手持ＧＰＳ參數設置方法探討

【摘 要】GPS所使用的坐標系統是WGS-84坐標系統，而我們使用的地圖資源大部分都屬于1954年北京坐標系或1980年西安坐標系。不同的坐標系統給我們的使用帶來了困難，于是就出現了如何把WGS-84坐標轉換到1954北京坐標系或1980西安坐標系上來的問題。從理論上講，不同坐標系之間存在著平移和旋轉的關系，要使手持GPS所測量的數據轉換為自己需要的坐標，必須求出兩個坐標系（WGS-84和北京54坐標系或西安80坐標系）之間的轉換參數。由于求算轉換參數專業性較強，因此，多數初用者不知如何進行GPS的參數的求得和設置。其實關鍵要解決兩個問題，其一是自定義坐標格式（User UTM Grid）的確定；其二是自定義坐標系統（User）投影參數的確定。

【關鍵詞】 GPS；坐標格式；坐標系統；投影分帶；轉換參數

GPS（Global Positioning System）即全球衛星定位系統，是由美國建立的一個衛星導航定位系統，利用該系統，用戶可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時地進行三維導航定位和測速。隨著GPS定位技術的發展，從最初的軍用已發展到民用領域，并已得到廣泛的應用和普及。

在GPS定位技術的應用和發展過程中，根據不同的市場需求，由廠家生產出了各種不同型號和用途的接收機，其中，市場銷量最大、使用人數最多、使用者大多專業性不強的導航型手持GPS在使用過程中存在的問題較多，最主要的問題是手持GPS所使用的坐標系統是WGS-84坐標系統，而我們使用的地圖資源大部分都屬于1954年北京坐標系或1980年西安坐標系。不同的坐標系統給我們的使用帶來了困難，于是就出現了如何把WGS-84坐標轉換到1954北京坐標系或1980西安坐標系上來的問題。從理論上講，不同坐標系之間存在著平移和旋轉的關系，要使手持GPS所測量的數據轉換為自己需要的坐標，必須求出兩個坐標系（WGS-84和北京54坐標系或西安80坐標系）之間的轉換參數。由于求算轉換參數專業性較強，因此，多數初用者不知如何進行GPS的參數的求得和設置。下面針對這部分使用人員就一些關鍵問題介紹如下。

1. 自定義坐標格式（User UTM Grid）的確定

當我們使用一部新的GPS或到一個新的工區工作時，首先要做的是對手中的GPS進行參數設置，而參數設置第一步就是確定工區自定義坐標格式（User UTM Grid）。確定自定義坐標格式中最重要的一項是工作區中央子午線經度的確定，這是因為在使用國家或地方坐標系統時，這是一個經常需要變更的參數。那么如何方便快捷的完成這一設置呢？一般來說當我們計劃完成一項新的工作或進行一項工程施工時，都事前劃定一個行進路線或工作區域，同時配合使用地形圖或設計圖，這就為我們確定工作區中央子午線經度提供了最基本條件。

在研究如何利用地形圖或給定坐標來確定工作區中央子午線經度之前我們有必要大致了解一下地形圖的投影分帶問題。

地球總體上是以大地體表示的，為了能進行各種運算，又以參考橢球體來代替大地體。要將橢球面上的圖形描繪在平面上，需要采用地圖投影的方法。我國在建立統一的平面直角坐標系統時，規定在大地控制測量和地形測量中采用高斯投影。為了使投影誤差不致影響測圖精度，規定以經差6°或3°為準來限定高斯投影范圍，每一投影范圍就叫做一個投影帶。如圖1所示從起始子午線開始，自西向東以經差6°化為一帶，將整個地球劃分成60個投影帶并順序編號，叫做高斯6°投影帶（簡稱6°帶）。6°帶各帶的中央子午線，其經度分別為3°、9°…… 123°、129°……357°。每一投影帶兩側的子午線叫做分帶子午線，6°帶的分帶子午線的精度為0°、6°……120°、126°、132°……。

