手持GPS定位精度及在物化探测网布设中的应用

1手持GPS定位精度及其在物化探测网布设中的应用刘述敏1丁志江2常和平2刘涛2(1.青岛地质工程勘察院，山东青岛266071；2.山东省第二地质矿产勘查院，山东兖州272100；)摘要：对手持式GPS性能进行了系统测试，并介绍了坐标系转换过程中内置参数的求解方法，通过系统参数校正，能使其定位精度远远大于其标称的10-15m精度，可以满足中大比例尺物化探测网布设的技术要求。关键词：手持式GPS精度试验应用手持式GPS是一种体积小巧、携带方便、独立使用的定位导航设备，它利用新一代卫星导航与定位系统(GlobalPositioningSystem-GPS)，具有全天候、全方位实时三维导航与定位能力，以高灵敏度、高精度、自动化、价廉、使用方便等特点，已广泛应用于大地测量、地质调查、资源勘查等众多领域。近年来，我们在对手持式GPS机性能和定位精度研究的基础上，将其运用于中大比例尺的物化探测网布设工作中，即大大提高了工作效率、节约了成本，又大大增加了地质工作手段的技术含量，起到了较好的应用效果。一、定位稳定性试验定位精度是建立在设备的稳定性能之上的，也是评价其可靠性的基础，一台仪器如果长时间不能稳定，或在不同的时间段，其测量的结果差异很大且差异毫无规律，这样的仪器是无法谈论其精度和可靠性的。因此，工作之前，对使用的仪器性能进行测试是十分必要的。影响手持式GPS定位稳定性主要有以下两个方面，一是仪器测定一个点，需要观测多长时间，其观测结果才稳定不变，或在一定范围内变化；二是在同一测点，不同时段，测量结果是否稳定在一定的范围内。1、稳定时间试验试验中，分别采用了3台eTrex小博士在两个测点进行了重复测试，在同一测点每10秒记录一次观测结果，其观测结果见表1。坐标值仅列出后三位数，表中0.0表示动态观测结果，即到达该点时，开机收到卫星信号时立即记录下的观测结果。2表1手持式GPS不同时长的观测结果观测时长(s)1号测点2号测点仪器1仪器2仪器3仪器1仪器2仪器3xyxyxyxyXyxy0.002241902541102541603440703240403240410.002241702441402141603340603140303240420.002141702241502041703240603140303240430.002041702141601941703240603140603240640.002041702041601941703240503140603240650.0021417021416020417032405031406032406120.0020417021416019417032405030405031406180.0021416020417019417031406031405032405从表1中可以看出，实时定位(冷启动)时坐标值相差较大，仪器3中y值互差最大值为6m。在同一测点持续观测30s以上的时长时，三台仪器基本都进入稳定状态，各自测定的x、y坐标值互差在1m以内。不同仪器之间测定的x、y坐标值互差也在2m以内。2、不同时段稳定性试验在同一测点不同时间进行重复观测来确定仪器的稳定性。试验中在5个测点分当天和次日两个时间段进行观测，每个时间段分0、120秒、300秒三个时长重复观测三次，其观测结果较差见表2。表2不同时段观测结果坐标较差点号15日-16日0.0s120.0s300sDx1Dy1Dx2Dy2Dx3Dy31+1+2+3-8+5-22-70+1-1+1-13-2+20-2+1-44-28+10+30+3-25-2+1+2-1-1-1从表2可以看出，实时定位(0.0s)的测量值较差较大，持续观测120s以上，除1点受建筑物遮挡较差较大外，其它点较差均较小。将表中数据代入公式1来确定其稳定度。nddm2''(1)式中d′为不同时段观测结果较差，n为较差个数。通过计算，实时定位的稳定度为3±9.76m，120s、300s稳定度分别为±3.05m、±2.51m，说明不同时段测量，实时定位稳定性差，而持续观测一定时间后其稳定度较高。二、系统参数校正手持GPS所使用的坐标系统基本都是WGS-84坐标系统，而我们使用的主要是1954年北京坐标系，不同坐标系之间存在着平移和旋转的关系，要使手持GPS所测量的数据转换为北京坐标系的坐标，必须进行系统参数校正，求出两个坐标系之间的转换参数。手持GPS接收机内部设置的是五参数法，因此只要计算出五个参数（DX、DY、DZ、DA、DF）并按提示输入即可在仪器上进行系统参数校正。具体计算方法如下。1、在应用手持GPS接收机观测的区域内找出三个以上分布均匀的等级点（精度越高越好）或GPS“B”级网网点，并到测绘管理部门抄取这些点的54北京坐标系的高斯平面直角坐标(x、y)，大地经纬度（B、L），高程h，高程异常值ξ和WGS-84坐标系的大地经纬度（B、L），大地高H。2、如果收集到的只是北京54坐标，必须在收集到的高等级控制点上分别测量B、L、H值（即WGS-84坐标），供计算转换参数时使用。3、如果收集到的只是高斯平面直角坐标（x,y），则应把平面直角坐标（x,y）代入高斯投影反算公式(可用Mapgis软件完成)求出大地坐标值（B，L）。4、根据测量到的大地坐标值ＢWGS84、ＬWGS84、ＨWGS84和收集(或计算)到的ＢBJ54、ＬBJ54、ＨBJ54分别代入公式(2)求得三维直角坐标X1、Ｙ1、Ｚ1和Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2(可用Mapgis软件完成)，计算所用参数见表3。X=(N+H)cosBcosLY=(N+H)cosBsinL(2)Z=[N(1-e2)+H]sinB表3不同坐标系对应的椭球参数表项目WGS84坐标系BJ54坐标系A63781376378245e20.006694379990130.0066934270.006693421622966F1/298.2572235631/298.3计算所用参数中，A为大地坐标系对应椭球之长半轴；E2为大地坐标系对应椭球之第4一偏心率；F为对应椭球之扁率；N为该点的卯酉圈曲率半径，N=A/[1-e2(sinB)2]1/2。