摘要:GPS是一種采用WGS-84的地心地固坐標系統(tǒng)，而我國絕大多數(shù)應(yīng)用都集中在各種參心坐標系統(tǒng)上，因此，只有解決這兩種不同的空間坐標系的轉(zhuǎn)換才能更好地發(fā)揮GPS的作用。本文通過分析GPS的工作原理及GPS測量中的幾種常用坐標系統(tǒng)特點，針對測量過程中實現(xiàn)坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法及關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

關(guān)鍵詞:GPS 工程測量 坐標系統(tǒng) 參數(shù)轉(zhuǎn)換

1 GPS的工作原理

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群、地面監(jiān)控系統(tǒng)、測量用戶的衛(wèi)星接收設(shè)備三大部分組成。

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。如在需要的位置P點架設(shè)GPS接收機，在某一時刻t同時接收了3顆(A，B，C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置(3維坐標)。從而用距離交會的方法求得P點的3維坐標(XP，VP，ZP)，在GPS測量中通常采用兩類坐標系統(tǒng)，一類是空間固定的坐標系統(tǒng)(天球坐標系)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，稱地固坐標系統(tǒng) 地球坐標系)，我們在控制測量中常用地固坐標系統(tǒng)(如:WGS-84世界大地坐標系和1980年西安大地坐標系統(tǒng))。在實際使用中需要根據(jù)坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標系統(tǒng)的坐標，這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果。

2 GPS測量常用坐標系統(tǒng)的比較

2.1 WGS-84坐標系 WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標系統(tǒng)的。WGS-84坐標系統(tǒng)的全稱是World Geodieal System一84(世界大地坐標系-84)，它是一個地心地固坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時GPS所采用的坐標系統(tǒng)-WGS-72坐標系統(tǒng)而成為GPS的所使用的坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系的坐標原點位于地球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。采用橢球參數(shù)為:

a=6 378 137mf=1/298.257 223 563

2.2 1954年北京坐標系 1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系，是一種參心坐標系統(tǒng)。該坐標系源自于前蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標系。該坐標系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球，該橢球的參數(shù)為:a=6 378 245mf=1/298.3。我國地形圖上的平面坐標位置都是以這個數(shù)據(jù)為基準推算的。

2.3 地方坐標系(任意獨立坐標系) 在我們測量過程中時常會遇到的如一些某城市坐標系、某城建坐標系、某港口坐標系等，或我們?yōu)榱藴y量方便而臨時建立的獨立坐標系。

3 GPS測量過程中坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

在工程應(yīng)用中使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)是WGS-84坐標系數(shù)據(jù)，而目前我們測量成果普遍使用的是以1954年北京坐標系或是地方(任意)獨立坐標系為基礎(chǔ)的坐標數(shù)據(jù)。因此必須將WGS-84坐標轉(zhuǎn)換到BJ-54坐標系或地方(任意)獨立坐標系。

目前一般采用七參數(shù)法與三參數(shù)完成WGS-84坐標系到北京54坐標系的轉(zhuǎn)換，得到北京54坐標數(shù)據(jù)。

我們城市測量主要是進行較小區(qū)域內(nèi)兩個橢球間的坐標轉(zhuǎn)換，一般而言比較嚴密的是用七參數(shù)法(包括布爾莎模型，一步法模型，海爾曼特等)，即X平移，Y平移，Z平移，X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K。要求得七參數(shù)就需要在一個地區(qū)需要3個以上的已知點，如果區(qū)域范圍不大，最遠點間的距離不大于30Km(經(jīng)驗值)，這可以用三參數(shù)(莫洛登斯基模型)，即X平移，Y平移，Z平移，而將X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K視為0，所以三參數(shù)只是七參數(shù)的一種特例。

工程實踐過程中，作業(yè)隊伍在進駐工區(qū)以后，首先應(yīng)著手搜集工區(qū)已有的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在新工區(qū)或者沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)的工區(qū)應(yīng)當(dāng)首先考慮搜集相鄰工區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并做檢驗對比，合格后方可使用。在上述方案失敗后，操作步驟可參考以下順序:如工區(qū)內(nèi)有WGS-84成果點(1個或者多個)，可在控制網(wǎng)布設(shè)時聯(lián)測這些WGS-84點做全網(wǎng)起算，在無約束平差(最小約束平差)后，獲得經(jīng)過平差以后的WG

S-84成果，再利用相關(guān)軟件(如:Powadj，KLseis等)或者TGO軟件的點校正實現(xiàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。

如果工區(qū)內(nèi)沒有WGS-84成果點，考慮到《規(guī)范》的滯后性，可以首先考慮長距離聯(lián)測國際臺站，然后通過網(wǎng)絡(luò)PPP(precise point pointing)或者武測Trip單點定位軟件解算得到GPS控制網(wǎng)點的精確WGS-84坐標。目前國際上通用的網(wǎng)絡(luò)PPP主要有:AUSPOS-GPS和CSRS-PPP，上述三個軟件都需要經(jīng)過嚴密改正天線高的RINEX格式文件，其中AUSPOS-GPS和CSRS-PPP都需要網(wǎng)絡(luò)良好，一般lh以內(nèi)均可以得到解算結(jié)果，Trip軟件需要下載與觀測數(shù)據(jù)匹配良好的精密星歷文件，故也需網(wǎng)絡(luò)支持。CSRS-PPP(WWW.geod.nrcan.gc.ca)使用前，用戶必須用國際通用郵箱(如搜狐、雅虎等)注冊，解算結(jié)果會發(fā)到用戶郵箱中。

AUSPOS-PPP(WWW.ga.gov.au/bin/gps.p1)不須注冊，但是用戶也必須使用國際通用郵箱接收解算文件。武測Trip軟件目前版本是v1.0，用戶可以免費使用50次。精密星歷數(shù)據(jù)可以通過如下IGS網(wǎng)站下載。經(jīng)過我們實際對比，利用PPP解算得到的站點精確WGS-84坐標解算出來的轉(zhuǎn)換參數(shù)精度較高，完全滿足《規(guī)范》的相關(guān)要求。故我們建議對此方法進行推廣使用。

另外需注意，在作業(yè)隊伍自己求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時，無論采用哪一種方法，工區(qū)所采用的其它控制點的WGS-84坐標的起算數(shù)據(jù)必須基于用作求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的點的成果。

4 結(jié)束語

通過運用軟件技術(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度是可信的，能夠滿足一般工程測量對精度的要求，如果要提高測量結(jié)果坐標轉(zhuǎn)換的精度，需要進行衛(wèi)星星歷預(yù)報，選擇最佳時段采集數(shù)據(jù)，然后在坐標轉(zhuǎn)換過程中選擇旋轉(zhuǎn)、平移和尺度比三種參數(shù)進行反復(fù)計算研究，以提高轉(zhuǎn)換的精度。

參考文獻:

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