1 WGS-84坐标系
WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化,并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系,WGS-84坐标系的原点在地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点,Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的,是在世界上建立一个统一的地心坐标系,所有利用GPS接收机进行测量计算的成果均属于WGS-84坐标系。
2 国家坐标系与地方坐标系
各国为进行测绘和处理其成果,规定在全国范围内使用统一坐标框架的坐标系统。中国1954至1980年采用的是1954年北京坐标系;1978年决定建立1980国家大地坐标系。
北京54坐标系前苏联1942年坐标系的延伸,它的原点不在北京而在前苏联的普尔科沃,但随着测绘新理念、新技术的不断发展,人们发现该坐标系存在着一定的缺点:椭球参数有较大误差;参考椭球面与我国大地水准面存在系统性倾斜;几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一;定向不明。因此,我国建立了属于自己的1980西安坐标系。1980年西安坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇,位于西安市西北方向约60公里,故称1980年西安坐标系,又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952至1979年确定的黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。但时至今日,北京54坐标系仍然是在我国使用最为广泛的坐标系。
而地方坐标系则是由于种种历史原因形成的独立坐标系,或是因建设、城市规划和科学研究需要而在局部地区建立的相对独立的平面坐标系统。以天津90任意直角坐标系为例。
1956年为保证天津港重大工程项目的顺利进行第一航务工程勘察设计院建立了新港建筑坐标系,1976年唐山大地震波及到天津,天津市整个控制网也遭到破坏,点位发生了位移,已使原有控制网精度无法满足工作需求。这样,1986年国测陕西第一大地测绘队又在天津港建立了新的二等三角网。1990年,天津市二网改造完成,施测中采用了邻边比率法新技术,并对天津市二等网进行了整体平差,建立起了90天津市任意直角坐标系。而90天津市任意直角坐标系则是现阶段天津地方建设主要应用到的坐标系。
3 坐标转换
首先几种坐标表示方法大致有三种:经纬度和高程,空间直角坐标,平面坐标和高程。WGS-84坐标是经纬度和高程这一种,而在我们日常建设中利用的则是平面坐标和高程。在同一个椭球里的转换都是严密的,而在不同的椭球之间的转换这时不严密的。举个例子,在WGS-84坐标和90天津任意直角坐标之间是不存在一套转换参数可以通用的,在每个地方会不一样,因为它们是两个不同的椭球基准。因此对WGS-84坐标系与其他坐标系进行坐标转换是十分必要的。
不同坐标系统时间的转换我们一般有以下几种方法:利用已知重合点的三维直角坐标进行坐标转换;利用已知重合点的三维大地坐标进行坐标转换;利用已知重合点的二维高斯平面坐标进行坐标转换;利用已知重合点的二维大地坐标进行坐标转换。
我们日常所用到的一般是利用已知重合点的三维直角坐标将GPS点的WGS-84坐标转换为其他坐标系中的坐标(以WGS-84与90天津任意直角坐标系为例),可分为以下几种方法。
3.1 七参数法
我们以WGS-84与90天津任意直角坐标系为例:为计算模型中的七个参数,至少需要三个已知点的天津坐标(X,Y,Z)和WGS-84空间坐标(X,Y,Z),利用最小二乘法求出七参数。
然而,我们已知的三个公共控制点的坐标成果,一种是GPS观测中可直接获得的WGS84椭球下的大地坐标经纬度(B,L,H),另一种是工程测量中使用的是高斯投影后的平面直角坐标(x,y,h)。即已知的三个公共控制点的坐标成果就是这两种形式的坐标表来表示的。首先,我们要把这两种形式的坐标都转换为七参数模型中的空间直角坐标。步骤如下:(1)将WGS84椭球下的大地坐标经纬度(B,L,H),采用WGS84椭球参数,转换为WGS84的空间直角坐标(X,Y,Z);(2)将天津90投影平面直角坐标(x,y,h),采用克拉索夫斯基椭球参数,转换为大地坐标(B,L,H)后,再转换为天津90的空间直角坐标(X,Y,Z);(3)将转换得到的三个公共点的天津空间坐标(X,Y,Z)和WGS-84空间坐标(X,Y,Z)代入七参数模型中,求解七个参数。
GPS定位结果中,随着基准点坐标的不同,所求转换参数会有很大的差异。地面网重合点大地坐标中的大地高往往不能精确的给定,其高程异常最高精度为米级,所以会给转换后的坐标带来一定误差。重合点的个数与几何图形结构也会影响转换精度,所以求出的转换参数具有时间性和区域性。当重合点较少时,如只有2个重合点,则只能求解部分转换参数,如3个平移参数,3个旋转参数。利用部分参数实现坐标转换,检核少,精度不高。所以实际布测GPS网时,应尽量多点联测地面网点。
3.2 局部地区应用坐标差求解转换参数的方法
因为GPS定位结果中,经基线向量网平差后活得高精度的基线向量(△X△Y△Z)G,在重合点中选定一点为原点,分别求出各GPS点对原点的坐标差,同时也求出地面网点对原点的坐标差,然后求出尺度比与3个旋转角参数。求出4个转换参数后,便可计算各GPS点转换至90天津任意直角坐标系中的三维坐标值。这种转换方法时间证明精度很高。
3.3 在GPS网的约束平差中实现坐标转换
GPS基线向量网进行约束平差或GPS网与地面网联合平差时,将地面网点的已知坐标、方位角和边长作为约束条件,坐标转换参数也作为未知数,平差后即得到各GPS点的地面网坐标系坐标,平差时同时解算出坐标转换参数。
4 结语
GPS系统已运用到大地测量与工程测量高精密定位,时间的传递和速度的测量等,研究GPS坐标系统与独立坐标系转换原理可更好的使这项技术得到广泛应用,尤其是RTK技术的出现,立刻受到了人们的重视和青睐,大大的提高了工作质量和效率。同时研究GPS与独立坐标的转换也为我国北斗卫星系统提供了经验,并进一步发展我国自主研发的卫星定位系统。
摘要：GPS定位成果属于WGS-84大地坐标系,而实用的测量成果往往是属于国家坐标系或地方独立坐标系。参考坐标系与WGS-84坐标系之间一般存在平移和旋转的关系。所以,实际应用中必须进行GPS成果与地面参考坐标系的转换、以便更好的支持国家和地方建设。
关键词：GPS,独立坐标系,四参数,七参数
参考文献
[1] 刘基余,李征航.全球定位系统原理及其应用[M].北京:测绘出版社,1993.
[2] 徐绍全,张华海.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2003.