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1、WGS-84平差坐标在GPS测量中的运用 韶关市国土资源信息中心郭建华摘要：本文基于GPS相对定位和坐标转换原理，针对GPS测量中的WGS-84与本地坐标系转换参数的选择进行研究，结合实际测量工作，介绍WGS-84平差坐标在实际测量过程运用，提高工作效率的作业方法。关键词：WGS-84坐标系，网平差，坐标转换，RTKAbstract: Based on GPS relative positioning and coordinate conversion mechanism for GPS measurements in WGS-84 coordinate system with the loc
2、al transformation parameters of selection, in combination with the actual measurements, introduced Adjustment WGS-84 coordinates the use of the actual measurement process, improve efficient way of operating. Key words: WGS-84 coordinate system, network adjustment, coordinate transformation,RTK 1. 引言
3、全球定位系统（GPS）技术的出现，以其高精度、全天候、低成本、高效率等特点被广泛应用到测绘及其他领域，大大的提高了测绘工作的效率，减轻了测绘工作者的外业劳动强度。由于GPS系统是一个全球性的定位和导航系统，其坐标也是全球性的。目前GPS测量所使用的协议地球坐标系成果WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic System），所有的GPS测量成果都是基于WGS-84坐标系的，包括单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量。实际使用的测量成果往往是属于某一国家坐标系或地方坐标系，实地坐标系与WGS-84坐标系之间一般存在着平移和旋转的关系，深入了解WGS-84坐标将对GPS测量有很大
4、的促进作用，能提高GPS的工作效率。2. WGS-84坐标获取GPS测量首先是要获取点位的坐标位置，由于绝对定位（也称单点定位）的结果受到卫星星历误差、卫星钟的钟差、以及卫星信号传播过程中大气延迟误差的影响较为显著，定位精度一般较差，通常在10米左右，获取精确的WGS-84地心坐标一般有两种方法。第一种是联测附近的IGS跟踪站，通过长时间静态观测，获取基线向量，然后使用IGS跟踪站的精确WGS-84坐标进行三维约束平差，获取当地点的高精度WGS-84坐标。这种方法需要使用高精度的GPS基线解算软件和网平差软件，计算的工作量也非常大。第二种是通过单机长时间观测，采用精密单点定位软件利用事后精密星
5、历解算出精确的WGS-84坐标，也需要特殊的软件和大量的计算工作。3. 相对定位对于GPS普通用户很难得到精确的WGS84坐标，常规的GPS测量一般使用相对定位的方式测量各点间的相对位置关系，确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法称为相对定位。采用相对定位获取WGS-84坐标的流程如下：静态观测（或rtk）基线解算三维无约束平差通过静态观测可以获得GPS接收机之间的GPS基线向量，GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的，常规测量中的基线只有长度属性，而GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂
6、直方位等三项属性。GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果，也是进行GPS网平差，获取最终点位的观测值。GPS网平差就是从解算出的基线向量中挑选独立基线构成闭合图形，以三维基线向量及其相应的方差-协方差阵作为观测信息，进行GPS网的最小约束平差或无约束平差，求得GPS网点在WGS-84坐标系下的三维平差坐标。由于GPS基线向量中已包含了在WGS-84坐标系中的尺度和三维坐标轴的指向信息，以此为观测值作GPS网平差的误差方程秩亏数仅为3，只要固定GPS网位置基准点上的由已知点给出三维坐标，即增加三个位置基准条件，就能获得网中各点的三维坐标的最小二乘解。常规GPS测量中三维无约束平差一般选取控制网
7、中一个长时间单点定位获得的WGS-84坐标作为参考点，通过GPS基线向量提供网的方位基准和尺度基准，推算其他点的WGS-84坐标，然后确定整个网相对的WGS-84坐标。GPS基线向量网的平差，除了可以解求出待定点的坐标以外，还可以发现和剔除GPS基线向量观测值和地面观测中的粗差，消除由于各种类型的误差而引起的矛盾，并评定观测成果的精度。基于基准站的相对定位，也能获得相对精度厘米级的WGS-84坐标，如RTK测量，相当于由单基线组成的星型网。4. WGS-84坐标的应用由于常规GPS测量是基于相对定位模式的，获得的WGS84坐标成果是某一时刻的相对网中某一点的位置，无法获取准确的固定的WGS-8
8、4坐标，这就使得为获取当地坐标而计算的坐标转换关系也是不固定的。实际上GPS测量的相对精度是非常高的，静态相对定位达到毫米级，动态相对定位达到厘米级。不同时刻的观测结果或者采用不同的网型进行观测计算，相对位置的变化是很小的，可以认为仅仅是计算的误差。GPS测量获得的坐标都是基于WGS-84参考框架的，具有相同的坐标基准，不同的是坐标原点有所偏移，在相同坐标基准下的转换是准确而严密的，不同时刻采用不同的网平差方式获得的WGS-84坐标之间只存在一个简单的平移，旋转量可以看做是计算产生的微小误差，可忽略不计。即 Xa = Xb + X Ya = Yb + Y在一定范围内只需要一个WGS84坐标控制
