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GPS手持机野外的校正方法

点击量:  发表日期:2017-11-27 17:26


        手持式GPS是一种利用新一代卫星导航与定位系统(globalpositioningsystem,GPS)相结合、体积小巧、携带方便、独立使用的定位导航设备,具有全天候、全方位实时三维导航与定位能力,有高灵敏度、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,我院在对手持式GPS机性能和定位精度研究的基础上,将其运用于中小比例尺的地质填图、物化探测网布设工作中,既大大提高了工作效率、节约了成本。

       在GPS定位技术的应用和发展过程中,根据不同的市场需求,生产厂家研制生产出了不同用途和型号的接收机.无论是高精度的测量型GPS,还是导航型手持GPS,其所提供的坐标都是以美国的WGS-84坐标系统而建立的,而我们的地质工作底图使用的是1954年北京坐标系(北京54系)或1980西安坐标系(西安80系),不同的坐标系统之间按一定的数学模型可计算出其间的转换关系,也就是我们常说的转换参数.转换参数的确定给我们使用GPS提供了便利.我们把求取转换参数的工作过程称为GPS的校正。我们以我院现有的几款手持GPS的校正过程做下介绍。

1手持GPS校正前的几项准备工作

在进行手持GPS校正前,我们首先要确定工区测量使用的坐标系统,其次要确定工作区底图的坐标分带.从而确定该坐标带的中央子午线,这样才可以保证手持GPS机所测的坐标和地质底图的使用坐标是一致的。

1.1确定工作区坐标系统

我们居住的地球的形状大致为赤道方向略长、两极方向略偏,以南北两极为轴的旋转椭球体。为确定地球表面的地物及空间点相对地球的空间位置,人们定义了不同的椭球体模型,不同的椭球体模型按照不同的投影方法定义了不同的坐标系统。下表是我国现行使用中的几种坐标系统对应椭球名称和椭球参数:

其中,1954年北京坐标系已基本退出测绘舞台,只有少数特定工作区还在采用该坐标系统;1980西安坐标系是我们现在工作中主要采用的坐标系统;2000中国大地坐标系已于2008年7月1日启动使用,我们现有的测绘成果将逐步过渡到该坐标系。

在同一坐标系中,对于同一个空间点的坐标有两种表示形式:空间直角坐标(X,Y,Z)和大地坐标(B,L,H),这两种坐标是可以通过公式直接转换的,也可以通过一些坐标转换软件直接转换,比如广州中海达测绘仪器有限公司的静态测量后处理软件。我们现有的手持GPS机对空间点的两种坐标表示形式都可以通过设置进行实时显示。

工作区坐标系统可以通过《工作区工作设计》进行确认;也可以通过工作区工作底图来获取,在工作底图的图框左下角都标明该图成图坐标系统和高程系统。

1.2确定工作底图的坐标分带

(1)地形图投影分带

我国规定l:l万~1:50万国家基本地形图均采用高斯一克吕格投影,其中l:2.5万~1:50万采用经差6°分带,l:1万采用经差3°分带。在高斯一克吕格投影上,规定以中央经线为X轴,赤道为Y轴,两轴的交点为坐标原点。X坐标值在赤道以北为正,以南为负;Y坐标值在中央经线以东为正,以西为负。我国在北半球,X坐标皆为正值。Y坐标在中央经线以西为负值,运用起来很不方便。为了避免Y坐标出现负值,将各带的坐标纵轴西移500km,即将所有Y值都加50Okm。

6°分带投影,即经差为6°,从零度子午线开始,自西向东每个经差6°为一带,用1,2,3,……表示。全球共分60个带,即东经0°~6°为第l带,其中央子午线经度为东经3°,东经6°~12°为第2带,其中央子午线经度为9°,依次类推。

3°分带投影,从东经1.5°的经线开始,每隔3°为一带,用l,2,3,……表示,全球共分12O个带,即东经1.5°~4.5°为第1带,其中央子午线经度为东经3°.东经4.5°~7.5°为第2带,其中央子午线经度为东经6°,依次类推。

(2)工作区带号的确定

①利用地形图确定:地形图上公里网横坐标(8位整数)前2位就是带号,例如,横坐标为28616249,其中28即为带号。

②利用已知坐标点经度(以度表示)确定:6°带带号是经度整数值除以6加上1的整数值,3°带带号是经度除以3后的四舍五入取整数值。如经度为79°46′35″,其6°分带号是l4(79÷6+1=14),3°分带号是27(79.78÷3=26.59)。

(3)如何确定是3°分带还是6°分带

①根据地形图比例尺来确定:一般情况下1:1l万以上的大比例尺地形图所标定的带号为3°带带号,1:1万以下的中小比例尺地形网所标定的带号为6°带带号。

②根据工作区已知坐标点横坐标和工作区经度来确定:如某工作区点A横坐标为28616249,其中28为带号,工作区经度85度左右,所以该坐标系为3°带坐标系,28×3=84,而不可能为6°带:28×6=168。

