摘要：以韶关丹霞机场工程控制网的建设为例，针对工程控制网中精度要求高、常与地方坐标系相互转换、使用GPS测量时需计算抵偿面等特点，以建设高精度、高兼容性工程控制网为目的，解决了工程控制网建设中的一系列技术难题。还采用多种检核手段，保障成果的可靠性、兼容性，为类似工程提供一定的技术参考。
关键词：工程控制网；静态；坐标转换
1 引 言
为发展韶关市旅游产业，为韶关本地居民提供更加便捷的交通，加强韶关与其他城市的交通纽带，韶关丹霞机场作为国家、民航和广东省、韶关市“十三五”规划的重点项目，即将开工建设。韶关丹霞机场前期所布设的控制网距离建设区域较远，施工使用不方便；且由于前期未能对控制点进行保护，多数控制点遭到破坏。为满足机场施工建设，保持坐标系统的统一性，机场控制网的恢复及加密工作迫在眉睫。
机场建设方委托我院开展了韶关丹霞机场控制网的恢复及加密工作，主要工作为：1、建设机场首级控制网，求得控制网在工程独立坐标系与CGCS2000坐标系下坐标；2、为满足机场施工建设，在适当区域布设加密控制网；3、提供丹霞机场独立坐标系统和CGCS2000坐标系统的算术转换关系。
2 项目实施
2.1实施方案
根据本项目要求与项目情况，我院初定项目实施的方案为：1、首级控制网采取GNSS静态观测手段进行整体控制网的布设；2、使用等级导线测量方法进行控制网的加密作业；3、两套坐标系的转换关系以平面四参数模型进行换算。具体作业流程如图1：
图1 韶关丹霞机场控制测量实施流程
图2 韶关丹霞机场首级控制网图
2.2布网方案
根据韶关丹霞机场的建设规划图及建设红线，结合现场条件，确定首级控制网布网方案。控制网由28个GPS控制点组成，联测城市控制点作为CGCS2000坐标系起算点，联测机场原有控制点11点，新布设17点，如图2所示。
2.3 机场坐标系及 PH 桩号定义
根据机场建设方提供资料，机场坐标系（独立、直角坐标系）的定义为：以跑道设计值西端点为 P100H100，X0=5000.000 米、Y0=10000.000 米为机场坐标系原点，自跑道中心线西端点向跑道中心线东端点为机场坐标系正东方向（P 值为东向、H 值为北向），P、H 值的单位变化值为 1 时，实际长度距离变化为 20 米。
为此，机场 PH 桩号与机场坐标系 X、Y 的转换关系如下：
（1）假定某一点的 PH 桩号为 P（Np+△P）、H（Nh+△H），则对应的机场坐标系的 北坐标 X、东坐标 Y，二者的转换公式可表示如下：
X=5000+（Nh-100）*20+△H
Y=10000+（Np-100）*20+△P
（2）假定某一点的机场坐标系的北坐标 X、东坐标 Y，则对应的 PH 桩号为 P（Np+△P）、H（Nh+△H），二者的转换公式可表示如下：
Nh=100+INT（（X-5000）/20）
△H=X-5000-（Nh-100）*20
Np=100+INT（（Y-10000）/20）
△P=Y-10000-（Np-100）*20
2.4静态数据采集
首级控制网采用12台南方三频GPS接收机按静态相对定位作业模式组网观测，同步观测时间大于120min，观测有效卫星数不少于6颗，卫星高度角大于15°，卫星分布几何精度因子PDOP值不大于6，采样间隔为20S，各点平均重复设站数大于2次，天线高的量取、外业观测手簿的记录等按规范要求执行。
2.5 GNSS数据处理
GNSS数据处理分基线解算和GNSS网平差两个阶段。
（1）基线解算
外业观测采集的数据通过随机软通入计算机内，可转成RINEX格式进行备份，以便进行基线解算。基线解算软件采用中海达公司的商业软件HGO。采用双差相位观测值进行基线解算，采用双差固定解作为最终结果根据基线解算结果，按《全球定位系统（GPS）测量规范》规定，对复测基线的长度较差、同步环各坐标分量及闭合差、以及异步环坐标分量及环线全长相对闭合差进行检核。
经解算，本控制网的基线、重复基线、同步环与异步环所有指标均达标。
（2）GNSS网平差
GNSS的网平差应先进行无约束平差，一方面可得到各控制点于WGS-84坐标系统内的高精度坐标值，另一方面也可以检查测量成果的内符合精度以及有无明显的系统误差或粗差。
静态采集的GNSS数据成果属于WGS-84坐标系统，且相对点位坐标精度很高，在进行约束平差的过程中，更改投影方法和转换到独立坐标系时，产生的投影误差及求定转换参数误差必定会损坏GPS测量成果的高精度。为尽量减小误差，满足工程独立控制网精度要求，工程控制网GNSS平差时应视情况进行投影面的选择与抵偿面的计算。
韶关丹霞机场项目所在地高程均在80左右，属低海拔地区，抵偿面的改正值较小，一般可直接选择国家的高程基准面进行投影。但测区的经度处于113°24N′—113°26′N之间，若使用与当地相同的114°作为高斯投影的中央子午线，独立坐标与投影的真北方向间会产生较大的子午线收敛角。
为验证投影面选择带来的投影误差是否符合规范，需对基线进行实测。使用leica TS06PLUS全站仪（标称精度：测距1.5mm+2ppm）对部分基线进行现场实测。经测量，在使用114°作为中央子午线进行投影的情况下，平差后边长与实测边长对比，中误差均大于1/30000，不满足《工程测量规范》中“测区内投影长度变形不大于2.5cm/km”的要求。故对控制网的约束平差应更改其投影面的中央子午线。
