GPS—RTK参数转换与实践

CKXU · 发表于 2011-4-23 09:09

GPS—RTK参数转换与实践
GPS RTK(Real Time K inematic)定位是基于载波相位观测值的实时动态差分技术发展而来的,它能够实时提供测点在指定坐标系中的3维定位结果,并达到厘米级精度。它使用的是WGS－84坐标系统，目前我国绝大多数使用的是北京54坐标系统，还有使用众多的地方坐标系统，所以就存在坐标转换问题。
1、地球椭球体（Ellipsoid，Spheroid） 2、大地基准面（ Geodetic datum） 3、地理坐标系统（Geographic Coordinate System） 4、投影坐标系统（ Projected Coordinate System）    其中，地理坐标系统包含地球椭球体和大地基准面，即3包含1和2；    地球椭球体包含所选椭球的长半轴、短半轴和扁率。投影坐标系统包含所需的投影方式（常用的投影有高斯－克吕投影Gauss Kruger简称GK和墨卡托投影Mecator），即东伪偏移量、北伪偏移量、中央子午线、尺度、纬度原点和米单位等。所以提到的这些信息都是已知的或者包含在文件中，之所以需要转换参数，是因为大地基准面未知，它包含的信息就是转换参数，有了转换参数才能实行不同坐标系之间的转换。我们常用的坐标转换使用的是布尔莎7参数法： 1、DX－－X轴偏移量 2、DY－－Y轴偏移量 3、DZ－－Z轴偏移量 4、WX－－X轴旋转角度 5、WY－－Y轴旋转角度
      6、WZ－－Z轴旋转角度 7、K－－尺度其他三参数、四参数等都可以由7参数演变而来。三参数和四参数都不涉及角度旋转问题。目前，在OEM板的厂家，有的将某些坐标系统和WGS－84坐标系统之间的转换参数直接输入OEM主板，这是因为该坐标系统和WGS－84坐标系统之间有固定的转换关系。我国1954年北京坐标系（简称BJ54）与WGS－84的转换关系尚未被国际GPS生产厂家置入GPS接收机内，是因为我国地域广阔，所以不宜采用事先把某一套转换参数固定（置入）在GPS接收机中。因而不能采用在接收机内自动选择转换参数直接求得所需坐标的方法，只能在软件中采用转换参数的方法。在差分基准台（以下简称差分台）GPS接收机用户自定义条件下，由用户输入BJ54椭球参数和由WGS－84至BJ54的转换参数及差分台BJ54的经度、纬度和大地高（GPS天线到平均海水平面高与大地水准面差距之和），同时在移动台（或船台）GPS接收机自定义条件下，由用户输入BJ54椭球参数及坐标转换参数，并在其后处理软件中选择高斯投影方式（或中央子午线变形系数为1的UTM投影）输入中央子午线经度值。这样差分台和移动台同时进行实时坐标转换并通过数传进行差分定位，求得移动台BJ54坐标。另外，可采用强制符合转换法，其方法如下：由于我国各省市自治区尚未在国家GPS网内普遍加密GPS地区网，虽然部分城市已建  立GPS网，但尚未与国家网联测，所求的局部地区的坐标转换参数，尚有一定的局限性，因而各地区尚无精确的转换参数可选用，也就无法采用自定义转换参数法和后处理转换法。根据GPS测量的实践和体会，在此着重进行了在WGS－84坐标系中用差分台的BJ54坐标作为GPS坐标系中的强制符合基准值，进行近似转换的可行性和可靠性分析，认为强制符合转换法是一种可行的好方法，其基本做法如下：    在差分台、移动台均选择WGS－84坐标系，向差分台接收机输入该台BJ54精确大地坐标（B、L、h），同时在移动台后处理软件中选择高斯投影（中央子午线变形系数为1的UMT投影），差分台使GPS接收机所求点位WGS－84坐标与该点的BJ54坐标强制符合比较，使之获得一组强制约束伪距改正数，并通过数传对移动台WGS一84坐标系统中的伪距观测进行修正，获得移动台的BJ54。这种方法在UHF和VHF作用范围内，转换精度并不亚于自定义转换参数法，它可适用于地方坐标系和任一独立直角坐标系。一、转换为BJ54平面坐标一般的，椭球之间的转换，理论上应该使用七参数，但是由于任何两个椭球之间的转换都是不严密的，椭球之间的七参数也很难得到，所以实际测量中多使用单点校正的方法，求出GPS主机输出的坐标和实际坐标之间的平移参数。有些情况下，使用单点校正精度不能满足要求，就必须使用两点校正，求出四参数。有些情况下，由于高程上不是加权平均，而是存在平面拟合，此时使用七参数是一个解决方法，但是要注意七参数的获取方式，并且注意七参数中的三个旋转参数必须是秒级的（因为高程系统和XY 坐标系统存在一定的差异，下面会简单介绍高程处理）。二、转换为平面坐标如果地方坐标和BJ54间只有平移没有旋转，实际测量中使用单点校正的方法，求出GPS主机输出的坐标和实际坐标之间的平移参数。如果地方坐标和BJ54间既有平移又有旋转，使用单点校正不能满足要求，就必须使用两点校正，求出四参数。高程处理从理论上而言，平面坐标XY使用四参数是最精确的方法，高程使用高程拟合是最精确的方法。所以，在参数转换中，用四参数转换平面坐标，用高程拟合的方法转换高程是精度最好的方法。    高程拟合分为加权平均、平面拟合和曲面拟合三种。加权平均两个已知点以下即可；三个已知点以上六个已知点以下可以使用平面拟合；六个已知点以上可以使用曲面拟合。
对于第一种情况，只需要投影参数即可转换，例如北京54经纬度转换到北京54平面直角坐标，不需要另外提供转换参数；对于第二种情况，除了投影参数外还需要4个转换参数。参数需提供或根据2个已知点计算；对于第三种情况，就需要投影参数和7个转换参数。参数需提供或根据3个已知点计算。下面谈谈参数的计算方法。1、三参数－－1个已知点2、四参数－－2个已知点3、七参数－－3个已知点参数的计算可以使用坐标转换工具COORD.EXE。具体使用见工具帮助转换数据前先分析源数据的坐标系统信息，再针对情况是否需要投影参数和计算转换参数，或者投影参数一般是包含在文件中的，最后实现转换。
例如：连江海峡技术学院防洪排涝工程的坐标转换：（BJ54坐标）;
515 X=2904096.611; Y=446522.112 Z=6.899
516 X=2904128.854; Y=446625.706;    Z=9.680
517 X= 2903936.511; Y=445988.028 ; Z=29.207    转换西安80坐标。
                                 (表一)
                     高斯正算计算表(西安80)
      X前缀=0米       Y前缀=500000米       椭球：长半轴= 6378140米       1/扁率=298.257       第 2页
序号       点名       纬度B       经度L       中央子午线L0       纵坐标X       横坐标Y       高程Z
1       515       26.14406189       119.27515501       120       2904047.579       446479.947       6.870
2       516       26.14416805       119.27552779       120       2904079.822       446583.541       9.651
3       517       26.14353449       119.27323306       120       2903887.479       445945.863       29.178