GPS-RTK 坐標轉換技術

陳 慧

（1.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；2.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

0 引言

在RTK 測量中，直接得到的成果不能直接在WGS-84 坐標系中使用，必須將其坐標系轉換至地方（或國家）網(wǎng)格坐標系中。 坐標轉換精度對測量成果有著至關重要的作用。 首先，它影響著基準站（RTK 的組成部分）的啟動方式。 在已知點上啟動基準站時，當有測區(qū)的坐標轉換參數(shù)時，可用該已知點坐標直接啟動基準站；若沒有，則需在此位置用單點定位的方式啟動[1]。 其次，它直接影響點位放樣的正確與否。 無論基準站在已知點上啟動還是在未知點上啟動，若測區(qū)的坐標轉換參數(shù)未知，都要利用放樣區(qū)內(nèi)幾個同時具有WGS-84 大地坐標和地方（或國家）網(wǎng)格坐標的控制點，計算出坐標轉換參數(shù)[2]。 這樣，移動站才能根據(jù)坐標轉換參數(shù)，將實時觀測得到的任一點的WGS-84 坐標轉換為地方（或國家）網(wǎng)格坐標，進而準確放樣。 可見，坐標轉換是RTK 測量的必經(jīng)之路，其精度高低則直接影響到RTK 測量或放樣成果的質量，因此，GPS-RTK 坐標轉換技術值得深入探討。

1 GPS-RTK 坐標轉換的步驟

在實際應用中，有時也把坐標轉換稱為“點校正”[3]。 通常，可以利用專業(yè)軟件實現(xiàn)坐標轉換過程。這里以華測X90 GPS-RTK 的測量手簿軟件——測地通為例，分析基準站在未知點上啟動后，移動站進行點校正的步驟。

1.1 控制點測量

打開“測地通”軟件，進入軟件操作界面（如圖1所示）。 啟動移動站接收機，當測地通界面顯示“固定”后，就可以進行測量了。

圖1 “測地通”軟件操作界面Fig.1 Operation interface of X90 GPS-RTK software

點擊“測量→測量點”，進入相應的對話框（如圖2 所示）。 輸入點名稱，在“方法”一欄中選擇“已知控制點”，將“選項”對話框中“觀測時間”一欄設置為180 s，天線高度和測量部位選擇合適的選項，點擊“測量”按鍵，即測得該點位的信息。

圖2 測量點及設置界面Fig.2 Measuring point and set-up interface

1.2 控制點鍵入

點擊“鍵入→點”，進入鍵入點界面（如圖3 所示）。 在點名稱下輸入點的名稱，在“北”下輸入X 坐標、在“東”下輸入Y 坐標、在“高程”下輸入H 坐標，在“控制點”復選框中打“■”，點擊“保存”，即將該點存儲并自動進入鍵入下一點的界面。 所有控制點坐標鍵入完畢，即可退出界面。

圖3 鍵入點界面Fig.3 key-entry point set-up

1.3 求取坐標轉換參數(shù)

執(zhí)行“測量→點校正”，打開點校正對話框（如圖4 所示）。 選擇“增加”，在“網(wǎng)格點名稱”中選擇之前鍵入的控制點坐標，在“GPS 點名稱”中選擇該控制點的實測坐標，“校正方法”一般選擇“水平與垂直”。已知點增加完成后，點擊“確定”。 用同樣的方法加入其余控制點，最后選擇“計算”，即可在點校正對話框中看到點校正后的水平殘差和垂直殘差。 求得的坐標轉換參數(shù)可通過坐標管理器查看，而經(jīng)過坐標轉換后的任一點的網(wǎng)格坐標則可通過元素管理器查看。

1.4 精度分析方法

選擇若干個網(wǎng)格坐標已知的點作為檢核點，分別利用不同數(shù)量的校正點計算出坐標轉換參數(shù)，再使用移動站分別測出每次參與檢核的點的網(wǎng)格坐標， 最后用列表法得出網(wǎng)格坐標的實測值與已知值的差值。 通過檢核點間橫向比較這些差值，得出相應的結論。

