GPS控制网优化技术及坐标转换研究

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  摘 要:随着科学技术的不断发展,GPS技术在各行各业都已经广泛应用,并且在很多领域都起到非常关键的作用。但是目前的GPS技术仍存在很多问题,需要进一步优化和更新。本文就简单阐述了GPS控制网的建立和定位原理,并进一步分析了GPS控制网优化设计的方法,最后对GPS测量常用坐标系以及坐标的转换展开讨论,以供参考。
  关键词:GPS控制网;优化技术;坐标转换
  全球定位系统不仅应用在导航领域,也广泛应用于通讯和测绘等各个行业,随着科学技术的发展,目前已经使用卫星定位系统代替了传统的大地测量定位方法,这也促进了GPS卫星定位技术的深层次发展,GPS控制网的优化和坐标转换的研究事宜也随之提上日程。
  一、GPS控制网的设计原则及特点
  GPS控制网的概念,就是通过对GPS定位技术的应用而建立的控制网。主要包括全国性高精度GPS控制网和区域性GPS控制网两类。一般而言,GPS控制网技术设计的原则主要包括以下几点:一是对其应用范围要充分考虑;二是布网要分级,控制要逐级;三是严格按照精度标准执行;四是确定起算数据和坐标系统。
  二、关于GPS控制网优化技术和坐标转换的研究现状
  (一)关于GPS控制网优化技术的研究现状
  作为大地测量的经典研究课题,控制网的优化自20世纪中期就受到各国的高度重视。当时大地测量学者对控制网优化的研究成果主要包括三点:一是将控制网设计分为零类设计、一类设计、二类设计和三类设计四类;二是对控制网评价标准加以确定;三是确定了机助法和解析法两种设计控制网的方法。
  GPS技术应用之后,各国学者提出很多研究方法,包括从基线向量、点位位置、多余观测量、观测精度等各个方面入手,但提出的研究方法都非常复杂,在实际测量作业中的应用效果并不好。
  (二)关于GPS坐标转换方面的研究现状
  GPS定位成果是WGS-84坐标系的一部分,必须通过转换坐标系,一方面满足军队对国家坐标系的需求,另一方面满足工程施工对地方坐标系的要求。
  一般而言,目前常用的GPS坐标转换方法包括相似变换法、直接参数法、综合变换法、多项式逼近法以及正形变换法等。关于GPS坐标转换为地方独立坐标系时,多采用平面四参数法、高斯投影转换法等方法。
  三、GPS控制网优化设计探讨
  作为工程建设的基础性工作,建立局域GPS控制网至关重要,而GPS控制网建立的核心和前提,就是GPS控制网的设计环节。GPS控制网的优化设计,也就是在尚未进行GPS测量工作时,就根据经济性、可靠性以及精度性等原则,来制定GPS控制网的最佳设计方案。
  (一)简述GPS控制网优化设计应当注意的指标和常用方法
  对GPS控制网进行优化设计,应当注意一下四方面的指标:
  一是效率指标;二是可靠性指标,包括外可靠性和内可靠性两方面,前者是指GPS控制网对粗差进行抵御的性能,后者是指GPS控制网对粗差进行发现的性能;三是精度指标,一般而言,一旦确定了GPS控制网的观测作业方式和布网方式,也就确定了GPS控制网的网形,进而获取其协因数阵;四是费用指标,通常情况下,GPS控制网中重复设站率和网点总数共同决定了经费的高低。
  GPS控制网优化设计的方法主要分为两种,即解析法与模拟法。
  解析法是一种非常严密的设计方法,其基础理论是最优化理论。虽然解析法的结果在数学原理上是最优解,但实际情况并非如此,因为其约束条件和目标函数都只是简化之后的数学模型,而且其优化后会进行取整,也影响了结果的最优性。加之解析法的优化设计软件很难开发,这也导致了解析法虽然研究很多,但始终没能真正投入实践当中。
  模拟法与解析法不同,它更多的算作一种试算法。它的基本过程可以表述为:
  设计者结合经验知识和优化任务设计初始方案→根据模拟观测值对初始方案平差计算→评价平差结果→修改初始设计方案→反复重新计算修改→得出最佳方案。需要注意的是,模拟法的目标函数可以以费用,或者未知数的函数,或者特征值作为目标函数。
  (二)不同类的GPS控制网设计的注意事项
  不同类的GPS控制网设计的注意事项也不同。针对GPS控制网零类优化设计,应当注意GPS控制网的基准设置,包括尺度基准、方位基准和位置基准;针对GPS控制网一类优化设计,应当注重GPS的网形设计,一般包括环形网、三角形网和星形网三种;针对GPS控制网二类优化设计,要遵守设计在先,施工在后的原则,要准确估计GPS控制网的网点位精度和基线协方差阵;针对GPS控制网三类优化设计,主要是面对对GPS控制网进行加密的问题,加密有利于提升观测值对可靠性和精度的影响。
  四、关于GPS常用坐标系和坐标转换的研究
  前面我们已经提到,GPS定位成果是WGS-84坐标系的一部分,但是常规的地面测量主要是地方独立坐标系或者国家大地坐标系,因此,必须研究两者之间的转换关系,才能保证其在方向、位置和尺度上具有可比性。
  (一)GPS中常用的坐标系统阐述
  我国常用的GPS参心坐标系,主要包括1954年北京坐标系、新1954年北京坐标系以及1980年国家大地坐标系。而一般情况下通常使用的地球质心坐标系包括WGS-84坐标系、ITRF系列坐标框架、DX-1转换参数、DX-2转换参数以及2000国家大地坐标系。
  除了上述坐标系统之外,因为城市测量中,涉及范围较小,如果直接将控制网建立在国家坐标系中,会导致数据误差较大等问题,也影响工程施工和质量,无法满足用户的需求,因此,通常需要建立地方独立坐标系,但是,建立地方独立坐标系,必须充分考虑以下几点元素,即坐标系的中央子午线、起算方位角、起算点坐标、参考椭球体和投影面大地高等。
  (二)关于地方独立坐标系转换的探讨
  在实际测量中,实用的测量成果一般属于局部的坐标系,必须将属于WGS-84坐标系的GPS定位成果进行转换,才能投入应用,一般而言,通常采用高斯投影法来转换地方独立坐标,步骤包括:一是根据实际情况和测区范围确定测区投影的子午线;二是通过对平面坐标和平面控制点的分析来确定参考椭球;三是把WGS-84坐标系的坐标转换成既定坐标系统的大地坐标;四是选择参考椭球;五是转换高斯平面坐标;六是通过坐标函数拟合法或者最小二乘转换法获得点位的当地坐标。
  (三)关于异空间直角坐标系转换的探讨
  异空间直角坐标转换主要包括三种类型:一是不同地心空间的直角坐标系转换,二是不同参心空间的直角坐标系转换,三是上述二者的综合转换。对于异空间直角坐标系的转换,主要依靠范士模型、巴代卡斯模型以及沃尔夫模型之类的三维系统间的变换模型。
  结语:
  随着城市建设和工程施工对GPS定位技术的要求越来越高,必须进一步加强GPS控制网的优化设计,并寻求更多的坐标转换方法,才能满足各行各业的定位需求,提升全球科技水平。
  参考文献:
  [1] 覃锋,罗天文.水利工程GPS控制网和三角高程测量的布设及精度实例分析[J].中国农村水利水电,2014,(10):142-145.
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  [3] 赵庆海.高精度GPS向量网抗差估计[J].测绘学报,2004,33(1):43-46.
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