手持GPS参数设置方法探讨.docx

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手持GPS参数设置方法探讨

手持GPS参数设置方法探讨

2009-3-31来源:

《中华建设科技》2008年第12期文/孟庆森

[导读]GPS所使用的坐标系统是WGS-84坐标系统，而我们使用的地图资源大部分都属于1954年北京坐标系或1980年西安坐标系。

摘要：

GPS所使用的坐标系统是WGS-84坐标系统，而我们使用的地图资源大部分都属于1954年北京坐标系或1980年西安坐标系。

不同的坐标系统给我们的使用带来了困难，于是就出现了如何把WGS-84坐标转换到1954北京坐标系或1980西安坐标系上来的问题。

从理论上讲，不同坐标系之间存在着平移和旋转的关系，要使手持GPS所测量的数据转换为自己需要的坐标，必须求出两个坐标系（WGS-84和北京54坐标系或西安80坐标系）之间的转换参数。

由于求算转换参数专业性较强，因此，多数初用者不知如何进行GPS的参数的求得和设置。

其实关键要解决两个问题，其一是自定义坐标格式（UserUTMGrid）的确定；其二是自定义坐标系统（User）投影参数的确定。

关键词：

GPS；坐标格式；坐标系统；投影分带；转换参数。

GPS（GlobalPositioningSystem）即全球卫星定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时地进行三维导航定位和测速。

随着GPS定位技术的发展，从最初的军用已发展到民用领域，并已得到广泛的应用和普及。

在GPS定位技术的应用和发展过程中，根据不同的市场需求，由厂家生产出了各种不同型号和用途的接收机，其中，市场销量最大、使用人数最多、使用者大多专业性不强的导航型手持GPS在使用过程中存在的问题较多，最主要的问题是手持GPS所使用的坐标系统是WGS-84坐标系统，而我们使用的地图资源大部分都属于1954年北京坐标系或1980年西安坐标系。

不同的坐标系统给我们的使用带来了困难，于是就出现了如何把WGS-84坐标转换到1954北京坐标系或1980西安坐标系上来的问题。

从理论上讲，不同坐标系之间存在着平移和旋转的关系，要使手持GPS所测量的数据转换为自己需要的坐标，必须求出两个坐标系（WGS-84和北京54坐标系或西安80坐标系）之间的转换参数。

由于求算转换参数专业性较强，因此，多数初用者不知如何进行GPS的参数的求得和设置。

下面针对这部分使用人员就一些关键问题介绍如下。

一、自定义坐标格式（UserUTMGrid）的确定当我们使用一部新的GPS或到一个新的工区工作时，首先要做的是对手中的GPS进行参数设置，而参数设置第一步就是确定工区自定义坐标格式（UserUTMGrid）。

确定自定义坐标格式中最重要的一项是工作区中央子午线经度的确定，这是因为在使用国家或地方坐标系统时，这是一个经常需要变更的参数。

那么如何方便快捷的完成这一设置呢？

一般来说当我们计划完成一项新的工作或进行一项工程施工时，都事前划定一个行进路线或工作区域，同时配合使用地形图或设计图，这就为我们确定工作区中央子午线经度提供了最基本条件。

在研究如何利用地形图或给定坐标来确定工作区中央子午线经度之前我们有必要大致了解一下地形图的投影分带问题。

地球总体上是以大地体表示的，为了能进行各种运算，又以参考椭球体来代替大地体。

要将椭球面上的图形描绘在平面上，需要采用地图投影的方法。

我国在建立统一的平面直角坐标系统时，规定在大地控制测量和地形测量中采用高斯投影。

为了使投影误差不致影响测图精度，规定以经差6°或3°为准来限定高斯投影范围，每一投影范围就叫做一个投影带。

如图1所示从起始子午线开始，自西向东以经差6°化为一带，将整个地球划分成60个投影带并顺序编号，叫做高斯6°投影带（简称6°带）。

6°带各带的中央子午线，其经度分别为3°、9°……        123°、129°……357°。

每一投影带两侧的子午线叫做分带子午线，6°带的分带子午线的精度为0°、6°……120°、126°、132°……。

大比例尺测图，则需采用3°分带。

它规定从经度1.5°的子午线起，自西向东以经差3°化为一带，将整个地球划分成120个投影带并顺序编号，叫做高斯3°投影带（简称3°带）。

这种划分法，可使其奇数带的中央子午线各与6°带的中央子午线重合，而其偶数带的中央子午线各与6°带的分带子午线重合，如图2所示。

显然，3°带各带的中央子午线经度分别为3°、6°……126°……360°，3°带的分带子午线的经度依次为1.5°、4.5°……124.5°、   127.5°……。

