基礎(chǔ)測(cè)繪圖上進(jìn)行標(biāo)定，應(yīng)根據(jù)該圖上主跑道端點(diǎn)在機(jī)場(chǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系和測(cè)繪圖紙坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)赫爾默特四參數(shù)模型建立嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

對(duì)于涉及其它各類坐標(biāo)系相互之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)通過(guò)在機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域建立高精度的GNSS控制網(wǎng)，并求解各個(gè)控制點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，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(jī)場(chǎng)建設(shè)參建單位多，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作頻繁，為了保證各類轉(zhuǎn)換工作準(zhǔn)確無(wú)誤，需根據(jù)機(jī)場(chǎng)建設(shè)實(shí)際需求對(duì)各類坐標(biāo)系制定有效的轉(zhuǎn)換機(jī)制。

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作者簡(jiǎn)介：

孫娜，生于1981年，女，達(dá)斡爾族，山東青島人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：工程測(cè)量。