机场建设过程中不同坐标系的转换方法与探讨

孙娜 乔相飞 张悦丽 张大志

【摘要】机场在整个建设过程中不同的工序及专业需要采用不同的坐标系，如土建施工采用以平行主跑道为坐标轴的机场独立坐标系，规划竣工验收及飞行控制等工序则采用WGS84坐标系、北京54坐标系等坐标系统，为保证各工序在空间上的精确衔接，需要对不同的坐标系进行坐标转换。以胶东国际机场为例，介绍了通过建立高精度的GNSS控制网，采用赫尔默特四参数转换模型建立机场独立坐标系与其它坐标系转换关系的方法。

【关键词】机场;坐标转换;GNSS控制网;独立坐标系

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

1、引言

机场是一个区域的重要交通设施，其建设是一项庞大的、涉及多专业的综合性系统工程，从前期的规划选址设计、到最终的竣工运营，其各个阶段、不同的专业涉及多种坐标系统[1]，如前期的地形图测绘主要采用当地的城市坐标系，通常是基于1980西安坐标系等坐标系统进行转换而来[2]，在土建施工过程中，主要采用平行于主跑道建立的机场PH独立坐标系[3]，而在运营阶段，飞行控制程序等专业则采用WGS84坐标、北京54坐标系等坐标系统[4]。

建立严密的空间转换参数，将这些不同的坐标系统在空间进行精确的衔接是机场建设过程中十分重要的工作[5]。以胶东国际机场为例，介绍了机场PH独立坐标系及其它坐标系相互之间的转换方法，并对相关精度进行了分析。

2、机场独立坐标系及坐标转换

2.1机场独立坐标系

机场独立坐标系为机场建设过程中专用坐标系，标注为PH坐标系，以主跑道方向为P轴，垂直于主跑道方向为H轴，P轴与H轴构成左手系，坐标系原点的位置应使机场建设区域的PH坐标均为正值，从而便于计算和使用。与常用的测绘坐标系表现形式不同的是，PH坐标系以格网表示，即将整个机场建设区域划分成等间距的方格网，每个格网的间距为40米，PH坐标系下每个点的坐标值用该点至坐标轴投影点到坐标原点的网格数以及余数表示，如某点PH坐标为（Pm+n，Hp+q），这里n<40，q<40，表示该点至P轴投影点至原点相距m个网格，还余n米，该点至H轴投影点至原点相距p个网格，还余q米。

机场土建施工主要采用的是PH坐标系，由于机场建构筑物特有的布置方式，采用PH坐标系更利于设计、施工，图纸更便于工程人员读取、使用。对于一些小型机场，其也常采用机场AB独立坐标系，与PH独立坐标系不同的是，AB独立坐标系的格网间距为10米。

2.2机场独立坐标系与地方坐标系的转换

机场建设过程中，需要频繁的将机场独立坐标系与西安80系、北京54系等地方坐标系进行转换，因此需建立机场独立坐标系与地方坐标系严密的转换关系。通常，在机场建设前期，由机场建设部门委托测绘单位提供机场区域地形图成果，并给民航设计等部门进行设计，并在该地形图确定主跑道位置、主跑道端点在机场独立坐标系下的坐标以及在地形图坐标系下的坐标值。如胶东国际机场，其用于设计的地形图为1980西安坐标系，民航部门给出了主跑道两个端点在机场PH独立坐标系下的坐标和1980西安坐标系下的坐标，据此确定了PH坐标系和西安80系的空间关系。

为求PH坐标系和西安80坐标系的转换参数，需先根据式（1）将主跑道两个端点在PH坐标系下的标注方式转换为PH坐标值，从而转化为两个平面坐标系之间的转换，考虑到PH坐标系为右手系，而西安80坐标系为左手系，采用经典的赫尔默特四参数转换模型求取转换参数[6]。

