导航型GPS野外使用中的几个技术问题分析

1导航型GPS野外使用中的几个技术问题分析摘要：导航型GPS在日常活动中日益得到普及，用户坐标的精度，取决于坐标转换参数的求取。野外使用方法对提高其定位精度和可靠性也十分重要。关键词：导航型GPS；坐标转换参数；坐标格式设定；使用技巧一、前言GPS是美国从1973年开始组织海陆空三军研究，于1994年全面建成的授时与测距导航系统/全球定位系统，简称GPS。GPS导航与定位具有全球性、全天候、连续性；实时提供三维坐标、定位精度高、功能多、操作简单等优良特性。我国从二十世纪八十年代初期开始利用，随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。导航型GPS定位仪（一般称手持GPS）是目前在测绘、地矿、农林、水利、海洋和城市建设等领域广泛使用的定位仪器。为了在野外更好的使用导航型GPS定位仪，下面就坐标转换参数求取、坐标格式设定、野外使用技巧三个方面阐述如下，以供参考。二、坐标转换参数求取GPS卫星星历所使用的坐标是WGS-84坐标系统，我国使用的地图资料属于1954年北京坐标系或1980年西安国家大地坐标系。由于不同的坐标系统之间存在着平移和旋转的关系（在无SA影响下，WGS-84坐标系与54北京坐标系之间的误差约为50米，54坐标y值东偏30米左右，x值南偏40米左右），所以要使导航型GPS所测量的数据转换为自己需要的坐标，必须进行坐标转换。目前，转换后的绝对定位精度可达到10米内，甚至更高。1．WGS-84坐标系与国家坐标系转换的一般方法WGS-84坐标系与国家坐标系转换通常是在空间直角坐标系统中进行的。为此，必须首先将两坐标系统各自的大地坐标（B,L,H），按下列关系式转换为相应的空间直角坐系（X,Y,Z）:其中，N为椭球卯酉圈曲率半径（N=A/(1-e2sin2B)1/2；H=h+δ(该处H为该点我国坐标系中的大地高；h为正常高；δ为高程异常值)。由于WGS-84坐标系与国家坐标系（地球参心坐标系）的原点位置与坐标轴的指向一般都不相同，转换时除考虑上述差异外，还要考虑其间可能存在的尺度差异。下面给出坐标转换的实用公式：上式中含有7个基准转换参数，即3个平移参数（△X0,△Y0,△Z0），3个旋转参数（ωx，(N+H)cosBcosL(N+H)cosBsinL[N(1-e2)+H]sinBXYH＝T++TCTS=XYZ0-ZYXZ0-XY-YX0Z△X0△Y0△Z0XYZωxωxωxm公式1公式22ωx，ωx）和一个尺度因子m。七参数法一般用于转换精度要求较高的测量，计算复杂，需用专业软件求取。2．导航型GPS定位仪WGS-84坐标系与我国家坐标系转换方法导航型GPS用户坐标转换参数一般采用三参数法，即3个平移参数（△X0,△Y0,△Z0），是把WGS-84坐标系的空间直角坐标原点平移到用户坐标系的原点。公式为：由于WGS-84坐标系与用户坐标系参考椭球参数不同，所以必须以用户坐标系的参考椭球参数重算而达到两坐标系的转换。目前，市场上销售的导航型GPS无我国坐标系统，必须输入其参考椭球信息。一般要求输入：DA(为WGS-84椭球长半轴减去用户椭球长半轴的差值，单位为米),DF(为WGS-84椭球扁率减去用户椭球扁率的差值)。WGS-84坐标系和我国家坐标系，其各自参考椭球的有关参数见下表：项目WGS-84坐标系北京54坐标系西安80坐标系长半轴A6378137m6378245m6378140m扁率F1/298.2572235631/298.31/298.257第一偏心率E20.006694379990130.0066934270.0066943853．实际应用（以北京54坐标系为例）⑴．首先收集工作区域内国家GPS“B”级网三个以上网点的WGS-84坐标系大地经纬度（B、L），大地高H及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δ。⑵．采用坐标转换软件求取各坐标系的空间直角坐标X，Y，Z。⑶．求取五参数DX,DY,DZ,DA,DF。一般手持GPS是要求用GPS-84坐标系的X，Y，Z及A，F值，减去54北京坐标系的对应值。