浅谈GPS测量中的坐标系统及其转换
GPS是一种采用WGS-84的地心地固坐标系统,而我国绝大多数应用都集中在各种参心坐标系统上,因此,只有解决这两种不同的空间坐标系的转换才能更好地发挥GPS的作用。
本文通过分析GPS的工作原理及GPS测量中的几种常用坐标系统特点,针对测量过程中实现坐标系统转换方法及关键技术进行分析。
标签：GPS 工程测量坐标系统参数转换
1 GPS的工作原理
GPS全球定位系统由空间卫星群、地面监控系统、测量用户的卫星接收设备三大部分组成。
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。
如在需要的位置P 点架设GPS接收机,在某一时刻t同时接收了3颗(A,B,C)以上的GPS卫星所发出的导航电文,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP,SBP,SCP,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(3维坐标)。
从而用距离交会的方法求得P点的3维坐标(XP,VP,ZP),在GPS测量中通常采用两类坐标系统,一类是空间固定的坐标系统(天球坐标系),另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统地球坐标系),我们在控制测量中常用地固坐标系统(如:WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系统)。
在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标,这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果。
2 GPS测量常用坐标系统的比较
2.1 WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系统的全称是World Geodieal System一84(世界大地坐标系-84),它是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立,于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统-WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点,Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
采用椭球参数为:
a=6 378 137mf=1/298.257 223 563
2.2 1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,是一种参心坐标系统。
该坐标系源自于前苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,该椭球的参数为:a=6 378 245mf=1/298.3。
我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。
2.3 地方坐标系(任意独立坐标系) 在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等,或我们为了测量方便而临时建立的独立坐标系。
3 GPS测量过程中坐标系统转换的实现
在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方(任意)独立坐标系为基础的坐标数据。
因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。
目前一般采用七参数法与三参数完成WGS-84坐标系到北京54坐标系的转换,得到北京54坐标数据。
我们城市测量主要是进行较小区域内两个椭球间的坐标转换,一般而言比较严密的是用七参数法(包括布尔莎模型,一步法模型,海尔曼特等),即X平移,Y平移,Z平移,X旋转,Y旋转,Z旋转,尺度变化K。
要求得七参数就需要在一个地区需要3个以上的已知点,如果区域范围不大,最远点间的距离不大于30Km(经验值),这可以用三参数(莫洛登斯基模型),即X平移,Y平移,Z平移,而将X旋转,Y旋转,Z 旋转,尺度变化K视为0,所以三参数只是七参数的一种特例。
工程实践过程中,作业队伍在进驻工区以后,首先应着手搜集工区已有的转换参数,在新工区或者没有转换参数的工区应当首先考虑搜集相邻工区的转换参数,并做检验对比,合格后方可使用。
在上述方案失败后,操作步骤可参考以下顺序:如工区内有WGS-84成果点(1个或者多个),可在控制网布设时联测这些WGS-84点做全网起算,在无约束平差(最小约束平差)后,获得经过平差以后的WG
S-84成果,再利用相关软件(如:Powadj,KLseis等)或者TGO软件的点校正实现转换参数的求取。
如果工区内没有WGS-84成果点,考虑到《规范》的滞后性,可以首先考虑长距离联测国际台站,然后通过网络PPP(precise point pointing)或者武测Trip单点定位软件解算得到GPS控制网点的精确WGS-84坐标。
目前国际上通用的网络PPP 主要有:AUSPOS-GPS和CSRS-PPP,上述三个软件都需要经过严密改正天线高的RINEX格式文件,其中AUSPOS-GPS和CSRS-PPP都需要网络良好,一般lh以内均可以得到解算结果,Trip软件需要下载与观测数据匹配良好的精密星历文件,故也需网络支持。
CSRS-PPP(WWW.geod.nrcan.gc.ca)使用前,用户必须用国际通用邮箱(如搜狐、雅虎等)注册,解算结果会发到用户邮箱中。
AUSPOS-PPP(.au/bin/gps.p1)不须注册,但是用户也必须使用国际通用邮箱接收解算文件。
武测Trip软件目前版本是v1.0,用户可以免费使用50次。
精密星历数据可以通过如下IGS网站下载。
经过我们实际对比,利用PPP解算得到的站点精确WGS-84坐标解算出来的转换参数精度较高,完全满足《规范》的相关要求。
故我们建议对此方法进行推广使用。
另外需注意,在作业队伍自己求取转换参数时,无论采用哪一种方法,工区所采用的其它控制点的WGS-84坐标的起算数据必须基于用作求取转换参数的点的成果。
4 结束语
通过运用软件技术进行坐标转换结果的精度是可信的,能够满足一般工程测量对精度的要求,如果要提高测量结果坐标转换的精度,需要进行卫星星历预报,选择最佳时段采集数据,然后在坐标转换过程中选择旋转、平移和尺度比三种参数进行反复计算研究,以提高转换的精度。
参考文献:
[1]徐绍铨.GPS测量原理及应用(3S丛书)[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社.1998.
[2]朱华统.GPS坐标系统的变换[M].北京:测绘出版社.1994.
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