3、北京54系、西安80系等坐标系之间的坐标转换

除了机场独立坐标系，在机场整个建设过程中还是涉及多个坐标系，如胶东国际机场在前期地形图测绘等工作采用的是1980西安坐标系，竣工测绘等工作采用的是青岛城市坐标系，涉及飞行控制专业需要的是北京54坐标系和WGS84坐标系，因此，需建立这些坐标系之间的严密的空间转换关系，为此，在机场建设区域外围建立高精度的GNSS控制网，解算各个控制点在不同坐标系下的坐标成果，并根据解算成果确定不同坐标系之间的转换关系，同时建立的GNSS控制网也是整个机场建设过程的空间参考基准。

胶东国际机场建设前期在机场外围适当位置处布设了6个高等级GNSS控制点，为保证这6个控制点能够在建设周期内稳定保存，控制点深埋到基岩，并埋设成强制观测墩，这6个控制点也是机场建设中空间基准的起算依据。GNSS控制网以青岛市连续运行基准站系统（QDCORS）为起算数据，同时联测当地高等级控制点，以用于GNSS控制网解算结果的校核。

外业观测结束后，内业依次经过基线解算、基线质量检查（同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线差），然后在WGS84坐标系下进行三维无约束平差，最后在各个坐标系下约束4个CORS站点的坐标进行二维约束平差，平差后各坐标系下均具有较高的精度，为不同坐标系之间的精确坐标转换提供了基础，根据上文所示赫尔默特四参数转换模型，并基于最小二乘算法，即可求解不同坐标系之间的转换参数。

综上所述，胶东国际机场建设共涉及5种坐标系，由于机场参建单位多达上百家，对不同坐标系之间的转换需求频繁，为避免建设过程中坐标转换出现人为造成的错误问题，及逆转换带来的坐标差异，根据机场建设过程中坐标转换工作的实际情况，制定5种不同坐标系转换规则。

由于胶东国际机场前期基础测绘工作采用的坐标系为1980西安坐标系，因此在实际工作中，以西安80系作为各种坐标系相互之间转换的桥梁，避免过于繁杂的转换关系给实际工作带来麻烦，坐标转换工作及转换参数应用建设部门统一组织实施并下发相关转换参数文件，结合机场建设实际需求及坐标转换工作，机场PH独立坐标系和1980西安坐标系可以互转，1980西安坐标系至青岛城市坐标系、北京54坐标系和WGS84坐标系应尽量避免逆转，防止众多的参建单位对坐标进行往复逆转造成坐标差异。

总结：

机场建设规模宏大，涉及坐标系复杂，需根据实际工作需要建立不同坐标系之间严密的转换关系。机场独立坐标系根据主跑道走向建立，并以方格网表示，更便于建设人员判读、使用，是施工建设过程中采用的主要坐标系，机场独立坐标系通常是由民航部门在机场前期基础测绘图上进行标定，应根据该图上主跑道端点在机场独立坐标系和测绘图纸坐标系的对应关系，并依据赫尔默特四参数模型建立严密的转换关系。

对于涉及其它各类坐标系相互之间的转换，应通过在机场建设区域建立高精度的GNSS控制网，并求解各个控制点在不同坐标系下的坐标，同样依据赫尔默特四参数模型确定转换关系。由于机场建设参建单位多，坐标转换工作频繁，为了保证各类转换工作准确无误，需根据机场建设实际需求对各类坐标系制定有效的转换机制。

参考文献：

[1]王智，赵亚波.QDCORS在青岛地铁控制网中的应用研究[J].城市勘測.2016（4）：106-109.

[2]张杰，范玉磊，董海政等.ITRF框架与CGCS2000坐标转换的研究[J].全球定位系统，2017，42（6）：79-83.

[3]杨元喜.2000中国大地坐标系[J].科学通报，2009，54（16）：2271-2276.

[4]薛慧艳，王智.基于线定向设站法建立独立坐标系的探讨及其及应用[J].测绘通报，2020（9）：155-158.

[5]崔家武，张兴福，王峰等.GNSS精密单点定位成果的框架与历元转换方法[J].大地测量与地球动力学，2018，38（2）：172-175.

[6]王智，陈鹏，孙晓丽等.ITRF2014至CGCS2000坐标转换方法研究及精度分析[J].城市勘测，2020（2）：119-122.

作者简介：

孙娜，生于1981年，女，达斡尔族，山东青岛人，大学本科，工程师，研究方向：工程测量。