9、点即可求出偏移的常数，也就是只要先进行一次平移，就可以建立基于某一个点的相对固定的WGS-84坐标系统，固定某一个地方的坐标转换参数。这种方法应用在RTK测量中将大大提高GPS测量的作业效率，不再需要通过野外采集多个控制点进行坐标转换的过程。实际的操作也非常简单：第一步搜集控制点的WGS-84坐标和地方坐标，计算坐标转换关系，若已经建立了坐标转换关系，通过当地坐标可以反算WGS-84坐标；第二步在控制点上架设RTK基准站，输入控制点的WGS-84坐标，若手簿中已有了坐标转换参数，可以直接输入地方坐标；第三步检测1个控制点，开始RTK作业。5. 应用实例一：单基站与网络RTK的简单并网广东省建立
10、了全省的连续运行卫星定位系统（GDCORS），由于在韶关地区基站分布较少，平均距离超过50公里，下午电离层活跃，采用全省整网计算的改正信息很难收敛，固定比较困难，需要采用常规的RTK模式进行联合作业。GDCORS在正常使用的时段，精度高、覆盖区域广，为了方便日常使用，我们先通过联测GPS-D级点，建立了韶关市区的基于CORS参考站网的WGS-84坐标与1980西安坐标系的转换关系，输入手簿中。在GDCORS正常使用时段，可以在测区选择合适的地方布设23个图根点，按照网络RTK的观测要求观测，再经过事后数据处理获取点位的WGS-84坐标，这样获得的坐标相对于CORS参考站网是固定的，而且是厘米级
11、精度的。架设RTK时，采用手工输入坐标的方法输入WGS-84坐标，这样就把基于RTK参考站的星型网与CORS参考站网统一起来，使用已经求得的转换关系进行坐标转换就能得到所需的地方坐标了。为了检验这种作业方法的精度和可靠性，我们利用拓普康CR-3天线配备GRS-1手簿，连接GDCORS进行了24小时的长时间观测，每60秒记录一个坐标数据，通过筛选处理，得到一个固定站的WGS-84坐标，利用这个坐标设置RTK基准站，基准站设备为拓普康CR-3双星扼流圈天线和Gb-500双频双星GNSS接收机， RTK流动站为Topcon GRS-1双频双星接收机，CORS坐标检测使用徕卡1250型双频GPS接收机
12、。坐标检查情况如下:点号RTK实测坐标（m）CORS实测坐标（m）较差（cm）XY高程XY高程XYHWX*54.743*57.99693.621 *54.751 *57.993 93.614 -0.8 0.3 0.7 JSD*16.685*15.024121.944 *16.673 *15.028 121.940 1.2 -0.4 0.4 G27*50.360*66.925110.457 *50.353 *66.928 110.442 0.7 -0.3 1.5 G40*86.462*77.44293.098 *86.465 *77.444 93.114 -0.3 -0.2 -1.6 G36*9
13、4.146*61.85658.584 *94.149 *61.851 58.599 -0.3 0.5 -1.5 G37*50.086*60.47352.381 *50.047 *60.479 52.401 3.9 -0.6 -2.0 G04*72.931*11.89176.497 *72.949 *11.889 76.469 -1.8 0.2 2.8 G07*85.741*95.56871.421 *85.771 *95.558 71.412 -3.0 1.0 0.8 G09*29.376*63.04967.585 *29.379 *63.041 67.581 -0.3 0.8 0.4 G42
14、*90.525*57.19985.432 *90.524 *57.207 85.418 0.1 -0.8 1.4 G22*33.923*46.35589.825 *33.918 *46.367 89.843 0.5 -1.2 -1.8 G12*95.156*19.46883.806 *95.154 *19.468 83.800 0.2 0.0 0.6 G14*95.518*36.705103.247 *95.499 *36.707 103.236 1.9 -0.2 1.1 G05*94.349*04.82667.867 *94.352 *04.828 67.830 -0.3 -0.2 3.7
15、点位较差中误差2.4cm，大部分点位较差小于2cm，通过统计分析可以看出，RTK实测的坐标精度与CORS基本一致，满足常规测量的需要。6. 应用实例二：竣工测量坐标系恢复某乡镇土地整理竣工测量，测区面积约2平方公里，因为施工，原有的控制点已基本被破坏，经过实地踏勘，原来布设的5个GPS点，仅存一个E6，位于测区中一户居民楼顶。利用RTK作业模式，采用WGS-84坐标相对固定的方法，我们可恢复原有的控制网，避免重复投入。使用过程分三步。首先，收集原有的GPS平差成果，地形测量时采用中海达GPS进行观测，计算软件为HDS2003，在平差报告中找到自由网平差坐标。如下图： 然后找到控制网经过二维约束
16、平差和高程拟合得到的1980西安坐标系成果，利用自由网平差坐标和西安80坐标，在软件中计算坐标转换参数，建立两坐标系的转换关系，将计算得到的参数直接输入手簿。坐标转换残差如下：第三步，在RTK基准站上进行WGS-84坐标平移。在E6点上设置基准站时，采用手工输入基准站坐标的方法，输入自由网平差中得到的WGS-84经纬度坐标。这样就建立了测区相对于基准站固定的WGS-84坐标系统，也固定了该测区WGS-84坐标与1980西安坐标系的转换参数。利用RTK实测图根控制点检测原图上存在的房角等固定地物，点位误差均在10cm以内。经过检测说明基于E6基准站和内业计算的坐标转换参数建立的坐标系统与地形测量
17、时的坐标系统是一致的，这样就恢复了原有的控制网，避免了在控制测量上的浪费。7. 结语虽然常规GPS测量中得到的WGS-84坐标是不固定的，但GPS网中各点的相对位置是固定的，即在WGS-84坐标系下的各点间的坐标增量是不变的，利用这个原理只要增加一个在WGS-84坐标系下的坐标平移的步骤，就能建立一个固定的WGS-84坐标系以及这个固定的WGS-84坐标系与地方坐标系的关系，获得测量所需的地方坐标。参考文献：（1）GPS测量与数据处理 李征航 黄劲松 武汉大学出版社 2005（2）GPS测量操作与数据处理 魏二虎 黄劲松 武汉大学出版社 2004（3）GPS网WGS-84平差坐标向地方独立坐标的转换 刘宗泉、贾志强、邢诚、付先国 2006