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GPS测量中坐标系统、坐标系的转换过程详解


GPS 测量中坐标系统、坐标系的转换过程详解 测量中坐标系统、
摘 要: GPS 在测量领域得到了广泛的应用, 本文介绍将 GPS 所采集到的 WGS-84 坐标转换 成工程所需的坐标的过程。

关键词:GPS 坐标系统 坐标系 转换

一、概述 GPS 及其应用 GPS 即全球定位系统(Global Positioning Sy

stem)是美国从本世纪 70 年代开始研制,历时 20 年,耗资 200 亿美元,于 1994 年全面建成的卫星导航定位系统。作为新一代的卫星导航定 位系统经过二十多年的发展,已成为在航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象 等所有的领域中一种被广泛采用的系统。我国测绘部门使用 GPS 也近十年了,它最初主要 用于高精度大地测量和控制测量, 建立各种类型和等级的测量控制网, 现在它除了继续在这 些领域发挥着重要作用外还在测量领域的其它方面得到充分的应用, 如用于各种类型的工程 测量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。GPS 以 测量精度高; 操作简便,仪器体积小,便于携带; 全天候操作;观测点之间无须通视;测量结 果统一在 WGS84 坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐的中间处理环节、高效益等显著 特点,赢得广大测绘工作者的信赖。

二、GPS 测量常用的坐标系统

1.WGS-84 坐标系 WGS-84 坐标系是目前 GPS 所采用的坐标系统,GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系 统的。 WGS-84 坐标系统的全称是 World Geodical System-84(世界大地坐标系-84) ,它是 一个地心地固坐标系统。WGS-84 坐标系统由美国国防部制图局建立,于 1987 年取代了当 时 GPS 所采用的坐标系统―WGS-72 坐标系统而成为 GPS 的所使用的坐标系统。WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z 轴指向 BIH1984.0 定义的协议地球极方向,X 轴指向

BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点,Y 轴与 X 轴和 Z 轴构成右手系。采用椭球参数为: a = 6378137m f = 1/298.257223563 2.1954 年北京坐标系 1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,是一种参心坐标系统。该坐标 系源自于原苏联采用过的 1942 年普尔科夫坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯 基椭球,该椭球的参数为:a = 6378245m f = 1/298.3。我国地形图上的平面坐标位置都是 以这个数据为基准推算的。

3.地方坐标系(任意独立坐标系) 在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等,或 我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。

三、坐标系统的转换

在工程应用中使用 GPS 卫星定位系统采集到的数据是 WGS-84 坐标系数据,而目前我们测量 成果普遍使用的是以 1954 年北京坐标系或是地方(任意)独立坐标系为基础的坐标数据。 因此必须将 WGS-84 坐标转换到 BJ-54 坐标系或地方(任意)独立坐标系。 目前一般采用布尔莎公式(七参数法)完成 WGS-84 坐标系到北京 54 坐标系的转换,得到 北京 54 坐标数据。

XBJ54=XWGS84+ KXWGS84+?x+YWGS84ξZ"/ρ"-ZWGS84ξY"/ρ"

YBJ54=YWGS84+ KYWGS84+?Y-XWGS84ξZ"/ρ"+ZWGS84ξX"/ρ"

ZBJ54=ZWGS84+ KZWGS84+?Z+XWGS84ξY"/ρ"-ZWGS84ξX"/ρ" 四、坐标系的变换

同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式, 一种形式实际上就是一种坐标系。 如空间直角

坐标系(X,Y,Z) 、大地坐标系(B,L) 、平面直角坐标(x,y)等。通过坐标统的转换我 们得到了 BJ54 坐标系统下的空间直角坐标,我们还须在 BJ54 坐标系统下再进行各种坐标 系的转换,直至得到工程所需的坐标。

1.将空间直角坐标系转换成大地坐标系,得到大地坐标(B,L):

L=arctan(Y/X)

B=arctan {(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}

H=(X2+Y2)0.5sinB-N 用 2.将大地坐标系转换成高斯坐标系,得到高斯坐标(x,y) 按高斯投影的方法求得高斯坐标,x=F1(B,L),y=F2(B,L)

3.将高斯坐标系转换成任意独立坐标系,得到独立坐标(x’,y’ ) 在小范围内测量,我们可以将地面当作平面,用简单的旋转、平移便可将高斯坐标换成工程 中所采用坐标系的坐标(x’,y’),

x’=xcosα+ysinα

y’=ycosα-xsinα 五、小结

由于 GPS 测量的种种优点,GPS 定位技术现已基本上取代了常规测量手段成为了主要的技 术手段,市面上出现了许多转换软件和不同型号的 GPS 数据处理配套软件(包含了怎样将 GPS 测量中所得到的 WGS-84 转换成工程中所须坐标的功能) ,万变不离其宗,只要我们明 白了 WGS-84 转换到独立坐标系的转换过程,便可很容易的使用该软件了,甚至可以自己 编写程序,将 WGS-84 坐标转换成独立坐标系坐标。

本文主要是介绍坐标系统、 坐标系的转换过程, 文中提及的符号及具体转换方法请参阅相关 文献。 上式采用迭代法求出大地坐标(B,L)


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