手持式GPS儀改正參數(shù)的內(nèi)業(yè)確定方法

朱向榮，孫 肖

（1. 武警黃金第八支隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830057）

目前，在地勘單位手持式GPS儀已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，如何確定改正參數(shù)已有不少討論[1-3]。筆者總結(jié)了一種新的手持式GPS儀改正參數(shù)的內(nèi)業(yè)確定方法：將控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)當(dāng)作WGS84坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)完全在室內(nèi)確定其改正參數(shù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 WGS84坐標(biāo)系與現(xiàn)有坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)前地質(zhì)工作中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有兩種：54北京坐標(biāo)系或80西安坐標(biāo)系。將WGS84 坐標(biāo)系與這兩種坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)程序一般需要5個(gè)環(huán)節(jié)：①高斯平面直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系→②大地坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系→③地心坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系→④地心坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系→⑤大地坐標(biāo)系到高斯平面直角坐標(biāo)系。這里重點(diǎn)介紹②③環(huán)節(jié)。②環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換公式如下[4]：

X= (N+H) cosBcosL,Y= (N+H) cosBsinL,Z=[N(1-e2) +H]sinB，其中（X，Y，Z）為地面點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)，（B，L，H）為其大地坐標(biāo)，N為卯酉圈曲率半徑，e為第一偏心率。

③環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化公式（不考慮旋轉(zhuǎn)及尺度因子變化）如下：

其中，（XS，YS，ZS）為地面點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)；（XT，YT，ZT）為其在目標(biāo)坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)；（ΔX，ΔY，ΔZ）為兩套空間直角坐標(biāo)之差，即手持GPS儀改正參數(shù)dX、dY、dZ。

手持式GPS儀中另外兩個(gè)改正參數(shù)dA、dF分別為WGS84系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的參考橢球之長(zhǎng)軸半徑之差與扁率之差，此處不詳細(xì)說明。

1.2 CGCS2000與WGS84的關(guān)系[5]

在定義上，CGCS2000與WGS84是一致的，即關(guān)于坐標(biāo)系原點(diǎn)、尺度、定向及定向演變的定義都是相同的。兩個(gè)坐標(biāo)系使用的參考橢球也非常相近，唯有扁率f有微小差異。因此，CGCS2000和WGS84(G1150)是相容的，在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)，CGCS2000坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)是一致的[5]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，完全可以將CGCS2000坐標(biāo)當(dāng)作WGS84坐標(biāo)使用。但需要指出的是，這樣做時(shí)高程需采用CGCS2000的大地高而非正常高。

1.3 一種假定：在目標(biāo)系統(tǒng)下點(diǎn)位的大地高值與正常高值相等

因大地高與所采用的參考橢球相關(guān)，所以54北京坐標(biāo)系與80西安坐標(biāo)系下的大地高為未知。為了采用以上公式進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行合理的假定：在目標(biāo)系統(tǒng)下點(diǎn)位的大地高值與正常高值相等。因?yàn)槲覈?guó)采用正常高系統(tǒng)，而地質(zhì)工作測(cè)區(qū)范圍有限，在有限范圍內(nèi)的高程異常變化一般不是很大，所以可以將54北京系或80西安系的參考橢球移位，把測(cè)區(qū)似大地水準(zhǔn)面直接當(dāng)作參考橢球面，即將正常高作為大地高。這樣，利用以上公式得到GPS儀改正參數(shù)后實(shí)測(cè)的高程，理論上就是我們所要的正常高。另外，對(duì)地質(zhì)填圖所用的掌上機(jī)，因RGmap系統(tǒng)中加載的地圖已設(shè)置了地圖參數(shù)，在軟件界面只需輸入東西偏差及南北偏差，這兩個(gè)參數(shù)可利用測(cè)區(qū)內(nèi)幾個(gè)國(guó)家三角點(diǎn)的CGCS2000與目標(biāo)系統(tǒng)的高斯直角坐標(biāo)之差的平均值得出。

2 新方法的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算過程可以在Excel表格中編程實(shí)現(xiàn)，如圖1、圖2所示。在Excel表格中建立固定格式的模板，同時(shí)賦予表中圖片相應(yīng)代碼。然后在相應(yīng)單元格中輸入收集到的測(cè)區(qū)所有國(guó)家三角點(diǎn)的兩套坐標(biāo)，點(diǎn)擊圖片即可完成計(jì)算。

圖1 起算數(shù)據(jù)表

圖2 改正參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖片代碼如下(其中用到的一些自定義函數(shù)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[6,7]：

3 檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)

今年我部承擔(dān)了新疆某地區(qū)3個(gè)圖幅的1︰5萬(wàn)區(qū)礦調(diào)任務(wù)。測(cè)區(qū)為高海拔地區(qū)，積雪時(shí)間長(zhǎng)，交通不便，年初出隊(duì)之時(shí)大部分國(guó)家三角控制點(diǎn)均無(wú)法到達(dá)。利用傳統(tǒng)方法校正GPS儀費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響后續(xù)物化探工作的進(jìn)展。針對(duì)此情況，我們收集了覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的22個(gè)點(diǎn)的兩套坐標(biāo)，利用以上方法在室內(nèi)計(jì)算出了手持式GPS儀及地質(zhì)掌上機(jī)的改正參數(shù)(經(jīng)試算，只要點(diǎn)位分布均勻，有3個(gè)以上的點(diǎn)位數(shù)據(jù)就能取得較理想的參數(shù))。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，將所有GPS儀設(shè)置好參數(shù)后選擇一個(gè)能到達(dá)的三角點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量驗(yàn)證，如表1。

表1 GPS改正參數(shù)正確性驗(yàn)證/m

檢驗(yàn)結(jié)果完全滿足各類《規(guī)范》對(duì)手持式GPS儀的規(guī)定。此法的最大優(yōu)點(diǎn)還在于消除了用手持式GPS儀在三角點(diǎn)上采集WGS84坐標(biāo)時(shí)的誤差對(duì)參數(shù)計(jì)算的影響，參數(shù)可靠性得到保證。同時(shí)需指出，從轉(zhuǎn)換原理可知，參數(shù)（dA、dF、dX、dY、dZ）與測(cè)區(qū)中央子午線數(shù)值無(wú)關(guān)，這對(duì)測(cè)區(qū)跨帶時(shí)有利，即只需改動(dòng)“中央子午線”一項(xiàng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)GPS儀在相鄰分度帶間切換使用。

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[2]侯宏斌，辛存林．手持式GPS在化探工作中的應(yīng)用[J]．甘肅科技，2003，19(12): 35-36

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[4]羅冰.GPS手持儀坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的簡(jiǎn)易解算方法[J]．地礦測(cè)繪，2003，19(2): 37-38

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[6]朱向榮．基于Excel VBA的高斯投影計(jì)算解決方案[J]．礦山測(cè)量，2012(1): 43-45

[7]朱向榮．基于Excel VBA的常用測(cè)量計(jì)算問題解決方案[J].地理空間信息，2013(5)：146-148