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测绘工程毕业论文

本科学生毕业论文

GPS三维坐标成果转换方法研究

系部名称：

测绘工程

专业班级：

BW05-24班

学生姓名：

毕荆成

指导教师：

李秀海

职称：

副教授

黑龙江工程学院

二○○九年六月

TheGraduationThesisforBachelor'sDegree

ConversionMethodofGPS

Three-DimensionalCoordinates

Specialty：

EngineeringofSurveyingandMapping

ProfessionalandClass:

BW05-24classesCandidate：

BiJingcheng

Supervisor：

AssociateProfessorLiXiuhai

HeilongjiangInstituteofTechnology

2009-06H·arbin

摘要

GPS是一项高新科学技术，它的应用非常广泛，能服务于军事、地球科学、交通部门、测绘、信息部门和航天科学技术。

GPS是以空中卫星为基础的无线电导航系统，能全天候、全方位连续快速实时地提供高精度的三维距离，三维的速度值，及高精确度的时间信息。

用户只要有GPS信息接收机就可以进行空间定位来为本专业服务。

首先，本文从地球几何形状及数学描述等基础理论出发，对整个坐标系进行分类，介绍了GPS数据所采用的世界大地坐标系WGS-84和我国常用的坐标系—北京54坐标系、西安80坐标系、地方独立坐标系。

通过对国内外坐标转换模型成果的理论分析，提出了解决坐标转换的问题，总结了转换参数的求解方法。

其次，研究如何将GPS测

量数据进行满足精度要求的坐标转换，如何合理地确定转换模型和转换参数，进一步对转换数据的不同、转换方法的不同、转换点个数不同对精度影响以及处理方法进行了系统的研究，成功的解决了土木工程，测绘行业领域中，GPS测量数据坐标转换的难题。

在一定程度上推动了GPS技术在我国工程领域中的应用和发展。

关键词:

全球定位系统，坐标转换，转换参数，坐标系统

Abstract

GPSisahigh-techscienceandtechnology,itiswidelyusedtoservingthemilitary,earthsciences,transportationdepartments,mapping,informationandspacescienceandtechnologysector.GPSisasatellite-basedairradionavigationsystemcapableofall-weather,all-roundfortherapiddeliveryofhigh-precisionreal-timethree-dimensionaldistance,therateofthree-dimensionalvalue,andhigh-accuracytimeinformation.UsersofinformationaslongasthereisGPSreceiverwillbeabletocarryoutspace-basedpositioningforprofessionalservices.

Firstofall,thisarticlefromtheEarth'sgeometryandmathematicaldescriptionofthebasisoftheory,theentirecoordinatesystemofclassification,introducedtheGPSdatausedinthelandoftheworldcoordinatesystemandWGS-84coordinatesystemcommonlyusedinChina-Beijing54coordinatesystem,Xi'an80coordinatesystem,localcoordinatesystemindependent.Coordinatetransformationathomeandabroadthroughtheresultsoftheoreticalanalysismodelisproposedtosolvetheproblemofcoordinatetransformation,summedupthesolutionoftransformationparameters.Secondly,tostudyhowtheGPSmeasurementdatatomeettheaccuracyrequirementsofthecoordinatesoftheconversion,howtodetermineareasonableconversionmodelandtransformationparameters,andfurtherdataontheconversionofthedifferentmethodsofconversion,theconversionpointofaccuracytheimpactofthenumberofdifferentprocessingmethods,aswellasthesystem,thesuccessfulresolutionofthecivilengineering,surveyingandmappingindustries,GPScoordinatesofmeasurementdataconversionproblems.Acertainextent,promotedtheGPStechnologyinthefieldofengineeringapplicationsanddevelopment.

Keywords:

globalpositioningsystem,coordinatetransformation,conversionparameters,coordinatesystem.