在掌握了以上测量投影分带常识后，我们就可以运用手中所掌握的资料，如国家标准地形图、工区设计图、目标点坐标（包括大地坐标B、L和平面直角坐标X、Y）等来确定工作区中央子午线经度。

1、 根据投影带号确定工作区中央子午线经度如果我们用L0代表中央子午线经度；以N3、N6分别代表3°带和6°带带号，根据上述投影分带关系可以得出两个这样的计算公式：

（1）、L0=N3×3°

（2）、L0=N6×6°-3°那么确定带号值就成了问题的关键，这对于测量专业技术人员不在话下，而对于初学者和非专业技术人员来说就成了难题，其实在我们工作区域内的已知平面直角坐标或地形图图框中标定的平面直角坐标Y值已经标明了带号。

我国区域内带号为两位数值，八位Y值整数位（单位米）最前面的两位数值就是带号，如21、22；42、43等，只要我们把所确定的带号数值带入上述公式，既可算出该工作区域的中央子午线经度。

另外在如何区分3°带号和6°带号时只需把握两点即可，一是2.5万分之一以下的小比例尺地形图所标定的带号一般为6°带带号；而1万分之一以上的大比例尺地形图所标定的带号一般为3°带带号；二是就一定的行政区域内来说，如一省、一市只有屈指可数的几个带号，且3°带号是6°带号数值的一倍左右，很好区分，就吉林省来说，常用的6°带号只有21、22两个；3°带号只有41、42、43、44四个，很容易掌握。

例如，我们知道在吉林省某地区施工，所用地形图显示为22带投影坐标，由上述知识即可知该图为6°带投影，将22代入公式

（2）计算得知该工作区域的中央子午线经度L0=22×6°-3°=129°。

2、 根据大地坐标值（L）来确定工作区中央子午线经度有时我们只有工作区或目标点的大地坐标（B、L）值，而设计图纸的平面直角坐标值又没有标出带号，这怎么办呢？

这时我们只好用大地坐标L值来确定工作区的中央子午线经度。

用大地坐标L值来确定工作区的中央子午线经度需按以下步骤进行，首先是要用手中的资料或设计图判定是进行6°带设置还是3°带设置，一般来说，除特殊要求外，2.5万分之一以下的小比例尺地形图均为6°分带，然后，利用已知工作区或目标点的大地坐标L值计算出所在投影带的分带号，将带号代入上述公式即可算出中央子午线经度。

利用大地坐标L值计算带号的方法是：

6°带带号算法是用L值整数位除以6，取整数商加1，例如，已知目标点经度L为127°18′35″，根据计算得知其分带号是22（127÷6＋1=22）；3°带带号算法是将L值换算成度除以3按四舍五入取整数值即为带号，例如，已知目标点经度L为127°18′35″，根据计算得知其分带号是42（127.31÷3=42.437,四舍五入取整数值即为42）。

另外对于已掌握投影分带常识的用户来说，还可以用图示直观法直接确定中央子午线经度，具体方法是：

利用已知工作区或目标点的大地坐标L值与接近的分带子午线经度作比对，经比对即可直接确定该工作区域中央子午线经度。

，例如，已知使用资料为6°带坐标，目标点经度为127°18′35″，根据（图2）6°投影分带的图示可知22带分带子午线经度为126°至132°，该目标点经度正好在此投影带内，由此即可确定该工作区的中央子午线经度为129°3、   其他相关参数设置为：

在我国境内中央子午线经度应设置为东经E，投影比例参数为1，东西偏差为500000，南北偏差为0，并设单位为米。

一般情况下，这些参数保持默认设置。

二、自定义坐标系统（User）投影参数的确定在确定自定义坐标系统（User）投影参数之前，首先要判定手中的资料（地形图、设计施工图、已知点坐标等）是何基本坐标系统，如是北京坐标系、西安坐标系还是其他地方坐标系统，只有这样才能计算使用与之相适应的投影参数，以免张冠李戴，造成不必要的麻烦。

1、自己观测计算新机拿到手之后，供应商都给提供一个投影参数，这对于要求不高的一般用户来说基本可以满足工作需要，而对于一些专业用户来说，就要自己来测算参数。

一般型号的导航型手持GPS自定义坐标系统（User）投影参数设置界面都提供了五个变量（△X、△Y、△Z、△A、△F）需要设置，而实际工作中，后两个参数（△A、△F）针对某一坐标系统来说为固定参数（北京54坐标系△A=-108、△F=0.0000005），无需改动，需要自己测算的参数主要为前三个（△X、△Y、△Z），一般称为三参数。

