CN102589534A - 基线约束的单站坐标转换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基线约束的单站坐标转换装置及方法，属于控制测量用坐标转换装置及方法。利用该装置可进行坐标系之间转换参数的测定，装置包括：GPS接收机、RTK天线、全站仪棱镜、水平圆水准器、托杆、上底座、基座圆水准器、脚螺旋和下底座，托杆通过螺栓与上底座连接，托杆水平安装，在托杆的两端分别安装有GPS接收机、RTK天线和全站仪棱镜，在托杆的中间位置连接有水平圆水准器和基座圆水准器，上底座通过脚螺旋与下底座连接。利用在野外测量采集到的数据结合设计的方法进行转换参数的解算；在已知点个数为2个的情况下，该装置及方法解决了工程实践中坐标转换参数确定的问题，不仅有利于实际工程数据的处理，结构简单，方法清晰、易实现，且携带方便，具有很好的实用性。

Description

基线约束的单站坐标转换装置及方法
技术领域
本发明涉及一种控制测量用坐标转换装置及方法，特别是一种基线约束的单站坐标转换装置及方法。
背景技术
目前，坐标表示方法大致有三种：经纬度及大地高，空间直角坐标，平面坐标及高程。全球卫星定位系统即GPS测量的坐标为空间直角坐标XYZ，也可换算为经纬度及高程BLH。我国常采用的是北京54平面坐标及高程xyh，在已知投影基准和投影参数的情况下可转换为经纬度及高程BLH。其中，GPS坐标系统采用的是WGS-84椭球体，而北京54坐标系统采用的是克拉索夫斯基椭球体。基于相同椭球基准的坐标转换都是严密的，但在不同椭球体之间的坐标转换，因为它们基于两个不同的椭球基准，这种转换是不严密的。WGS-84坐标和北京54坐标之间是不存在一套可以在全国范围通用的转换参数。
对于三维空间坐标系之间的转换，目前普遍采用七参数法，所述的七参数法为布尔莎或莫洛金斯基模型，七个参数为：X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K。由此可知，求解七个三维坐标转换参数，需要不少于3个公共点。对于二维平面坐标系之间的转换，目前普遍采用的方法是四参数法，四个参数为X平移，Y平移，旋转Θ，尺度变化K。由此可知，求解四个平面坐标转换参数，需要不少于2个公共点。
要获得某区域的坐标转换参数，上述常规七参数法或常规四参数法要求控制点数量分别在3个或2个以上。为提高坐标转换精度，一般采用的控制点数量是以上限值的2~3倍，且要求控制点基本覆盖整个测区。然而，在山区及西部测图区控制点的数量是非常稀缺的。因此，采用常规七参数法或四参数法，在控制点稀缺地区必须进行控制点加密测量工作，这就大大增加了人力、物力和财力成本，延长了作业周期。
发明内容
本发明的目的是要提供一种方法简单、无需进行控制点加密、快速准确地求解不同坐标系之间转换参数的基线约束的单站坐标转换装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：基线约束的单站坐标转换装置，包括：GPS接收机、RTK天线、全站仪棱镜、水平圆水准器、托杆、上底座、基座圆水准器、脚螺旋和下底座；
托杆通过螺栓与上底座连接，托杆水平安装，在托杆的两端分别安装有GPS接收机、RTK天线和全站仪棱镜，在托杆的中间位置连接有水平圆水准器和基座圆水准器，上底座通过脚螺旋与下底座连接。
基线约束的单站坐标转换方法步骤如下：
1、精确量取单站坐标转换装置中GPS接收机中心至全站仪棱镜中心的长度，量取精度为mm；
2、在两个已知点O和S上分别架设全站仪和棱镜；
3、选取以O为中心，距离为50~100m，三个方向大致均匀分布的3-1、3-2、3-3号点作为测点，依次架设单站坐标转换装置，并调节脚螺旋，使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中；
4、对全站仪和棱镜进行对中、整平，并进行后视定向；
5、首先将单站坐标转换装置安放在3-1号点，并调节脚螺旋使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中；开启GPS RTK测量，并设置坐标系统为WGS-84，在信号固定之后开始采集数据，同时全站仪瞄准单站坐标转换装置中棱镜中心进行坐标测量；
6、以上述托杆方向作为初始方向，顺时针依次旋转90°，并重复第4步进行数据采集，直至旋转完一周，共四个方向为止；
7、采集完3-1号点的数据，将单站坐标转换装置依次安放到3-2、3-3号点，重复第4、5步的操作，并确认各事项都准确以后，便可进行下个点的观测； 
8、数据采集的过程中，全站仪一次性架站，无须移动，设置的观测点数目不少于3个，且要均匀分布。
有益效果：由于采用了上述方案，依托于GPS RTK和全站仪野外采集的数据解算坐标转换参数，获得基于三维空间直角坐标转换的七参数，或者获得基于平面坐标转换的四参数。在求解七参数时，需要将全站仪采集的坐标转换为基于北京54椭球的三维空间直角坐标，GPS RTK坐标则直接取WGS-84坐标系下的三维空间直角坐标数据。据此利用布尔莎模型和莫洛金斯基模型两种方法分别求得相应的转换七参数；在求解四参数时，需要将GPS RTK采集的坐标高斯投影到北京54椭球坐标系统下，全站仪采集的坐标则直接取其测量的北京54平面坐标。据此利用四参数转换模型直接求解坐标转换的参数。结合了GPS RTK实时动态定位和全站仪联合测量的技术，在只需要两个通视控制点的条件下无需加密，即可精确求得该区域的转换参数，解决了控制点稀缺地区的坐标转换参数快速准确测定的问题。
