【摘 要】GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而我們使用的地圖資源大部分都屬于1954年北京坐標(biāo)系或1980年西安坐標(biāo)系。不同的坐標(biāo)系統(tǒng)給我們的使用帶來了困難，于是就出現(xiàn)了如何把WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系上來的問題。從理論上講，不同坐標(biāo)系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，要使手持GPS所測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為自己需要的坐標(biāo)，必須求出兩個(gè)坐標(biāo)系（WGS-84和北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系）之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于求算轉(zhuǎn)換參數(shù)專業(yè)性較強(qiáng)，因此，多數(shù)初用者不知如何進(jìn)行GPS的參數(shù)的求得和設(shè)置。其實(shí)關(guān)鍵要解決兩個(gè)問題，其一是自定義坐標(biāo)格式（User UTM Grid）的確定；其二是自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（User）投影參數(shù)的確定。

【關(guān)鍵詞】 GPS；坐標(biāo)格式；坐標(biāo)系統(tǒng)；投影分帶；轉(zhuǎn)換參數(shù)

GPS（Global Positioning System）即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行三維導(dǎo)航定位和測(cè)速。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，從最初的軍用已發(fā)展到民用領(lǐng)域，并已得到廣泛的應(yīng)用和普及。

在GPS定位技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展過程中，根據(jù)不同的市場(chǎng)需求，由廠家生產(chǎn)出了各種不同型號(hào)和用途的接收機(jī)，其中，市場(chǎng)銷量最大、使用人數(shù)最多、使用者大多專業(yè)性不強(qiáng)的導(dǎo)航型手持GPS在使用過程中存在的問題較多，最主要的問題是手持GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而我們使用的地圖資源大部分都屬于1954年北京坐標(biāo)系或1980年西安坐標(biāo)系。不同的坐標(biāo)系統(tǒng)給我們的使用帶來了困難，于是就出現(xiàn)了如何把WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系上來的問題。從理論上講，不同坐標(biāo)系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，要使手持GPS所測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為自己需要的坐標(biāo)，必須求出兩個(gè)坐標(biāo)系（WGS-84和北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系）之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于求算轉(zhuǎn)換參數(shù)專業(yè)性較強(qiáng)，因此，多數(shù)初用者不知如何進(jìn)行GPS的參數(shù)的求得和設(shè)置。下面針對(duì)這部分使用人員就一些關(guān)鍵問題介紹如下。

1. 自定義坐標(biāo)格式（User UTM Grid）的確定

當(dāng)我們使用一部新的GPS或到一個(gè)新的工區(qū)工作時(shí)，首先要做的是對(duì)手中的GPS進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而參數(shù)設(shè)置第一步就是確定工區(qū)自定義坐標(biāo)格式（User UTM Grid）。確定自定義坐標(biāo)格式中最重要的一項(xiàng)是工作區(qū)中央子午線經(jīng)度的確定，這是因?yàn)樵谑褂脟?guó)家或地方坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，這是一個(gè)經(jīng)常需要變更的參數(shù)。那么如何方便快捷的完成這一設(shè)置呢？一般來說當(dāng)我們計(jì)劃完成一項(xiàng)新的工作或進(jìn)行一項(xiàng)工程施工時(shí)，都事前劃定一個(gè)行進(jìn)路線或工作區(qū)域，同時(shí)配合使用地形圖或設(shè)計(jì)圖，這就為我們確定工作區(qū)中央子午線經(jīng)度提供了最基本條件。