DA值为－108m，DF值为0.0000005(有的手持GPS的DF值输入时乘1000)。在我国区域使用时DA,DF值不变，3个平移参数各区域有所不同。⑷．输入参数后，应到实地检核，检验这五个参数是否正确。一般在国家控制点进行测量，比较结果超过仪器标称精度，则应重新计算转换参数或查找原因。特别要注意仪器要求的参数互差方向问题。⑸．2000年5月1日，美国关闭SA，其定位精度得到提高且相对稳定。如果不输入平移三参数，此时的用户精度为50米左右（一般y值东偏35米左右，x值北偏35米左右）。五参数全部输入，根据我在鄂尔多斯盆地的使用的情况一般在5米之内。三、坐标格式设定1．地图投影我国坐标系统现节段使用的有1954年北京坐标系和1980年西安国家大地坐标系。地图投影采用高斯－克吕格投影。高斯投影的分带以经差为6°或3°将全球分为60个或120个投影带。前者称为6°投影带，后者称为3°投影带。6°投影带号N与中央子午线经度L0的关系为：L0＝N6×6－3。3°投影带号与中央子午线经度的关系为：L0＝N3×3。我国境内最西为第13投影带，最东为第23投影带，全国共用11个6°带。世界上现有一百多个国家采用UTM投影，UTM投影是通用横轴墨卡托投影的缩写。UTM投影的平面坐标等于高斯投影坐标乘以一个常数0.9996。UTM投影实际上是高斯投影的改良，两者的投影性质除长度比不同外，其它相同。+T84=XYZ△X0△Y0△Z0XYZ公式332．高斯－克吕格平面直角坐标系以高斯投影后的中央子午线作为纵坐标轴（x），以投影后赤道为横坐标轴（y），构成了国家统一的平面直角坐标系，既高斯坐标系。该坐标系纵坐标自赤道向北为正，向南为负；横坐标自中央子午线向西为负，向东为正。我国位于北半球，x值始终为正，而y值有正负。为使用方便，不让y值出现负值，规定x轴向西平移500公里，既y值加500公里。为了明确相同坐标值的点位于哪一带，统一规定在横坐标y值的前面加上该点所在投影带的带号。例如某点的横坐标值为19375000米，表示该点位于第19投影带，离中央子午线距离为375000米－500000米＝125公里；该点所在投影带的中央子午线经度L0＝19×6°－3＝111°。3．导航型GPS定位仪坐标格式设定导航型GPS默认坐标格式为大地经纬度（B、L），高程h。格式为：“hddd°mm′ss.s″”。在陆地我们一般常用高斯－克吕格平面直角坐标（x，y），手持GPS允许用户定义自己的坐标系。手持GPS网格坐标为东北系，既东坐标指我们的横坐标y，北坐标指我们的纵坐标x。在用户格式设定时，要求输入：用户所在地的中央子午线经度（LONGITUDEORIGN）,如第19带投影区域输入“E111°00.000′；投影比例参数（SCALE）,应输入“1.0000000”；东坐标（y轴）平移常数（SLSE‘E’）,输入“500000.0”；北坐标（x轴）平移常数（FALSE‘N’）,输入“0.0”。四、野外使用技巧1．无法求得平移三参数时，可在工区多个控制点上求得坐标差值（消除粗差）的均值，在最终用户坐标上加上坐标差值即可。精度可控制在10米以内。2.工作中经常使用时，应在驻地附近选一视野开阔，远离干扰源的点位作为检查点，在每次使用前进行检核。如差值较大，必须分析原因。目前情况下，一般是由于卫星星历不好，PDOP（位置精度因子）值太大造成的。避开此段时间即可。3.用手持GPS放样一点位，在点位附近时不要使用导航菜单，直接在实时坐标菜单下走到设计坐标。多停留一段时间，多测几次，可提高精度和可靠性。4．在边远山区、沙漠等人烟稀少地区，一定要养成对重要点位（包括驻地、水源、道路岔口、村舍等）的坐标要有记录和随身保存的习惯，并带足备用电池。五、结束语导航型GPS在日常活动中日益得到普及，其精度取决于仪器和卫星星历。但为了使用方便，必须提高坐标转换参数的精度。参考文献[1]周忠谟，等.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997[2]刘经南.坐标系统的建立和变化[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1995[3]沈琛，等.石油物探工程监督[M].北京：石油工业出版社，2004