GPS手持機(jī)野外的校正方法

手持式GPS是一種利用新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)（globalpositioningsystem，GPS）相結(jié)合、體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的定位導(dǎo)航設(shè)備，具有全天候、全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力，有高靈敏度、高精度、自動化、價廉、使用方便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大地測量、地質(zhì)調(diào)查、資源勘查等眾多領(lǐng)域。近年來，我院在對手持式GPS機(jī)性能和定位精度研究的基礎(chǔ)上，將其運(yùn)用于中小比例尺的地質(zhì)填圖、物化探測網(wǎng)布設(shè)工作中，既大大提高了工作效率、節(jié)約了成本。
       在GPS定位技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展過程中，根據(jù)不同的市場需求，生產(chǎn)廠家研制生產(chǎn)出了不同用途和型號的接收機(jī).無論是高精度的測量型GPS，還是導(dǎo)航型手持GPS，其所提供的坐標(biāo)都是以美國的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)而建立的，而我們的地質(zhì)工作底圖使用的是1954年北京坐標(biāo)系（北京54系）或1980西安坐標(biāo)系（西安80系），不同的坐標(biāo)系統(tǒng)之間按一定的數(shù)學(xué)模型可計算出其間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，也就是我們常說的轉(zhuǎn)換參數(shù).轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定給我們使用GPS提供了便利.我們把求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的工作過程稱為GPS的校正。我們以我院現(xiàn)有的幾款手持GPS的校正過程做下介紹。
1手持GPS校正前的幾項準(zhǔn)備工作
在進(jìn)行手持GPS校正前，我們首先要確定工區(qū)測量使用的坐標(biāo)系統(tǒng)，其次要確定工作區(qū)底圖的坐標(biāo)分帶.從而確定該坐標(biāo)帶的中央子午線，這樣才可以保證手持GPS機(jī)所測的坐標(biāo)和地質(zhì)底圖的使用坐標(biāo)是一致的。
1.1確定工作區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)
我們居住的地球的形狀大致為赤道方向略長、兩極方向略偏，以南北兩極為軸的旋轉(zhuǎn)橢球體。為確定地球表面的地物及空間點(diǎn)相對地球的空間位置，人們定義了不同的橢球體模型，不同的橢球體模型按照不同的投影方法定義了不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。下表是我國現(xiàn)行使用中的幾種坐標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)橢球名稱和橢球參數(shù)：
其中，1954年北京坐標(biāo)系已基本退出測繪舞臺，只有少數(shù)特定工作區(qū)還在采用該坐標(biāo)系統(tǒng)；1980西安坐標(biāo)系是我們現(xiàn)在工作中主要采用的坐標(biāo)系統(tǒng)；2000中國大地坐標(biāo)系已于2008年7月1日啟動使用，我們現(xiàn)有的測繪成果將逐步過渡到該坐標(biāo)系。
在同一坐標(biāo)系中，對于同一個空間點(diǎn)的坐標(biāo)有兩種表示形式：空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）和大地坐標(biāo)（B，L，H），這兩種坐標(biāo)是可以通過公式直接轉(zhuǎn)換的，也可以通過一些坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件直接轉(zhuǎn)換，比如廣州中海達(dá)測繪儀器有限公司的靜態(tài)測量后處理軟件。我們現(xiàn)有的手持GPS機(jī)對空間點(diǎn)的兩種坐標(biāo)表示形式都可以通過設(shè)置進(jìn)行實(shí)時顯示。
工作區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)可以通過《工作區(qū)工作設(shè)計》進(jìn)行確認(rèn)；也可以通過工作區(qū)工作底圖來獲取，在工作底圖的圖框左下角都標(biāo)明該圖成圖坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。