大比例尺測圖，則需采用3°分帶。它規定從經度1.5°的子午線起，自西向東以經差3°化為一帶，將整個地球劃分成120個投影帶并順序編號，叫做高斯3°投影帶（簡稱3°帶）。這種劃分法，可使其奇數帶的中央子午線各與6°帶的中央子午線重合，而其偶數帶的中央子午線各與6°帶的分帶子午線重合，如圖2所示。顯然，3°帶各帶的中央子午線經度分別為3°、6°……126°……360°，3°帶的分帶子午線的經度依次為1.5°、4.5°……124.5°、127.5°……。

在掌握了以上測量投影分帶常識后，我們就可以運用手中所掌握的資料，如國家標準地形圖、工區設計圖、目標點坐標（包括大地坐標B、L和平面直角坐標X、Y）等來確定工作區中央子午線經度。

1.1 根據投影帶號確定工作區中央子午線經度。如果我們用L0代表中央子午線經度；以N3、N6分別代表3°帶和6°帶帶號，根據上述投影分帶關系可以得出兩個這樣的計算公式：

L₀=N₃×3°（1）

L₀=N₆×6°-3°（2）

那么確定帶號值就成了問題的關鍵，這對于測量專業技術人員不在話下，而對于初學者和非專業技術人員來說就成了難題，其實在我們工作區域內的已知平面直角坐標或地形圖圖框中標定的平面直角坐標Y值已經標明了帶號。我國區域內帶號為兩位數值，八位Y值整數位（單位米）最前面的兩位數值就是帶號，如21、22；42、43等，只要我們把所確定的帶號數值帶入上述公式，既可算出該工作區域的中央子午線經度。另外在如何區分3°帶號和6°帶號時只需把握兩點即可，一是2.5萬分之一以下的小比例尺地形圖所標定的帶號一般為6°帶帶號；而1萬分之一以上的大比例尺地形圖所標定的帶號一般為3°帶帶號；二是就一定的行政區域內來說，如一省、一市只有屈指可數的幾個帶號，且3°帶號是6°帶號數值的一倍左右，很好區分，就吉林省來說，常用的3°帶號只有21、22兩個；6°帶號只有41、42、43、44四個，很容易掌握。例如，我們知道在吉林省某地區施工，所用地形圖顯示為22帶投影坐標，由上述知識即可知該圖為6°帶投影，將22代入公式（2）計算得知該工作區域的中央子午線經度L0=22×6°-3°=129°。

1.2 根據大地坐標值（L）來確定工作區中央子午線經度。有時我們只有工作區或目標點的大地坐標（B、L）值，而設計圖紙的平面直角坐標值又沒有標出帶號，這怎么辦呢？這時我們只好用大地坐標L值來確定工作區的中央子午線經度。

用大地坐標L值來確定工作區的中央子午線經度需按以下步驟進行，首先是要用手中的資料或設計圖判定是進行6°帶設置還是3°帶設置，一般來說，除特殊要求外，2.5萬分之一以下的小比例尺地形圖均為6°分帶，然后，利用已知工作區或目標點的大地坐標L值計算出所在投影帶的分帶號，將帶號代入上述公式即可算出中央子午線經度。利用大地坐標L值計算帶號的方法是： 6°帶帶號算法是用L值整數位除以6 ，取整數商加1，例如，已知目標點經度L為127°18′35″，根據計算得知其分帶號是22（127÷6＋1=22）；3°帶帶號算法是將L值換算成度除以3按四舍五入取整數值即為帶號，例如，已知目標點經度L為127°18′35″，根據計算得知其分帶號是42（127.31÷3=42.437， 四舍五入取整數值即為42）。