优点：仪器设备能够获得任意地区的地方坐标系与WGS-84坐标系之间的坐标系转换参数，尤其是山区和西部测图中控制点稀少地区的坐标转换参数。利用专利设计装置获取固定基线的长度值，以此作为约束条件，并结合不同的坐标转换模型求取坐标转换参数，有效地提高了参数的解算精度。结构简单，方法清晰、易实现，且携带方便，具有很好的实用性。
附图说明
图1是本发明的装置结构图。
图2是图1的A-A剖面俯视结构图。
图3是本发明使用方法图。
图中，1、GPS接收机；2、RTK天线；3、全站仪棱镜；4、水平圆水准器；5、托杆；6、上底座；7、基座圆水准器；8、脚螺旋；9、下底座；。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步描述。
实施例1：基线约束的单站坐标转换装置，包括：GPS接收机1、RTK天线2、全站仪棱镜3、水平圆水准器4、托杆5、上底座6、基座圆水准器7、脚螺旋8和下底座9。
托杆5水平安装，在托杆5的两端分别安装有GPS接收机1、RTK天线2和全站仪棱镜3，在托杆5中间位置连接有水平圆水准器4，托杆5通过螺栓与上底座6连接，基座圆水准器7固连于上底座6，上底座6通过脚螺旋8与下底座9连接。
基线约束的单站坐标转换方法步骤如下：
1、精确量取单站坐标转换装置中GPS接收机1中心至全站仪棱镜3中心的长度，量取精度为mm；
2、在两个已知点O和S上分别架设全站仪和棱镜；
3、选取以O为中心，距离为50~100m，三个方向大致均匀分布的3-1、3-2、3-3号点作为测点，依次架设单站坐标转换装置，并调节脚螺旋8，使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中。
4、对全站仪和棱镜进行对中、整平，并进行后视定向；
5、首先将单站坐标转换装置安放在3-1号点，并调节脚螺旋使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中；开启GPS RTK测量，并设置坐标系统为WGS-84，在信号固定之后开始采集数据，同时全站仪瞄准单站坐标转换装置中棱镜中心进行坐标测量；
6、以上述托杆方向作为初始方向，顺时针依次旋转90°，并重复第4步进行数据采集，直至旋转完一周，共四个方向为止；
7、采集完3-1号点的数据，将单站坐标转换装置依次安放到3-2、3-3号点，重复第4、5步的操作，并确认各事项都准确以后，便可进行下个点的观测；
8、数据采集的过程中，全站仪一次性架站，无须移动，设置的观测点数目不少于3个，且要均匀分布。
对采集的数据进行处理，详细步骤如下：
（1）本模型的基本原理
本发明要求托杆两仪器安置点之间的距离可根据实际要求设计为不同的长度（建议长度为1m）和不同的形式（直杆式、折叠式和伸缩式等）。根据设计模型，在托杆两端分别安装GPS接收机、RTK天线和全站仪棱镜，GPS接收机中心和棱镜中心的连线为长设为                                               
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE002
，其水平投影长度为
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE004
（可直接量取），接收机中心到连接杆上端的垂直高度为h A,棱镜中心到连接杆上端的垂直高度为h B，其长度可在测量前精确量取。则
Figure 178448DEST_PATH_IMAGE002
可由下式求得：
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE006
由于
Figure 95588DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 875326DEST_PATH_IMAGE004
的基线长度是固定的，故以此基线长度作为A、B点坐标的约束条件。此外，计算
Figure 332852DEST_PATH_IMAGE002
和时，涉及将A点RTK测量坐标的转换，以此可以计算出坐标转换参数。本专利将针对不同坐标转换模型设计不同的求解方法。
（2）全站仪坐标数据转换为空间直角坐标
根据本发明的要求，进行七参数计算时，需要将全站仪采集的坐标数据转换为基于北京54参考椭球系下的空间直角坐标。此过程涉及到高斯坐标的反算和大地坐标转换为空间直角坐标的计算。
（3）GPS RTK坐标转换为高斯平面坐标
根据本发明的要求，进行四参数计算时，需将GPS RTK坐标转换到北京54椭球下的高斯平面坐标。此过程涉及空间直角坐标转换为大地坐标和高斯坐标正算的计算，具体计算可参考有关的工程公式。
（4）基线约束的坐标转换参数求解方法
4.1基线约束的七参数求解有二种方法：
方法一：基线约束的布尔萨转换模型及其参数求解方法
1)       转换模型
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE014
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 94320DEST_PATH_IMAGE002
表示GPS接收机中心和全站仪棱镜中心的基线长度；
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE020
为由RTK测量的WGS-84空间直角坐标；
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 925135DEST_PATH_IMAGE020