摘要·I

Abstract·II

第1章绪论·1

1.1研究背景·1

1.1.1全球定位系统概述·1

1.1.2GPS在我国的应用状况·2

1.2研究目的和意义··2

1.3研究的主要内容··3

第2章地球几何形状及我国常用的坐标系··4

2.1地球几何形状及数学描述·4

2.2常用大地测量坐标系·5

2.2.1国际上常用的地心坐标系——WGS-84坐标系·6

2.2.2我国常用参心坐标系·7

第3章不同坐标系的坐标转换··10

3.1坐标转换问题的解决思路·10

3.2空间直角坐标系的坐标转换模型·10

3.2.1武测模型·10

3.2.2三参数模型··11

3.3转换参数的求解方法·12

3.4同一坐标框架空间直角坐标系与大地坐标系转换·12

3.4.1大地坐标系转换空间直角坐标系·12

3.4.2空间直角坐标系转换大地坐标系·12

第4章坐标转换方法的研究·14

4.1GPS测量数据向地面坐标系转换·14

4.1.1二维转换数学模型方法·14

4.1.2三维转换·17

4.2GPS坐标转换软件·19

4.2.1硬件环境·19

4.2.2软件环境·20

4.2.3软件基本操作·20

4.3实例分析·23

4.3.1测量数据·23

4.3.2操作步骤·26

4.3.3转换数据分析、比较·30

结论·36

参考文献·37

致谢·39

附录·40

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1全球定位系统概述

全球定位系统（GlobalSatelliteSystem,简称GPS），是以卫星为基础的无线电导航定位系统[1]。

1993年12月底24颗卫星已由美国全部发射完成，其中21颗为基本星，3颗为轨道备用的卫星。

这24颗星分别布设在6个圆形轨道面内，其高度20183km,圆形轨道面对赤道面的倾斜角为55°,围绕地球旋转一周约11个小时58分，这种星座的分布保证硬盖全地球，在地球表面的任何地点都能同时在地平线上10°以上的空间接

收到4-6颗卫星，来保证确定地面接收站的空间信息。

卫星向地面发射两个波段的载波信号:

L1信号的频率为157542MHz、L2信号的频率为1227.6MHz，卫星上安装了精度很高的原子钟，来保证频率的稳定性。

在载波上调制有表示卫星位置的广播星历用来为C/A码测定距离服务。

由于用户只接收卫星的信号，因此隐蔽性很强，用户的数量也受不到限制，所以GPS在测绘领域引起了革命性的变化，从几平方公里的控制网到几千平方公里的控制网以及工程放样、地籍测量、控制点测量、变形监测网的建立等都获得广泛的应用。

由于GPS具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能[2],能提供连续、实时、精密的三维坐标、速度和时间信息，所以广泛用于现代工程施工中。

GPS系统有三个组成部分:

1）空间部分:

即由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成（21+3）GPS卫星星座，主要向用户设备提供测距信号和数据电文;

2）操作控制部分:

即地面监控系统,包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主要对卫星作跟踪和维护，并对卫星的健康状况、信号的完好性和卫星的轨道布局进行监控，更新卫星的时钟校正量和星历，提供定位、定速、定时（PVT）的重要参数;

3）用户设备部分:

通常称为GPS接收机，由4个主要单元组成:

天线、信号处理控制器、输入输出装置和电源。

用来捕获按一定卫星高度截止角所选择的卫星信号，跟踪这些卫星的运行，对所接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，测量出信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出导航电文，以进行定位、定速、定时（PVT）[3]。

当初，设计GPS的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。

经过后来的应用开发，GPS不仅能够达到军事要求，而且能够进行毫米级甚至更高精度的静态相对定位，米级至厘米级精度的动态定位和速度测量，以及毫微秒级精度的时间测量。

研究及应用实践证明[4]GPS相对定位的精度在50km以内可以达到106、100-500km可达107、1000km以上可以达到109,在300-1500m工程精密定位中，1小时以上静态观测的位置误差小于l毫米。

目前，20km以内的静态定位仅需要10-20分钟;快速静态定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间仅需1-2分钟;动态定位测量，流动站出发时观测1-2分钟，然后可以实时定位测量，每站观测仅需几秒钟。

又由于GPS具有观测时间短、测站间无需通视、可提供高精度的三维坐标、操作简便、全天候作业、多功能等特点，因此GPS展现了极其广阔的应用前景。

1.1.2GPS在我国的应用状况

80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。

多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量的工作[5]。

一些大规模、高精度的GPS网相继建立，主要包括:

国家GPSA,B级网，总参测绘局布测的国家GPS一、二级网，中国地壳形变监测网，区域性的地球形变监测网和中国地壳运动监测网。

这些高精度GPS网为我国新一代地心坐标系的建立、区域性地壳形变分析、大地测量、工程测量、地震预报、气象学研究、地球动力学研究等产生了巨大的推动作用。

随着GPS应用领域的相关理论不断成熟，GPS技术的不断完善，又由于GPS技术所具有的高精度，全天候，高效率，多功能，操作简便，费用省，劳动强度低等优点，GPS技

术广泛应用在军事、交通、邮电，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等各个部门和行业，在航空航天、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。

此外在测绘领域，又基于GPS测量不要求通视，只需测站上空开阔即可的特点，极大的推动了测绘行业的发展，在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、水下地形测量等领域应用极为广泛。

我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，GPS技术的应用正向更深层次发展。

1.2研究目的和意义

由于历史原因和空间技术的发展局限，目前世界上广泛采用的定位模型约有100余种，基于这些模型的空间直角坐标系、大地坐标系、平面坐标系等种类繁多复杂。

不同坐标系表示的同一点的坐标也不完全一样。

在我国的各个领域内，存在着几十种不同的坐标系统。

例如:

天文测量中的黄道坐标系、时角坐标系和各种赤经坐标系;大地测量中的天文坐标系、大地坐标系、参心坐标系、地心坐标系:

高斯一克吕格平面直角坐标系;地区工程测量、航空摄影测量中的地方独立坐标系;数字制图中的各种投影平面直角坐标系等等。

这些众多类型的坐标系，在各自的学科中有具有一定的理论意义和使用价值.产生了大量的坐标数据资料。

对于低精度的定位、导航，如海洋航行船舶定位，对坐标系不同引起的定位偏差可以不予特别重视。

但对于航空定位、交通车辆导航、飞弹制导、地质资源定位等要求米级精度，大地测量、工程测量、线路侧量、数字制图等需求更高精度位置信息的领域，不同坐标系间的误差值就会带来了很大的困扰，甚至导致事故的发生。

在需要高精度位置信息的领域和地区，为避免不同坐标系误差带来的不利影响，为获得高性能的综合效果，必须将它们的坐标系统一起来。

如何充分利用这些已有的坐标数据，作到资源互补，避免信息资源浪费，对于科学研究至关重要。

在我国测量领域，大量的数据成果都是基于1954年北京坐标系，1980西安坐标系和工程独立坐标系。

在GPS测量应用中，就存在如何将GPS测量数据进行满足精度要求的坐标转换。

坐标转换是实现GPS测量成果转换为国家或局部地方坐标系成果的重要保证。

因此，研究出不同坐标系的转换模型，合理的确定转换参数的问题就十分重要，国内外许多科研院所、专家学者对此作了大量的研究工作[11]。

采用不同的转

换模型和不同的转换参数的计算方法，其得出的结果会有很大的差异，因此研究和总结比较各种坐标转换模型的原理和转换精度，发现并消除它们之间存在的系统性差异和不足，改进坐标转换的数学模型及转换参数，提高坐标转换精度以满足生产要求就显得尤为重要。

1.3研究的主要内容研究的内容主要是从地球的几何形状及其数学描述等基础理论出发，对整个坐标系进行分类。

系统地总结、分析了国际、国内相关的坐标转换方法的研究成果，进一步探索不同坐标系间坐标转换的数学模型，对如何提高转换参数的求解效率和精度的方法进行了归纳。

重点研究了WGS-84坐标系向我国常用的坐标系（北京54坐标系、西安80坐标系、地方独立坐标系），进行坐标转换的方法。

以WGS-84坐标系向北京54坐标系坐标转换为例，提出了进行坐标转换的思路，并提出了改进的数学模型，给出了可靠的理论依据及实用简化方法。

最后,运用已有的GPS数据坐标转换的软件，解决了土木工程测量，车辆导航、监控，电子地图等领域的GPS数据坐标转换的问题。

第2章地球几何形状及我国常用的坐标系

2.1地球几何形状及数学描述

由地球自然表面所包围的体形称为地球体。

假定海洋的水体只受重力作用，无潮汐、风浪的影响，处在完全静止和平衡的状态，将该海洋的表面延伸到大陆的下面并处处保持着与垂线方向正交这一特征的整个封闭曲面，称为大地水准面。

大地水准面包围的体形称作大地体[12]。

大地体是一个不规则的几何体。

在一般应用上，将地球圆球体作为它的第一近似体:

在大地测量学、地图学和精确的航海计算中，将大地体当作两极略扁的地球椭圆体，才能够得到有足够精度的计算结果。

这种地球椭圆体作为大地球体的第二近似体;根据人造卫星的观测资料和精确的大地测量得知，赤道和纬度圈可看作是一个椭圆，此时大地球体就是三轴椭球体。

把这个三轴椭球体作为大地球体的第三近似体，简称地球椭球体。

为了认知地球并便于测量计算，必须选择一个与地球大地体的大小及形状都十分接近，而又能用数学公式简单表示的地球椭球体来代表地球。

地球椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的几何形体[13]如下：

图2-1地球椭球体

所示。

以0为中心,PEPE是一个椭圆，以短轴PP'为旋转轴，旋转360即成为椭球。

通过椭球中心并包含短轴的平面叫做子午面，它与椭球面的截线称为子午圈或经圈。

过某一大地点所作的子午面叫做该点的大地子午面。

通过椭球中心0而与短轴垂直的的平面叫做赤道面，它与椭球面的截线称为赤道圈。

与赤道面平行的平面和椭球面的截线称为平行圈或纬圈。

地球椭球的基本元素是由子午椭圆的基本元素来决定，决定地球椭球体形状的基本元素有:

