WGS-84三维无约束平差坐标在GPS测量中的运用

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:BasedonGPSrelativepositioningandcoordinateconversionmechanismforGPSmeasurementsinWGS-84coordinatesystemwiththelocaltransformationparametersofselection,incombinationwiththeactualmeasurements,introducedAdjustmentWGS-84coordinatestheuseoftheactualmeasurementprocess,improveefficientwayofoperating.Keywords:WGS-84coordinatesystem,networkadjustment,coordinatetransformation,RTK1.引言全球定位系统（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（WorldGeodeticSystem），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：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静态观测（或rtk）基线解算三维无约束平差相对网中某一点的位置，无法获取准确的固定的WGS-84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+⊿XYa=Yb+⊿Y在一定范围内只需要一个WGS84坐标控制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2～3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TopconGRS-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。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⊿X⊿Y⊿HWX**54.743**57.99693.621**54.751**57.99393.614-0.80.30.7JSD**16.685**15.024121.944**16.673**15.028121.9401.2-0.40.4G27**50.360**66.925110.457**50.353**66.928110.4420.7-0.31.5G40**86.462**77.44293.098**86.465**77.44493.114-0.3-0.2-1.6G36**94.146**61.85658.584**94.149**61.85158.599-0.30.5-1.5G37**50.086**60.47352.381**50.047**60.47952.4013.9-0.6-2.0G04**72.931**11.89176.497**72.949**11.88976.469-1.80.22.8G07**85.741**95.56871.421**85.771**95.55871.412-3.01.00.8G09**29.376**63.04967.585**29.379**63.04167.581-0.30.80.4G42**90.525**57.19985.432**90.524**57.20785.4180.1-0.81.4G22**33.923**46.35589.825**33.918**46.36789.8430.5-1.2-1.8G12**95.156**19.46883.806**95.154**19.46883.8000.20.00.6G14**95.518**36.705103.247**95.499**36.707103.2361.9-0.21.1G05**94.349**04.82667.867**94.352**04.82867.830-0.3-0.23.7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