测算三参数的基本方法是，首先在已知控制点上测量一个稳定的WGS-84大地坐标（B、L）值，然后，运用专用测量程序既可算出一个三参数来。

三参数计算出来后，将其输入GPS中再到已知控制点上观测比对，最好再到另一已知控制点上观测检校，如比对检校差值在规定允许误差范围之内，既可运用于实际工程测量工作。

一般来说，只要到一新工区或工程点间距较远（数十至上百公里以外）都要到已知控制点上重新进行观测比对检校，没有问题才能进行实际工作。

2、搜集使用经验成果在导航型手持GPS的实际应用中，有相当一部分使用者，不掌握三参数的计算程序和计算方法，那么只好靠搜集使用一些经验成果，把搜集来的三参数输入GPS后到已知点上进行观测比对，只要满足工程施工的精度要求，就可直接应用于实际工作，无需自己进行测算。

搜集三参数经验成果有许多途径，如经销商、测绘管理部门、同行、同学和互联网等。

在近年的实际工作中，笔者运用专业测量型高精度GPS在吉林省内部分地区观测计算了部分三参数（北京54坐标系统），列表如下，以供参考使用。

另外需要说明的是，如果外业观测比对检校超限（一般型号的手持GPS限差为15m），应主要从以下三方面查找原因，一方面从外业观测计算过程查找原因，主要察看在已知控制点上测量的WGS-84大地坐标（B、L）值成果是否正确、已知坐标成果是否可靠、所使用程序及计算过程是否合理正确；第二方面就需察看搜集使用经验成果的来源是否正确可靠；第三方面需察看GPS本身是否有问题，如两台GPS在输入同一三参数时，观测成果和已知点成果比对，严重超差的那一台就有可能是GPS本身出了问题。

解决了所有的问题之后相信您一定能够得心应手使用GPS来完成您的各项工作。

附1作者简介：

孟庆森，男，1958年1月13日生，1980年8月毕业于长春地质学校测绘专业，高级工程师，主要从事于野外地质工程测量工作，从2000年开始接触使用过多种型号的单、双频GPS，其中主要包括导航型手持GPS和单双频测地型GPS。

手持GPS坐标系统的转换与应用-GPS手持机参数设置

一、为什么要进行坐标系统的转换

1、目前全球卫星定位系统（GPS）技术应用已十分广泛，无论是静态测量型、动态（RTK）还是手持导航等机型在测绘、地质调查、土地调查、森林普查等专业的应用已十分普遍。

近几年，随着技术的不断完善以及美国SA政策的解除，手持导航型GPS接收机的定位精度较之以前已经有了大大的提高。

但由于GPS测量系统与常规大地测量系统所采用的椭球参数及坐标系的原点不同，因此手持GPS观测的三角点坐标值与已知的坐标值相差甚远。

其原因是：

GPS测量采用的是球心坐标系（也称质心坐标系）、即WGS——84世界坐标系。

而经典大地测量采用的是参心坐标系、即以参考椭球体的中心为原点。

另外其椭球参数也相差很大，因此造成了观测值与已知值相差甚多。

目前我国各种基本比例尺地形图所采用的坐标系统普遍为1954年北京坐标系或1980西安坐标系，这两种坐标系统均属于参心坐标系。

所以手持GPS接收机的坐标系统与我们常用的地形图分属于不同的坐标系统，因此手持GPS接收机观测的坐标值不能直接展绘于1954年北京坐标系或1980西安坐标系的地形图上。

基于上述种种原因，为了扩大手持GPS的应用范围，发挥其应有的作用、同时消除因椭球参数的不同而产生的定位误差，必须对其各种参数进行重新设置和调整，进而才能提高观测精度，使其能够真正地应用到我们的实际工作中去。

2、要想对手持GPS进行坐标转换，首先必须搞清楚两种坐标系统所采用的椭球参数有什么不同。

以下列出了WGS—84坐标系与1954年北京坐标系及1980西安坐标系椭球参数：

表一：

项目

WGS-84（m）

北京1954（m）

长半轴（a）

6378137

6378245

短半轴（b）

6356752.3142

6356863.0188

扁率（α）

1/298.3=0.003352811

1/298.3=0.00335233

表二：

项目

WGS-84（m）

西安1980（m）

长半轴（a）

6378137

6378140

短半轴（b）

6356752.3142

6356755.2882

扁率（α）

1/298.3=0.003352811

1/298.257=0.003352813

二、野外作业中的实际应用（以GARMIN公司的小博士系列为例，其他型号的基本类似），对于其它品牌的接收机本人没有接触过，对其标称精度和操作方法可参考相关说明书及操作手册进行校正。