2 應用實例

2.1 測區(qū)概述

圖4 點校正對話框Fig.4 Point correction dialogue frame

如圖5 所示，在某約1km2的測區(qū)內(nèi)布設有5 個參與點校正的控制點H76、H51、H81、H33、H68 和4個參與檢核的控制點JC1、JC2、JC3、JC4。 其中5 個參與點校正的控制點的網(wǎng)格坐標和WGS-84 坐標均已知，且H33 與其余4 個點的坐標值不在整體平差中，精度較其余4 個點低。 而4 個參與檢核的控制點僅網(wǎng)格坐標已知，需要將基準站架設在測區(qū)內(nèi)任一未知點上，用移動站分別測出這4 個點的WGS-84 坐標[4]。 以下通過3 種方案來分析坐標轉換的結果。

圖5 測區(qū)點分布圖Fig.5 Point distribution of measuring area

2.2 坐標轉換方案

方案1， 以H76、H51、H68 這3 個點參與點校正，查看4 個檢核點經(jīng)過校正后的網(wǎng)格坐標。將其與已知值相比，得出差值（如表1 所示）。

表1 方案1 檢核點坐標差（mm）Table 1 Checking point coordinate difference of Plan 1 (mm)

方案2， 以H76、H51、H68、H81 這4 個點參與點校正，查看4 個檢核點經(jīng)過校正后的網(wǎng)格坐標。將其與已知值相比，得出差值（如表2 所示）。ΔH +25 +21 -20 -22

表2 方案2 檢核點坐標差（mm）Table 2 Checking point coordinate difference

方案3， 以H76、H51、H33、H81 這4 個點參與點校正，查看4 個檢核點經(jīng)過校正后的網(wǎng)格坐標。將其與已知值相比，得出差值（如表3 所示）。

表3 方案3 檢核點坐標差（mm）Table 3 Checking point coordinate difference

2.3 精度分析

（1）從方案1 中可以看出，4 個檢核點都分布在校正點組成的三角形之外，與已知坐標的差值較大，且離此三角形越遠，誤差越大。

（2）從方案2 中可以看出，4 個檢核點都分布在校正點組成的四邊形之內(nèi)，與已知坐標的差值比較均勻。 較方案1 而言，坐標差值減小。 當參與校正的點增多時，高程差值減小[5]。

（3）比較方案3 和方案2 可以看出，雖然4 個檢核點都分布在校正點組成的四邊形之內(nèi)，但由于方案3 中參與校正的點精度不等（H33 較其余點精度低），故影響了校正點的整體精度[6]，4 個檢核點的坐標差值也較方案2 大。

3 結語

綜上所述，GPS-RTK 坐標轉換精度的影響因素主要有以下3 個：（1）校正點的分布情況。 在校正點所組成的幾何圖形的內(nèi)部進行測量，精度較高，否則精度較低，且離開幾何圖形越遠，精度越低。 （2）校正點的數(shù)量。 由于在RTK 坐標轉換中，高程是以擬合的形式進行坐標轉換的，其需要的校正點數(shù)量比平面坐標多，故校正點的數(shù)量增加有利于高程擬合。 （3）校正點的精度。 如果校正點的精度不同，勢必會影響整體精度，使移動站得到的三維坐標帶有系統(tǒng)偏差。

[1] 周建鄭. GPS 測量定位技術[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2004：157-158.

[2] 潘觀平. RTK 測量校正點分布對高程擬合精度影響[J].江淮水利科技，2009（2）:34-35.

[3] 魏二虎. GPS 測量操作與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學出版社，2004：190-191.

[4] 高永甲. 新疆兵團坐標轉換參數(shù)的確定[J]. 測繪與空間地理信息，2009，32(3)：202-204.

[5] 趙淑湘. 手持GPS 坐標轉換參數(shù)求解方法及在EXCEL中的實現(xiàn)[J]. 礦山測量，2009(2)：20-22.

[6] 王瑞忠. 兩種GPS 坐標轉換方法及解的穩(wěn)定性分析[J].山西建筑，2009，35(17)：357-358.