在研究如何利用地形圖或給定坐標(biāo)來確定工作區(qū)中央子午線經(jīng)度之前我們有必要大致了解一下地形圖的投影分帶問題。

地球總體上是以大地體表示的，為了能進(jìn)行各種運(yùn)算，又以參考橢球體來代替大地體。要將橢球面上的圖形描繪在平面上，需要采用地圖投影的方法。我國(guó)在建立統(tǒng)一的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，規(guī)定在大地控制測(cè)量和地形測(cè)量中采用高斯投影。為了使投影誤差不致影響測(cè)圖精度，規(guī)定以經(jīng)差6°或3°為準(zhǔn)來限定高斯投影范圍，每一投影范圍就叫做一個(gè)投影帶。如圖1所示從起始子午線開始，自西向東以經(jīng)差6°化為一帶，將整個(gè)地球劃分成60個(gè)投影帶并順序編號(hào)，叫做高斯6°投影帶（簡(jiǎn)稱6°帶）。6°帶各帶的中央子午線，其經(jīng)度分別為3°、9°…… 123°、129°……357°。每一投影帶兩側(cè)的子午線叫做分帶子午線，6°帶的分帶子午線的精度為0°、6°……120°、126°、132°……。

大比例尺測(cè)圖，則需采用3°分帶。它規(guī)定從經(jīng)度1.5°的子午線起，自西向東以經(jīng)差3°化為一帶，將整個(gè)地球劃分成120個(gè)投影帶并順序編號(hào)，叫做高斯3°投影帶（簡(jiǎn)稱3°帶）。這種劃分法，可使其奇數(shù)帶的中央子午線各與6°帶的中央子午線重合，而其偶數(shù)帶的中央子午線各與6°帶的分帶子午線重合，如圖2所示。顯然，3°帶各帶的中央子午線經(jīng)度分別為3°、6°……126°……360°，3°帶的分帶子午線的經(jīng)度依次為1.5°、4.5°……124.5°、127.5°……。

在掌握了以上測(cè)量投影分帶常識(shí)后，我們就可以運(yùn)用手中所掌握的資料，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地形圖、工區(qū)設(shè)計(jì)圖、目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)（包括大地坐標(biāo)B、L和平面直角坐標(biāo)X、Y）等來確定工作區(qū)中央子午線經(jīng)度。

1.1 根據(jù)投影帶號(hào)確定工作區(qū)中央子午線經(jīng)度。如果我們用L0代表中央子午線經(jīng)度；以N3、N6分別代表3°帶和6°帶帶號(hào)，根據(jù)上述投影分帶關(guān)系可以得出兩個(gè)這樣的計(jì)算公式：

L₀=N₃×3°（1）

L₀=N₆×6°-3°（2）

那么確定帶號(hào)值就成了問題的關(guān)鍵，這對(duì)于測(cè)量專業(yè)技術(shù)人員不在話下，而對(duì)于初學(xué)者和非專業(yè)技術(shù)人員來說就成了難題，其實(shí)在我們工作區(qū)域內(nèi)的已知平面直角坐標(biāo)或地形圖圖框中標(biāo)定的平面直角坐標(biāo)Y值已經(jīng)標(biāo)明了帶號(hào)。我國(guó)區(qū)域內(nèi)帶號(hào)為兩位數(shù)值，八位Y值整數(shù)位（單位米）最前面的兩位數(shù)值就是帶號(hào)，如21、22；42、43等，只要我們把所確定的帶號(hào)數(shù)值帶入上述公式，既可算出該工作區(qū)域的中央子午線經(jīng)度。另外在如何區(qū)分3°帶號(hào)和6°帶號(hào)時(shí)只需把握兩點(diǎn)即可，一是2.5萬(wàn)分之一以下的小比例尺地形圖所標(biāo)定的帶號(hào)一般為6°帶帶號(hào)；而1萬(wàn)分之一以上的大比例尺地形圖所標(biāo)定的帶號(hào)一般為3°帶帶號(hào)；二是就一定的行政區(qū)域內(nèi)來說，如一省、一市只有屈指可數(shù)的幾個(gè)帶號(hào)，且3°帶號(hào)是6°帶號(hào)數(shù)值的一倍左右，很好區(qū)分，就吉林省來說，常用的3°帶號(hào)只有21、22兩個(gè)；6°帶號(hào)只有41、42、43、44四個(gè)，很容易掌握。例如，我們知道在吉林省某地區(qū)施工，所用地形圖顯示為22帶投影坐標(biāo)，由上述知識(shí)即可知該圖為6°帶投影，將22代入公式（2）計(jì)算得知該工作區(qū)域的中央子午線經(jīng)度L0=22×6°-3°=129°。