1、第一步：

测区范围内，在均匀分布的不少于三个已知三角点上（此时选择的三角点应尽量分布在工作区的四周），先将GPS接收机内部的参数全部设为“0”，即DX=0、DY=0、DZ=0、DA=0、DF=0，其中DX、DY、DZ为同一点两种坐标系统三维坐标差值，DA为两种坐标系统长半轴差值，DF为两种坐标系统扁率的差值。

上述操作完成后，用GPS接收机分别观测已知三角点的坐标，根据观测结果与已知坐标值求出各自的差值，并取其平均值作为DX、DY、DZ的改正值（因GARMIN公司所产系列手持定位仪目前市面上除桂冠、展望两种型号具有气压测高功能外，其余几种型号均为GPS测高、其精度较低，无法利用，因此可将DZ设为0，也可将DZ设为其改正数，改正与否对其它参数设置均没有影响），此时上述改正数只作为参考。

2、第二步：

在已进行观测的三角点上将接收机的参数DX、DY、DZ设为已经取得的改正数，将DA、DF设为相应的差值，即a（84）－a（54）=DA=-108、α（84）-α（54）=DF=0.0000005，或a（84）—a（80）=-3、α（84）-α（80）=0.00000003。

再在相同的三角点上观测已知点坐标，根据观测结果对DX、DY、DZ加入第二次新的改正数。

此时，再用GPS接收机第二次观测所有已知点的坐标进行第二次改正，直到GPS接收机观测的坐标值接近已知点坐标，其差值一般小于5米时，取其各点的观测值与已知坐标的差值的平均值作为DX、DY、DZ的最终改正数，上述操作一般循环到第二次即可得到理想的改正数。

 三、参数的设置及具体操作方法1、打开电源按翻页键进入菜单画面按上下键至设置按输入键进入设置按上下键至单位按输入键进入单位菜单按输入键进入（位置距离）按输入键进入（位置格式）位置格式设为（UserGrid）按输入键进入UserGrid菜单。

2、USERUTMGRID格式中，将LONGITUDEorIGN栏中第一位改为“E”，代表东经，紧随其后输入测区所在的三度带或六度带中央子午线度数、在SCALE栏中输入1.0000000,代表比例系数、在FALSEE栏中输入500000.0，代表东偏的距离、以米为单位，在FALSEN中输入0.0，代表北偏为零。

3、数值输入编辑完成后，按上下键至存储按钮，按输入键存储完成编辑并返回单位菜单。

4、按上下键至地图基准按输入键进入地图基准菜单按上下键至WGS84再按输入键进入单位菜单

按上下键至User（用户自定义），按输入键进入（WGS84——LOCAL）菜单，然后进行二款中各个步骤的操作，各项改正数设置完毕后，不要忘记按输入键进行存储。

5、逐次按翻页键返回卫星接收状态，此时如已收到四颗以上卫星并且信号良好，即可长按输入键获取定点坐标。

应该注意的是：

到达某一位置，不要急于测定其坐标，而要等手持GPS静止1—2分钟然后再测定，这样求得的坐标较为准确，其他操作在此不再赘述。

四、应用范围上述各种参数经过校正后，如方法正确，其定位精度一般≤±5米，完全可满足1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000、1∶200000等各种比例尺的地形图航测外业工作中的新增地物补测，区域地质填图中的地层界线的定位、物探专业各种工作方法测网中的平面定位测量（如：

磁法、电法、充电法、地震勘探、重力勘探、及区域化探中的采样点定位）。

大大地减轻了野外工作中的劳动强度、提高了工作效率和定位精度，使用起来十分方便。

五、注意事项1、校正后的误差如大于5米时，一般不宜用于大于1∶10000比例尺的各种地质工作。

即使校正后，其定位误差≤5米，也不能在≥1∶5000比例尺的各种地质工作中作为定位使用。

当然，如果某些工作对野外定位精度要求不高，也可在1∶5000比例尺的工作中使用。

2、区内如果没有已知三角点或低等级的测量控制点可供校正，手持GPS接收机只能用于导航，而不能用于定位。

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.

NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.

Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.

 толькодлялюдей,которыеиспользуютсядляобучения,исследованийинедолжныиспользоватьсявкоммерческихцелях. 

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