转换至北京54参考椭球系统下的空间直角坐标；
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE024
为由全站仪测量的坐标转换至北京54参考椭球系统下的空间直角坐标；
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE026
由
Figure 186352DEST_PATH_IMAGE020
形成的转换模型设计矩阵；
为七个转换参数，包括三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度参数。
2)       七参数求解方法
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE030
式中，为第i次测量时基线的长度；
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE034
为由第i点GPS RTK测量坐标组成的设计矩阵；
为全站仪测量所得第i点空间直角坐标。
计算坐标转换七参数的迭代方法：
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE038
其中：
Figure 2012100187165100002DEST_PATH_IMAGE040
Figure DEST_PATH_IMAGE042
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE050
       式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为间接平差时的系数矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为由全站仪测量的第i点的空间直角坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为的初始值；
为七参数第k次的迭代结果；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为七参数第k+1次的迭代结果，当相邻两次迭代误差小于设定限差时，即可得到最终的
Figure 658714DEST_PATH_IMAGE028
的值。
方法二：基线约束的莫洛金斯基转换模型及其参数求解方法
1)       转换模型
Figure DEST_PATH_IMAGE062
Figure DEST_PATH_IMAGE064
Figure 475361DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 729384DEST_PATH_IMAGE002
表示GPS接收机中心和全站仪棱镜中心的基线长度；
Figure 971009DEST_PATH_IMAGE020
为由GPS RTK测量的WGS-84空间直角坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为选择的参考点坐标；
Figure 246133DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 951921DEST_PATH_IMAGE020
转换至北京54参考椭球系统下的空间直角坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE070
由形成的转换模型设计矩阵；
Figure 16009DEST_PATH_IMAGE024
为由全站仪测量的坐标转换为北京54参考椭球系统下的空间直角坐标；
Figure 157140DEST_PATH_IMAGE028
为七个转换参数，包括三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度参数。
2)       七参数求解方法
Figure DEST_PATH_IMAGE072
Figure 655117DEST_PATH_IMAGE048
式中，
Figure 426764DEST_PATH_IMAGE032
为第i次测量时基线的长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为由第i点RTK测量坐标组成的设计矩阵；
Figure 439720DEST_PATH_IMAGE036
为全站仪测量第i点转换所得的空间直角坐标。
计算坐标转换七参数的迭代方法
Figure 322225DEST_PATH_IMAGE038
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE078
Figure DEST_PATH_IMAGE080
Figure DEST_PATH_IMAGE082
式中，
Figure 684220DEST_PATH_IMAGE052
为间接平差时的系数矩阵；
Figure 104837DEST_PATH_IMAGE054
为由全站仪测量的第i点的空间直角坐标；
Figure 577407DEST_PATH_IMAGE056
为的初始值；
Figure 678404DEST_PATH_IMAGE058
为七参数第k次的迭代结果；
Figure 902712DEST_PATH_IMAGE060