1.2 根據(jù)大地坐標(biāo)值（L）來確定工作區(qū)中央子午線經(jīng)度。有時(shí)我們只有工作區(qū)或目標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)（B、L）值，而設(shè)計(jì)圖紙的平面直角坐標(biāo)值又沒有標(biāo)出帶號(hào)，這怎么辦呢？這時(shí)我們只好用大地坐標(biāo)L值來確定工作區(qū)的中央子午線經(jīng)度。

用大地坐標(biāo)L值來確定工作區(qū)的中央子午線經(jīng)度需按以下步驟進(jìn)行，首先是要用手中的資料或設(shè)計(jì)圖判定是進(jìn)行6°帶設(shè)置還是3°帶設(shè)置，一般來說，除特殊要求外，2.5萬(wàn)分之一以下的小比例尺地形圖均為6°分帶，然后，利用已知工作區(qū)或目標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)L值計(jì)算出所在投影帶的分帶號(hào)，將帶號(hào)代入上述公式即可算出中央子午線經(jīng)度。利用大地坐標(biāo)L值計(jì)算帶號(hào)的方法是： 6°帶帶號(hào)算法是用L值整數(shù)位除以6 ，取整數(shù)商加1，例如，已知目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度L為127°18′35″，根據(jù)計(jì)算得知其分帶號(hào)是22（127÷6＋1=22）；3°帶帶號(hào)算法是將L值換算成度除以3按四舍五入取整數(shù)值即為帶號(hào)，例如，已知目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度L為127°18′35″，根據(jù)計(jì)算得知其分帶號(hào)是42（127.31÷3=42.437， 四舍五入取整數(shù)值即為42）。

另外對(duì)于已掌握投影分帶常識(shí)的用戶來說，還可以用圖示直觀法直接確定中央子午線經(jīng)度，具體方法是：利用已知工作區(qū)或目標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)L值與接近的分帶子午線經(jīng)度作比對(duì)，經(jīng)比對(duì)即可直接確定該工作區(qū)域中央子午線經(jīng)度。，例如，已知使用資料為6°帶坐標(biāo) ，目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度為127°18′35″，根據(jù)（圖2 ）6°投影分帶的圖示可知22帶分帶子午線經(jīng)度為126°至 132°，該目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度正好在此投影帶內(nèi)，由此即可確定該工作區(qū)的中央子午線經(jīng)度為129°

1.3 其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：在我國(guó)境內(nèi)中央子午線經(jīng)度應(yīng)設(shè)置為東經(jīng)E，投影比例參數(shù)為1，東西偏差為500000，南北偏差為0，并設(shè)單位為米。一般情況下，這些參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。

2. 自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（User）投影參數(shù)的確定

在確定自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（User）投影參數(shù)之前，首先要判定手中的資料（地形圖、設(shè)計(jì)施工圖、已知點(diǎn)坐標(biāo)等）是何基本坐標(biāo)系統(tǒng)，如是北京坐標(biāo)系、西安坐標(biāo)系還是其他地方坐標(biāo)系統(tǒng)，只有這樣才能計(jì)算使用與之相適應(yīng)的投影參數(shù)，以免張冠李戴，造成不必要的麻煩。