另外對于已掌握投影分帶常識的用戶來說，還可以用圖示直觀法直接確定中央子午線經度，具體方法是：利用已知工作區或目標點的大地坐標L值與接近的分帶子午線經度作比對，經比對即可直接確定該工作區域中央子午線經度。，例如，已知使用資料為6°帶坐標 ，目標點經度為127°18′35″，根據（圖2 ）6°投影分帶的圖示可知22帶分帶子午線經度為126°至 132°，該目標點經度正好在此投影帶內，由此即可確定該工作區的中央子午線經度為129°

1.3 其他相關參數設置為：在我國境內中央子午線經度應設置為東經E，投影比例參數為1，東西偏差為500000，南北偏差為0，并設單位為米。一般情況下，這些參數保持默認設置。

2. 自定義坐標系統（User）投影參數的確定

在確定自定義坐標系統（User）投影參數之前，首先要判定手中的資料（地形圖、設計施工圖、已知點坐標等）是何基本坐標系統，如是北京坐標系、西安坐標系還是其他地方坐標系統，只有這樣才能計算使用與之相適應的投影參數，以免張冠李戴，造成不必要的麻煩。

2.1 自己觀測計算。新機拿到手之后，供應商都給提供一個投影參數，這對于要求不高的一般用戶來說基本可以滿足工作需要，而對于一些專業用戶來說，就要自己來測算參數。一般型號的導航型手持GPS自定義坐標系統（User）投影參數設置界面都提供了五個變量（△X、△Y、△Z、△A、△F）需要設置，而實際工作中，后兩個參數（△A、△F）針對某一坐標系統來說為固定參數（北京54坐標系△A=-108、△F=0.0000005），無需改動，需要自己測算的參數主要為前三個（△X、△Y、△Z），一般稱為三參數。

測算三參數的基本方法是，首先在已知控制點上測量一個穩定的WGS-84大地坐標（B、L）值，然后，運用專用測量程序既可算出一個三參數來。三參數計算出來后，將其輸入GPS中再到已知控制點上觀測比對，最好再到另一已知控制點上觀測檢校，如比對檢校差值在規定允許誤差范圍之內，既可運用于實際工程測量工作。一般來說，只要到一新工區或工程點間距較遠（數十至上百公里以外）都要到已知控制點上重新進行觀測比對檢校，沒有問題才能進行實際工作。

2.2 搜集使用經驗成果。在導航型手持GPS的實際應用中，有相當一部分使用者，不掌握三參數的計算程序和計算方法，那么只好靠搜集使用一些經驗成果，把搜集來的三參數輸入GPS后到已知點上進行觀測比對，只要滿足工程施工的精度要求，就可直接應用于實際工作，無需自己進行測算。搜集三參數經驗成果有許多途徑，如經銷商、測繪管理部門、同行、同學和互聯網等。

在近年的實際工作中，筆者運用專業測量型高精度GPS在吉林省內部分地區觀測計算了部分三參數（北京54坐標系統），列表如下，以供參考使用(表1)。

另外需要說明的是，如果外業觀測比對檢校超限(一般型號的手持GPS限差為15m)，應主要從以下三方面查找原因，一方面從外業觀測計算過程查找原因，主要察看在已知控制點上測量的WGS-84大地坐標（B、L）值成果是否正確、已知坐標成果是否可靠、所使用程序及計算過程是否合理正確；第二方面就需察看搜集使用經驗成果的來源是否正確可靠；第三方面需察看GPS本身是否有問題，如兩臺GPS在輸入同一三參數時，觀測成果和已知點成果比對，嚴重超差的那一臺就有可能是GPS本身出了問題。解決了所有的問題之后相信您一定能夠得心應手使用GPS來完成您的各項工作。

［文章編號］1619-2737（2008）10-07-050

［作者簡介］孟慶森（1958.1-），男，1980年8月畢業于長春地質學校測繪專業，高級工程師，主要從事于野外地質工程測量工作，從2000年開始接觸使用過多種型號的單 、雙頻GPS，其中主要包括導航型手持GPS和單雙頻測地型 GPS。