椭球的长半径:

a

椭球的短半径:

b

椭球的扁率:

ab

a

a2b2

子午椭圆的第一偏心率:

e2a2b

a2

a2b2

子午椭圆的第二偏心率:

e2a2b

b2

地球椭球体参数是根据大地测量成果计算出来的。

由于各国家所处地区不同，所采用的测量数据、数据质量及计算方法不同，因此所采用的地球椭球体的参数也略有差异。

在我国，至今已采用过或正在采用的三个地球椭球体，见

表2-1

椭球体名

a（m）

推荐年代

使用情况

Hayford

6378388

1/297.0

1909

1954年以前

Krassowski

6378245

1/298.3

1940

1954北京坐标系

IUGG-1975

6378140

1/298.257

1975

1980西安坐标系

注:

IUGG-1975:

采用1975年国际大地测量与地球物理联合会（InternationalUnionofGeodesyandGeophysics,IUGG）第十六届大会推荐值。

表2-1我国采用的地球拥球体的主要参数

克拉索夫斯基椭球体在我国使用30多年，基于此椭球体的1954年北京坐标系在全国测绘生产中发挥了巨大作用。

如布测量全国天文大地网，实施了天文大地网局部平差，测绘了多种比例尺地图等。

以1954年北京坐标系为基础的成果资料己渗透到经济建设和国家建设的许多领域，目前，相当数量的控制点的坐标仍属于该系统。

2.2常用大地测量坐标系地面上任一点的位置，可以用各种不同的坐标系来表示。

目前世界上存在有许多坐标系，但大体上可以划分为两类:

直角坐标系和球面坐标系，常用的坐标系有地心坐标系、参心坐标系、站心坐标系等，如图2-2所示。

GPS是采用WGS-84坐标系，属于地心坐标系;国家坐标系是一种参心坐标系。

图2-2常用坐标系示意图地心坐标系：

原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。

参心坐标系：

通常选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地原点，通过天文测量确定其参数，其原点一般不与地球质心重合，而是位于地球质心附近，这种坐标系称为参心坐标系，建立参心坐标系需进行如下的几个方面的工作：

（1）选择或求定椭球的几何参数。

（2）确定椭球中心的位置。

（3）确定椭球短轴的指向。

（4）建立大地原点。

2.2.1国际上常用的地心坐标系——WGS-84坐标系

GPS的测量成果,于1987年1月10日开始采用WGS-84世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem），以取代1987年以前所采用的WGS-72。

WGS-84坐标系是由美国国防部制图局依据TRANSIT卫星定位侧量成果而建立的一种协议地球坐标系（CTS,ConventionalTerrestrialSystem）[20]。

它是GPS卫星广播星历和精密星历的参考系。

WGS-84坐标系理论上是一个以地球质心为坐标原点的地心坐标系，其坐标系的定向与BIH1984.0所定义的方向一致，其Z轴指向此BLH系统所定义的协议地极（CTP）的方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面与CTP赤道的交点。

由于WGS-84所定义的地球质心与由BLH台站坐标所定义的地心不完全一致，因此，WGS-84所相应的地球赤道面与BLH所定义的赤道面并不重合，而是保持平行。

WGS-84的格林威治子午面也与BLH所规定格林威治子午面相平行,于是WGS-84的X轴即为WGS-84赤道面与WGS格林威治子午面的交线。

Y轴指向按右手法则确定。

WGS-84通过美国海军导航卫星系统（NNSS）在坐标原点、尺度因子、经度零点等定义上作了一系列的改进，以与BLH于1984年所定义的CTS相一致。

2.2.2我国常用参心坐标系

在经典大地测量中,为处理地面控制网的坐标，通常选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地原点，通过天文测量确定其参数，其原点一般不与地球质心重合，而是位于地球质心附近，这种坐标系称为参心坐标系。

参心坐标系的主要特点是它与参考椭球体的中心（即参心）有密切关系。

参考椭球体的中心，一般与地球质心（即“地心”不）一致，因此，也称之为非地心坐标系。

参心空间直角坐标系是以参心0

为坐标原点，以起始子午面与赤道的交线为x轴,以椭球的旋转轴（短轴）为z轴，向北为正,在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴。

构成右手直角坐标系0-XYZ。

地面点P的点位用（X,Y,Z）表示，它们是位置向量在三个坐标轴上的投影。

空间一点的参心大地坐标用大地纬度B，大地经度L和大地高H表示。

地面点P的法线与赤道的夹角B，称为p点的大地纬度，由赤道面起算，向北为正（0-90），称为北纬:

向南为负（0-90），称为南纬。

P点的子午面与起始子午面所构成的二面角L,称为P点的大地经度，向东为正（0-180），称为东经，向西为负，称为西经。

P点沿法线方向到椭球面的距离，称为P点的大地高H。

大地高H与常用的正高H或正常高H的关系是:

（2-3）

HHN

HH

式（2-3）中N表示大地水准面差距,它是相应点沿铅垂线自大地水准面至椭球面的距离;表示高程异常,它是自大地水准面至椭球面的距离。

参