手持GPS的参数解算及在地质勘查中的应用

　　摘要:手持GPS未经参数校正时定位精度为80－120米，利用测量控制点进行参数校正后定位精度可提高至5米以内，在地质勘查中熟练运用手持GPS将大大提高野外工作效率。
　　
　　关键词:手持GPS,参数解算,参数设置,地质勘查,应用
　　
　　1 概况
　　GPS是由美国国防部于1973年开始历经20年研制成功并投入使用的卫星导航定位系统，该系统由24颗在轨卫星、地面控制站、用户接收机组成；坐标系采用WGS－84世界大地坐标系，该坐标系原点是地球的质心，基本参数为：长半轴а=6378137m,地球扁率α=0.00335281066474。改系统具备全天候及全球连续导航定位能力。目前,GPS作为新一代的卫星导航定位系统已在军事、交通运输、测绘、高精度时间比对及资源调查等领域中得到了广泛的应用[1]。
　　作为用户接收机的手持GPS在任何地方开机只要锁定4颗GPS卫星即可进行定位，未经参数校正时定位精度为80－120米，利用测量控制点进行参数校正后定位精度可提高至5米以内。目前国内较常用的机型有由北京合众思社科技有限公司代理的eTrexVenture(奇遇)、麦哲伦（MAGELLAN）等,其中eTrexVenture(奇遇)机型市面售价在2000元人民币左右，具有轻便，操作简单，接收卫星及定位速度快等特点，为大多单位和个人所接受。本文以该机型为例介绍其参数的解算与设置及其在野外中的应用。
　　
　　
　　2参数解算
　　2.1参数介绍
　　参数解算时需了解GPS所采用坐标系及其需转换的坐标系的基本参数，如常用的1954年北京坐标系(以下简称54坐标)和1980年西安坐标系(以下简称80坐标)，表1列出了3种坐标系的基本参数。
　　表1常用坐标系的基本参数

　　2.2参数解算原理
　　参数解算其实就是求得不同坐标系之间的转换参数。对于既有旋转、缩放，又有平移的2个空间直角坐标系的坐标转换，存在着3平移参数和3个旋转参数以及1个尺度变化参数，共计有7个参数，要求得这7个转换参数，至少需要3个公共点[2]，且需知道3个公共点的3套不同坐标值，这在现实中很难做到，亦无需做到，因为手持GPS即便有精确的7参数设置也无法达到高精度(厘米级)的定位。
　　手持GPS经销商在出售设备时往往会提供各省不同地区的转换参数，值得注意的是此参数误差极大,依据此参数在实地定位所测坐标值基本无法使用，因此在工作中应慎用。为了获得较高精度和可靠的绝对定位坐标，就必需进行参数校正。
　　实际应用中，一般需求得5个转换参数，分别为：DA、DF、DX、DY、DZ，其中DA为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球长半轴的差值，即与54坐标系差值为-108，与80坐标系差值为-3；DF为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球扁率的差值，即与54坐标系差值为-0.000000480795,与80坐标系差值为-0.0000000025。从上述可知DA、DF为固定值，真正需解算的只有3参数DX、DY、DZ，这样即可利用一个控制点的3套坐标求得。
　　综上所述，可知根据所转换的坐标系需收集的资料有：至少一个控制点的3套坐标，即WGS－84坐标、54坐标、80坐标。WGS－84坐标可向矿区的专业测绘人员索取，困难时也可用手持GPS在实地控制点上测定。高等级控制点（如国家一二等）的54坐标和80坐标成果可向省地理信息中心购买，对部分控制点（如军控点）没有80坐标成果的，可采用该点的54坐标成果数值扣除该点所在的54坐标的1：1万地形图与80坐标的1：1万地形图之间的图框偏移量，所得出80坐标成果精度仍可满足参数解算要求。需指出的是54坐标系的1：1万地形图与80坐标系的1：1万地形图间转换的图框偏移量目前尚属密级资料，用户仍需向资料归口单位按程序要求购买。
　　2.3参数解算软件
　　参数解算大都采用坐标转换软件。坐标转换软件很多，笔者在本文介绍一款COORD的转换软件，该软件在网上可下载，为绿色软件，无需安装，可直接点击打开，具有小巧(仅172KB)、界面友好、操作简单、功能齐全等特点，目前较通用的为4.2版本(图1)。
　　
　　图1坐标转换软件COORD
　　Fig。1CoordinateconversionsoftwareCOORD
　　2.4参数解算实例
　　以下以我队完成的福建省安溪县某铁矿预查矿区为例，介绍手持GPS的3参数解算。该矿区平面坐标采用80坐标系，高程控制采用1985国家高程基准。在该矿区进行3参数解算时所采用的控制点为我队测绘人员布设的一级GPS点，成果属3°投影带，中央子午线117°，高斯平面直角坐标。经参数校正后用手持GPS实地检测其余控制点坐标，X差值最大0.3米，Y差值最大1.2米，H差值最大3米，定位精度完全满足地质人员野外作业要求。
　　解算步骤如下：
　　（1）在图1的坐标转换软件菜单上点击“坐标转换”，在弹出的下拉菜单上选择“投影设置”，在“投影方式”下点击选择“高斯投影3度带”，最后在右边的“投影参数”下依次正确写上矿区的“中央子午线117：00：00”，其余均按软件默认的，即“尺度=1、X常数=0、Y常数=500000、基准纬度=00：00：00、投影面高程=0、投影平均纬度=00：00：00”，之后点击“确定”,如图2。

　　图2投影设置
　　Fig.2Projectionset
　　（2）在图1的坐标转换软件菜单上点击“坐标转换”，在弹出的下拉菜单上选择“计算三参数”，在“大地坐标”和“平面坐标”下分别填上WGS－84坐标80坐标及高程，在椭球基准上按照所填坐标对应选择WGS－84坐标系，国家－80坐标系，如图3。
　　
　　图3控制点坐标输入

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