5、用计算的WGS84坐标系的X1、Y1、Z1、A1、F1减去BJ54坐标系X2、Y2、Z2、A2、F2即得出坐标系统转换的五个参数DX、DY、DZ、DA、DF。三、绝对定位准确度试验绝对定位准确度是指测量结果与真实值的符合程度，其准确度的高低将直接影响到仪器的应用效果，也是评价仪器能否符合工作要求的一个重要指标。因此，对仪器的稳定性测试和系统参数校正后，还需要对手持式GPS绝对定位准确度进行试验。首先将手持式GPS的位置格式选择“UserGrid”，在出现“USERUTMGRID”的页面时，依次输入测区中央子午线经度，E代表东经，投影比例参数为1.00000，东西偏差为500000m，南北偏差为0，并设单位为米。地图基准选择“User”，在出现的“(WGS84-LOCAL)”页面中输入计算的五个参数。其次，选定工作区内的已知控制点、图根点、工程点或一些视野开阔、GPS接收信号强的特征点（如线状地物交叉点、独立地物等）进行测量，然后找出这些点的理论坐标与之比较，验证其准确度。表4是以工区内已知工程点做为特征点所做的绝对定位准确度试验。从表中看出，X坐标最大误差为3.09m，Y坐标最大误差为2.54m，点位误差最小1.46m，最大4.00m，将数据代入公式1计算其绝对定位准确度为±1.93m。表4工区特征点测量结果对比表工程点已知X已知Y已知Z实测X实测Y实测Z△X△Y△Z√△△14028242.135464.93177.4082415464172-1.13-0.93-5.401.4610038191.785510.93170.9181905510167-1.78-0.93-3.912.0011067911.645772.69179.3079095774174-2.64+1.31-5.302.9315027757.465789.64178.2077555789174-2.46-0.64-4.202.5415047805.095834.54176.6878025832172-3.09-2.54-4.684.001704+7795.915850.68176.5477945849173-1.91-1.68-3.542.5417047779.745865.74176.7177775864172-2.74-1.74-4.713.2517037750.975830.60176.5777495829173-1.97-1.60-3.572.5419047759.085901.29175.6977585899172-1.08-2.29-3.692.5323037673.745926.53177.1676725925173-1.74-1.53-5.162.3227027641.196003.21176.6376396001173-2.19-2.21-3.633.8229037660.936054.28170.1076596052167-1.93-2.28-3.102.9927047724.906039.40167.2777236038161-1.90-1.40-6.272.36四、应用实例面积性物化探工作的测网一般为矩形和正方形规则网，要求测点均匀的分布测区，并在测定的采样点或物理点周围点线距的1/10范围内采样或观测记录。过去测网布设工作5总是由专业测量人员用经纬仪或全站仪来完成，这样即增加了项目成本，费力费时，又存在着测量人员与物化探人员的配合问题。现在使用手持式GPS，由物化探人员自己布点，大大提高了工作效率。试验工区位于低山丘岭区，拟开展的工作为1/万土壤及能谱测量，测网为100×20m，测线方位45°。按要求其测点误差应不大于4m，而手持式GPS绝对定位准确度完全满足此质量要求。工作中首先按设计的工区位置和范围用GIS将测网布设于地形图上，并读取测点坐标，制成测点理论坐标数据表。利用Mapsource将坐标数据传输至手持式GPS，野外工作时以导航寻点方式定点，进入航点2m范围稳定30s以上，读取测点坐标即为该点点位，将观测数据用Mapsource下载至计算机，用GIS即可绘制成测点平面图。五、结论1、手持式GPS实时定位稳定度低，需要持续观测30s以上，其观测结果才稳定有效。不同时段、多台仪器观测结果变化不大，其稳定度一般小于3.05m。2、手持式GPS需要进行坐标系转换，在坐标系转换过程中，进行系统参数校正，其参数可通过收集资料和计算求得。3、对手持式GPS进行绝对定位准确度试验，其准确度一般小于±2m，优于标称的10-15m精度。4、使用手持式GPS进行物化探测点布设，完全满足测点质量要求，即提高了工作效率、节约成本，又大大减轻了作业人员的劳动强度，也增加了工作的技术含量，减少了资料整理的中间环节。参考文献：［1］程新文等.手持式GPS定位精度研究[J].测绘通报,2004，(9):20-22.PORTABLEGPSPOSITIONPRECISIONANDAPPLICATIONOFTHEARRANGEMENTTOTHEGEOPHYSICALANDGEOCHEMICALEXPLORATIONNETLIUshu-min1,DINGzhi-jiang2,CHANGhe-ping2,LIUtao2(1.QingdaoGeologyandEngineeringinvestigationinstitute,Qingdao266071,China;2.NO.2InstituteofGeologyandMineralExplorationofShandongProvince,yanzhou272100,China)Abstract:SystematictesthavebeenundertakentothefunctionofportableGPS,andintroducedthemethod6forsolvingt