1.2確定工作底圖的坐標(biāo)分帶
（1）地形圖投影分帶
我國規(guī)定l：l萬～1：50萬國家基本地形圖均采用高斯一克呂格投影，其中l(wèi)：2.5萬～1：50萬采用經(jīng)差6°分帶，l：1萬采用經(jīng)差3°分帶。在高斯一克呂格投影上，規(guī)定以中央經(jīng)線為X軸，赤道為Y軸，兩軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。X坐標(biāo)值在赤道以北為正，以南為負(fù)；Y坐標(biāo)值在中央經(jīng)線以東為正，以西為負(fù)。我國在北半球，X坐標(biāo)皆為正值。Y坐標(biāo)在中央經(jīng)線以西為負(fù)值，運(yùn)用起來很不方便。為了避免Y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，將各帶的坐標(biāo)縱軸西移500km，即將所有Y值都加50Okm。
6°分帶投影，即經(jīng)差為6°，從零度子午線開始，自西向東每個經(jīng)差6°為一帶，用1，2，3，……表示。全球共分60個帶，即東經(jīng)0°～6°為第l帶，其中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)3°，東經(jīng)6°～12°為第2帶，其中央子午線經(jīng)度為9°，依次類推。
3°分帶投影，從東經(jīng)1.5°的經(jīng)線開始，每隔3°為一帶，用l，2，3，……表示，全球共分12O個帶，即東經(jīng)1.5°～4.5°為第1帶，其中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)3°.東經(jīng)4.5°～7.5°為第2帶，其中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)6°，依次類推。
（2）工作區(qū)帶號的確定
①利用地形圖確定：地形圖上公里網(wǎng)橫坐標(biāo)（8位整數(shù)）前2位就是帶號，例如，橫坐標(biāo)為28616249，其中28即為帶號。
②利用已知坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度（以度表示）確定：6°帶帶號是經(jīng)度整數(shù)值除以6加上1的整數(shù)值，3°帶帶號是經(jīng)度除以3后的四舍五入取整數(shù)值。如經(jīng)度為79°46′35″，其6°分帶號是l4（79÷6+1=14），3°分帶號是27（79.78÷3=26.59）。
（3）如何確定是3°分帶還是6°分帶
①根據(jù)地形圖比例尺來確定：一般情況下1：1l萬以上的大比例尺地形圖所標(biāo)定的帶號為3°帶帶號，1：1萬以下的中小比例尺地形網(wǎng)所標(biāo)定的帶號為6°帶帶號。
②根據(jù)工作區(qū)已知坐標(biāo)點(diǎn)橫坐標(biāo)和工作區(qū)經(jīng)度來確定：如某工作區(qū)點(diǎn)A橫坐標(biāo)為28616249，其中28為帶號，工作區(qū)經(jīng)度85度左右，所以該坐標(biāo)系為3°帶坐標(biāo)系，28×3=84，而不可能為6°帶：28×6=168。
（4）工作區(qū)中央子午線（中央經(jīng)線）經(jīng)度的確定
6°帶：中央子午線經(jīng)度=6°×當(dāng)?shù)貛?3°，例如，地形圖上橫坐標(biāo)為21396000，其所處的6°帶的中央子午線經(jīng)度為：6°×21―3°=123°。
3°帶：中央子午線經(jīng)度=3°×當(dāng)?shù)貛枺纾旱匦螆D上橫坐標(biāo)為40551000，其所處的3°帶的中央子午線經(jīng)度為：3°×40=120°。
2手持GPS的校正方法（公司的老式GPS設(shè)置位于單位選項中）
WGS-84坐標(biāo)系與北京54年坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系之間是不同的橢球基準(zhǔn)。因為同一個橢球里的轉(zhuǎn)換可以是嚴(yán)密的，不同橢球之間的轉(zhuǎn)換是不嚴(yán)密的，所以WGS-84坐標(biāo)系與北京54年坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系之間不存在一套全國通用的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而且每個地方都有差異。不同的橢球基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換關(guān)系為七參數(shù)（Dx、Dy、Dz、Wx、wy、Wz、K，它們分別是X、Y、Z三軸的平移與旋轉(zhuǎn)及比例系數(shù)K）。由于手持GPS單機(jī)定位精度要求并不高，一般在3～10m。因此手持GPS的轉(zhuǎn)換參數(shù)選用了近似七參數(shù).也就是我們常用的三參數(shù)Dx、Dy、Dz；忽略了旋轉(zhuǎn)參數(shù)Wx、Wy、W2，實(shí)際上旋轉(zhuǎn)參數(shù)也非常小；比例參數(shù)默認(rèn)為1。