综上，丹霞机场工程独立控制网的平差使用国家80椭球、中央子午线113°30′，1985国家高程基准以及高斯3度带投影进行平差计算，平差后最弱基线相对误差为1：61941，平面最弱点位中误差为1.93mm。
同时，为保证控制网中的CGCS2000坐标与当地的CGCS2000坐标系的一致性，机场控制网CGCS2000坐标的平差按椭球国家2000，高斯3度带投影，中央子午线114°进行平差解算，平差后最弱边相对误差为1：68342，平面最弱点位中误差为1.70mm。
2.6 水准测量
由于业主方提供的高程基准点A02已被破坏，为保持高程系统的一致性，选择机场内原控制点A01作为高程控制测量的基准点，进行二等水准测量时，联测了机场内部分控制点以进行高程检核，经检核场内其他控制点的高程与本次联测测量高程的高差值符合二等水准限差要求，由此判定A01可作为水准起算点。
水准测量内业平差采用南方平差易进行，经平差，本次二等水准测量的每公里高差中误差为0.87 mm，满足规范要求。
2.7 加密控制网布设与测量
按照业主及施工方要求在指定位置增设3个加密控制点，对加密控制网的测量使用徕卡TS06plus仪器，采用一级导线测量方法进行。内业平差计算同样采用南方平差易进行导线平差计算。经平差计算，导线平均点位误差为0.0079（m），导线全长相对闭合差k为1/47322，满足相关规范要求。
2.8 国家2000坐标系与机场独立坐标系的转换
机场控制网中最远两点间距为4.25km，为保持原有图形的几何形状，避免因转换中原坐标网变形而产生的相对位置变化，故使用四参数转换模型对两套坐标系进行转换。
假设转换点的原坐标为（X1，Y1），新坐标为（X2，Y2），平移参数ΔX、ΔY（单位为m），旋转参数为α（单位为rad），尺度参数为m（无单位），二维四参数转换模型如下：
根据首级控制网28个控制点的独立坐标与CGCS2000坐标，利用CASS9.1中坐标转换工具，依次选择测区内均匀分布的8个点作为转换依据，求解四参数。
把28个点的独立坐标代入转换模型求解转换后的CGCS2000坐标，以此检核其算术转换模型的精度。转换前后较差表如下表所示，坐标较差最大值仅为4.4mm。
表1 坐标转换较差表
2.8成果检核
（1）全站仪实测边长检核。
使用Leica TS06PLUS（标称精度：测角2″，测距1.5mm+2ppm）对工程独立控制网进行边长抽样检测，部分结果如表2所示。
表2 基线测距相对误差表
由上表可以看出，抽样检测的边长均满足《工程测量规范》中对一级导线的边长中误差的要求。
（2）与原有控制点坐标比较。
由于数据采集的过程中联测了丹霞机场原有的控制点，为保持丹霞机场独立坐标系的统一性，对联测的点位进行点位的较差对比，结果如表3。
表3 与原有控制点成果比较表
如上表所示，重合点较差均小于20mm，点位中误差为12mm，新坐标保持了独立坐标系的统一性。保证了丹霞机场建设工作与前期工作之间的兼容性。
3 技术特色
（1）项目内容丰富。为保证丹霞机场顺利建设，整个控制网布设项目需要解算CGCS2000坐标系、丹霞机场独立坐标系，还要求解两套坐标系之间的算术转换关系，为机场建设提供了丰富而完善的基础控制测量。
（2）灵活选择工程独立坐标系的投影面。在进行本工程独立控制网的建立过程中，涉及工程独立坐标系与地方坐标系在相同投影下产生的误差，灵活选择工程坐标系的投影面，使工程独立坐标系更符合地面边长，从而更好地保障了工程控制网精度。
（3）实施手段灵活。进行控制测量中，采用了静态GPS的测量方法对机场的首级控制网进行布设，采用了一级导线的测量方法对机场控制网进行加密，灵活使用测量手段，在保证测量精度的前提下大大加快了工程进度。
（4）兼容性高。通过联测丹霞机场原有的控制点，保证了新旧坐标系统的统一性，使机场前期征地与场地平整等工作与日后施工建设工作之间的精确衔接，确保了控制网的兼容性。
（5）检核手段丰富。采用多种检核手段对控制网成果进行验证，确保了成果的可靠性与适用性。
4 结论与建议
基于本项目建立的韶关丹霞机场控制网，已用于韶关丹霞机场航站楼的施工建设，满足了工程建设的需要，验证了项目成果的可靠性和准确性。
韶关丹霞机场仍有停机坪及跑道尚未开工建设，特别是机场跑道建设的施工对控制网高程的要求提出了更高的要求。如何保证后期加密控制网的高程精度，为跑道的施工建设提供准确的数据支持，其中的关键技术还需开展进一步的研究。
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[5]GB/T 18314-2009. 全球定位系统（GPS）测量规范[S]：7~9
论文作者:梁煜1,黄毓2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：坐标系论文; 机场论文; 坐标论文; 韶关论文; 基线论文; 测量论文; 误差论文; 《基层建设》2019年第12期论文;