(4)工作区中央子午线(中央经线)经度的确定

6°带:中央子午线经度=6°×当地带号-3°,例如,地形图上横坐标为21396000,其所处的6°带的中央子午线经度为:6°×21―3°=123°。

3°带:中央子午线经度=3°×当地带号,例如:地形图上横坐标为40551000,其所处的3°带的中央子午线经度为:3°×40=120°。

2手持GPS的校正方法(公司的老式GPS设置位于单位选项中)

WGS-84坐标系与北京54年坐标系或西安80坐标系之间是不同的椭球基准。因为同一个椭球里的转换可以是严密的,不同椭球之间的转换是不严密的,所以WGS-84坐标系与北京54年坐标系或西安80坐标系之间不存在一套全国通用的转换参数,而且每个地方都有差异。不同的椭球基准坐标系统之间的严密转换关系为七参数(Dx、Dy、Dz、Wx、wy、Wz、K,它们分别是X、Y、Z三轴的平移与旋转及比例系数K)。由于手持GPS单机定位精度要求并不高,一般在3~10m。因此手持GPS的转换参数选用了近似七参数.也就是我们常用的三参数Dx、Dy、Dz;忽略了旋转参数Wx、Wy、W2,实际上旋转参数也非常小;比例参数默认为1。

现在使用的手持GPS机按照校正方法的不同主要有两类,其中一类是传统型手持GPS,如佳明Garmin、麦哲伦、集思宝、彩途等厂家生产的手持GPS;另外一类新型手持GPS,如中海达Q5手持GPS(如图:中海达Q5)、南方测绘的S750手持GPS等。两类手持GPS校正过程均采用三参数转换,新型手持GPS自身都装载有专门的参数转换软件,操作简单、相对比较方便,本文不做介绍,下面我们介绍传统型手持GPS校正方法。

使用佳明Garmin手持GPS机到一个新的工区作业时,首先要对手持GPS机进行参数设置,确定工区自定义坐标格式(UserUTMGrid),根据前面的介绍输入正确的投影关系参数,“中央经线”为当地地图投影的中央子午线,“投影比例”值为1,“东西偏差”值为500000m,“南北偏差”值为0m。,然后就是进行GPS校正,求取转换参数。在转换参数设置界面有五个参数需要设置,其中Dx、Dy、Dz就是我们所说的三参数,是需要我们求取的;Df、Da是固定常数,其中Df是WGS84椭球扁率与目标椭球扁率之差,Da是WGS84椭球与目标椭球长半轴之差。Df、Da具体数字如下表:

正常求取三参数Dx、Dy、Dz需要知道已知点的WGS-84坐标系和北京54坐标系(或西安80坐标系)坐标的空间直角坐标数据,但北京54系(或西安8O系)坐标的空间直角坐标数据一般需要特定的计算机坐标转换软件来求取,而我们在野外工作的时候基本上是只有手持GPS接收机,这就无法实现参数的常规求取方法,为此我们提出了如下简易方法,以方便快速准确地求取三参数。

首先我们根据搜集到的已知控制点的资料找到其中一个控制点,校正人员拿该手持机站在控制点上方,将三参数Dx、Dy、Dz全部设置为零,这样手持机测得的坐标值同该控制点的已知成果存在一个差值,分别计算相对应差值得到的数值就是三参数Dx、Dy、Dz,将计算得到的三参数输入手持机,重新检查手持机测得的坐标值,计算新得到的坐标值与已知点成果的差值,根据差值修正三参数Dx、Dy、Dz,修正后的三参数Dx、Dy、Dz再输入手持机,就这样重复修正三参数Dx、Dy、Dz,直到手持机测到的坐标值与已知点成果差值小于5m,此时的三参数Dx、Dy、Dz即为我们求取的最终参数。

为了验证求取的三参数是否正确,我们需要到第二个已知控制点上进行检查测量,如果检查坐标精度小于5m,说明我们的求取的三参数正确,GPS校正成功,参数转换完成。如果精度大于5m,我们还要根据测的坐标值和第二个控制点的成果做差值计算,对三参数进行修正,直到精度满足为止。然后返回到第一个控制点或到第三个控制点重新检查三参数是否正确,这样重复修正三参数直到满足精度要求。根据我们野外作业经验,三参数在参与校正控制点50km半径范围是可以满足中小比例尺的地质工程测量精度要求的。

传统型的手持GPS机的平面精度可以控制在3~10m,但它的高程精度非常的差,我们一般只采用该类型手持GPS机的平面坐标X、Y,而不采用它的高程Z,所以在进行求取三参数Dx、Dy、Dz时,我们可以只做Dx、Dy的求值计算,忽略Dz的计算,以便提高三参数的求取速度。