現(xiàn)在使用的手持GPS機(jī)按照校正方法的不同主要有兩類，其中一類是傳統(tǒng)型手持GPS，如佳明Garmin、麥哲倫、集思寶、彩途等廠家生產(chǎn)的手持GPS；另外一類新型手持GPS，如中海達(dá)Q5手持GPS（如圖：中海達(dá)Q5）、南方測繪的S750手持GPS等。兩類手持GPS校正過程均采用三參數(shù)轉(zhuǎn)換，新型手持GPS自身都裝載有專門的參數(shù)轉(zhuǎn)換軟件，操作簡單、相對比較方便，本文不做介紹，下面我們介紹傳統(tǒng)型手持GPS校正方法。
使用佳明Garmin手持GPS機(jī)到一個新的工區(qū)作業(yè)時，首先要對手持GPS機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，確定工區(qū)自定義坐標(biāo)格式（UserUTMGrid），根據(jù)前面的介紹輸入正確的投影關(guān)系參數(shù)，“中央經(jīng)線”為當(dāng)?shù)氐貓D投影的中央子午線，“投影比例”值為1，“東西偏差”值為500000m，“南北偏差”值為0m。，然后就是進(jìn)行GPS校正，求取轉(zhuǎn)換參數(shù)。在轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置界面有五個參數(shù)需要設(shè)置，其中Dx、Dy、Dz就是我們所說的三參數(shù)，是需要我們求取的；Df、Da是固定常數(shù)，其中Df是WGS84橢球扁率與目標(biāo)橢球扁率之差，Da是WGS84橢球與目標(biāo)橢球長半軸之差。Df、Da具體數(shù)字如下表：
正常求取三參數(shù)Dx、Dy、Dz需要知道已知點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系（或西安80坐標(biāo)系）坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但北京54系（或西安8O系）坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)一般需要特定的計算機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件來求取，而我們在野外工作的時候基本上是只有手持GPS接收機(jī)，這就無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的常規(guī)求取方法，為此我們提出了如下簡易方法，以方便快速準(zhǔn)確地求取三參數(shù)。
首先我們根據(jù)搜集到的已知控制點(diǎn)的資料找到其中一個控制點(diǎn)，校正人員拿該手持機(jī)站在控制點(diǎn)上方，將三參數(shù)Dx、Dy、Dz全部設(shè)置為零，這樣手持機(jī)測得的坐標(biāo)值同該控制點(diǎn)的已知成果存在一個差值，分別計算相對應(yīng)差值得到的數(shù)值就是三參數(shù)Dx、Dy、Dz，將計算得到的三參數(shù)輸入手持機(jī)，重新檢查手持機(jī)測得的坐標(biāo)值，計算新得到的坐標(biāo)值與已知點(diǎn)成果的差值，根據(jù)差值修正三參數(shù)Dx、Dy、Dz，修正后的三參數(shù)Dx、Dy、Dz再輸入手持機(jī)，就這樣重復(fù)修正三參數(shù)Dx、Dy、Dz，直到手持機(jī)測到的坐標(biāo)值與已知點(diǎn)成果差值小于5m，此時的三參數(shù)Dx、Dy、Dz即為我們求取的最終參數(shù)。
為了驗證求取的三參數(shù)是否正確，我們需要到第二個已知控制點(diǎn)上進(jìn)行檢查測量，如果檢查坐標(biāo)精度小于5m，說明我們的求取的三參數(shù)正確，GPS校正成功，參數(shù)轉(zhuǎn)換完成。如果精度大于5m，我們還要根據(jù)測的坐標(biāo)值和第二個控制點(diǎn)的成果做差值計算，對三參數(shù)進(jìn)行修正，直到精度滿足為止。然后返回到第一個控制點(diǎn)或到第三個控制點(diǎn)重新檢查三參數(shù)是否正確，這樣重復(fù)修正三參數(shù)直到滿足精度要求。根據(jù)我們野外作業(yè)經(jīng)驗，三參數(shù)在參與校正控制點(diǎn)50km半徑范圍是可以滿足中小比例尺的地質(zhì)工程測量精度要求的。
傳統(tǒng)型的手持GPS機(jī)的平面精度可以控制在3～10m，但它的高程精度非常的差，我們一般只采用該類型手持GPS機(jī)的平面坐標(biāo)X、Y，而不采用它的高程Z，所以在進(jìn)行求取三參數(shù)Dx、Dy、Dz時，我們可以只做Dx、Dy的求值計算，忽略Dz的計算，以便提高三參數(shù)的求取速度。