为七参数第k+1次的迭代结果，当相邻两次迭代误差小于设定限差时，即可得到最终的的值。
4.2基线约束的四参数求解方法
1)        转换模型
Figure DEST_PATH_IMAGE084
Figure DEST_PATH_IMAGE088
Figure DEST_PATH_IMAGE090
Figure DEST_PATH_IMAGE092
Figure DEST_PATH_IMAGE094
式中，
Figure 874658DEST_PATH_IMAGE004
表示GPS接收机中心和全站仪棱镜中心的水平基线长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为由GPS RTK测量的WGS-84空间直角坐标经过高斯投影后的平面坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为由
Figure 349502DEST_PATH_IMAGE096
坐标转换为北京54坐标系统下的平面坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE100
由
Figure 439818DEST_PATH_IMAGE096
形成的转换模型设计矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为由全站仪测量北京54坐标系统下的平面坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为平面坐标转换四参数，即两个平移参数、一个旋转参数和一个尺度参数；
2)        四参数求解方法
Figure DEST_PATH_IMAGE106
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为第i次测量时水平基线的长度；
为由第i点GPS RTK测量所得的高斯平面坐标组成的设计矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为由GPS RTK所测坐标投影到北京54椭球下的平面坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE118
为全站仪测量所得第i点的平面坐标。
计算坐标转换四参数的迭代方法
Figure DEST_PATH_IMAGE120
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE122
Figure DEST_PATH_IMAGE124
Figure DEST_PATH_IMAGE126
Figure DEST_PATH_IMAGE128
Figure DEST_PATH_IMAGE130
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE132
为间接平差时的系数矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE134
为
Figure 369203DEST_PATH_IMAGE104
的初始值；
Figure DEST_PATH_IMAGE136
为七参数第k次的迭代结果；
Figure DEST_PATH_IMAGE138
为七参数第k+1次的迭代结果，当相邻两次迭代误差小于设定限差时，即可得到最终的
Figure DEST_PATH_IMAGE140
的值。
通过上述步骤和方法，按照本发明提出的三种处理方案编写的相应程序软件，进行处理即可得到坐标系之间的转换参数。

Claims (2)

1.一种基线约束的单站坐标转换装置，其特征在于：基线约束的单站坐标转换装置，包括：GPS接收机、RTK天线、全站仪棱镜、水平圆水准器、托杆、上底座、基座圆水准器、脚螺旋和下底座；
托杆通过螺栓与上底座连接，托杆水平安装，在托杆的两端分别安装有GPS接收机、RTK天线和全站仪棱镜，在托杆的中间位置连接有水平圆水准器和基座圆水准器，上底座通过脚螺旋与下底座连接。
2.一种基线约束的单站坐标转换方法，其特征是：基线约束的单站坐标转换方法步骤如下：
（1）、精确量取单站坐标转换装置中GPS接收机中心至全站仪棱镜中心的长度，量取精度为mm；
（2）、在两个已知点O和S上分别架设全站仪和棱镜；
（3）、选取以O为中心，距离为50~100m，三个方向大致均匀分布的3-1、3-2、3-3号点作为测点，依次架设单站坐标转换装置，并调节脚螺旋，使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中；
（4）、对全站仪和棱镜进行对中、整平，并进行后视定向；
（5）、首先将单站坐标转换装置安放在3-1号点，并调节脚螺旋使水平圆水准器和基座圆水准器中的气泡居中；启动GPS RTK测量，并设置坐标系统为WGS-84，在信号固定之后开始采集数据，同时全站仪瞄准单站坐标转换装置中棱镜中心进行坐标测量；
（6）、以上述托杆方向作为初始方向，顺时针依次旋转90°，并重复第4步进行数据采集，直至旋转完一周，共四个方向为止；
（7）、采集完3-1号点的数据，将单站坐标转换装置依次安放到3-2、3-3号点，重复第4、5步的操作，并确认各事项都准确以后，便可进行下个点的观测； 
（8）、数据采集的过程中，全站仪一次性架站，无须移动，设置的观测点数目不少于3个，且要均匀分布。
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