2.1 自己觀測(cè)計(jì)算。新機(jī)拿到手之后，供應(yīng)商都給提供一個(gè)投影參數(shù)，這對(duì)于要求不高的一般用戶來說基本可以滿足工作需要，而對(duì)于一些專業(yè)用戶來說，就要自己來測(cè)算參數(shù)。一般型號(hào)的導(dǎo)航型手持GPS自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（User）投影參數(shù)設(shè)置界面都提供了五個(gè)變量（△X、△Y、△Z、△A、△F）需要設(shè)置，而實(shí)際工作中，后兩個(gè)參數(shù)（△A、△F）針對(duì)某一坐標(biāo)系統(tǒng)來說為固定參數(shù)（北京54坐標(biāo)系△A=-108、△F=0.0000005），無(wú)需改動(dòng)，需要自己測(cè)算的參數(shù)主要為前三個(gè)（△X、△Y、△Z），一般稱為三參數(shù)。

測(cè)算三參數(shù)的基本方法是，首先在已知控制點(diǎn)上測(cè)量一個(gè)穩(wěn)定的WGS-84大地坐標(biāo)（B、L）值，然后，運(yùn)用專用測(cè)量程序既可算出一個(gè)三參數(shù)來。三參數(shù)計(jì)算出來后，將其輸入GPS中再到已知控制點(diǎn)上觀測(cè)比對(duì)，最好再到另一已知控制點(diǎn)上觀測(cè)檢校，如比對(duì)檢校差值在規(guī)定允許誤差范圍之內(nèi)，既可運(yùn)用于實(shí)際工程測(cè)量工作。一般來說，只要到一新工區(qū)或工程點(diǎn)間距較遠(yuǎn)（數(shù)十至上百公里以外）都要到已知控制點(diǎn)上重新進(jìn)行觀測(cè)比對(duì)檢校，沒有問題才能進(jìn)行實(shí)際工作。

2.2 搜集使用經(jīng)驗(yàn)成果。在導(dǎo)航型手持GPS的實(shí)際應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分使用者，不掌握三參數(shù)的計(jì)算程序和計(jì)算方法，那么只好靠搜集使用一些經(jīng)驗(yàn)成果，把搜集來的三參數(shù)輸入GPS后到已知點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)比對(duì)，只要滿足工程施工的精度要求，就可直接應(yīng)用于實(shí)際工作，無(wú)需自己進(jìn)行測(cè)算。搜集三參數(shù)經(jīng)驗(yàn)成果有許多途徑，如經(jīng)銷商、測(cè)繪管理部門、同行、同學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)等。

在近年的實(shí)際工作中，筆者運(yùn)用專業(yè)測(cè)量型高精度GPS在吉林省內(nèi)部分地區(qū)觀測(cè)計(jì)算了部分三參數(shù)（北京54坐標(biāo)系統(tǒng)），列表如下，以供參考使用(表1)。

另外需要說明的是，如果外業(yè)觀測(cè)比對(duì)檢校超限(一般型號(hào)的手持GPS限差為15m)，應(yīng)主要從以下三方面查找原因，一方面從外業(yè)觀測(cè)計(jì)算過程查找原因，主要察看在已知控制點(diǎn)上測(cè)量的WGS-84大地坐標(biāo)（B、L）值成果是否正確、已知坐標(biāo)成果是否可靠、所使用程序及計(jì)算過程是否合理正確；第二方面就需察看搜集使用經(jīng)驗(yàn)成果的來源是否正確可靠；第三方面需察看GPS本身是否有問題，如兩臺(tái)GPS在輸入同一三參數(shù)時(shí)，觀測(cè)成果和已知點(diǎn)成果比對(duì)，嚴(yán)重超差的那一臺(tái)就有可能是GPS本身出了問題。解決了所有的問題之后相信您一定能夠得心應(yīng)手使用GPS來完成您的各項(xiàng)工作。

［文章編號(hào)］1619-2737（2008）10-07-050

［作者簡(jiǎn)介］孟慶森（1958.1-），男，1980年8月畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)校測(cè)繪專業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事于野外地質(zhì)工程測(cè)量工作，從2000年開始接觸使用過多種型號(hào)的單 、雙頻GPS，其中主要包括導(dǎo)航型手持GPS和單雙頻測(cè)地型 GPS。