摘要:本文就如何将WGS-84坐标转换为用户所需的工程坐标做了较为详细的阐述，包括根据公共点的个数求解七参数（有三个公共点以上）或三参数（一个公共点的情况）、点校正以及高程拟合，并用EVC实现了GPS-RTK坐标转换模块的功能，通过试验结果说明此模块的可行性和可靠性。
关键词：GPS，RTK，EVC，坐标转换
GPS Coordinate Conversion Function Module Design and Implementation
Wu Guorong，Huang Jiangxiong，Mao Yazhou
 (Changsha city planning survey design and research institute, Hunan Changsha 410007)
ABSTRACT: This paper shows description of on how to convert WGS-84 coordinates to necsssary coordinate,including solving parameters and point correction as well as the elevation fitting. It achieved GPS RTK coordinate transformation function based on EVC,and shows the feasibility and reliability of the module.
Keywords:GPS, RTK, EVC, coordinate conversion
1 绪论
GPS接收机使用的坐标系统是WGS－84坐标系，而我国广泛使用的是北京54坐标系和西安80坐标系，这就需要把接收机提供的WGS－84的定位信息转换到所需要的坐标系下[1]。高程方面,GPS接收机给出的高程值是大地高，而实际应用中需要正常高，因此需要进行大地高到正常高的转换。
本文以本人参与的某公司自主研发的一款GPS-RTK接收机为例，进行了手持式GPS坐标转换模块的设计与实现。采用的主板是Novatel的OEM板，采用的编译语言是基于WindowsCE下的EVC(嵌入式VC)语言[2]。
2坐标转换
坐标转换的目的就是从WGS-84经纬度坐标转换到当地工程应用平面坐标。一般采用“七参数”+“四参数”法，转换步骤基本为:WGS-84经纬度WGS-84空间直角新椭球空间直角新椭球经纬度投影坐标平面坐标任意坐标[3]-[5]。
坐标转换一般包括两部分，坐标系变换与基准变换[6]。坐标系变换是指在同一椭球下，空间点的不同坐标的表示形式间的变换；基准变换则是指空间点在不同的地球椭球间的坐标变换。坐标系转换包括大地坐标和空间直角坐标间的相互转换。基准变换包括不同地球椭球坐标系的空间直角坐标转换和平面转换。
3 坐标转换功能模块设计
从WGS-84大地坐标转换到当地坐标需经过一系列的转换：如果用户要得到非WGS-84椭球下的投影坐标，需通过七参数和投影计算；如果用户要得到当地坐标系下的工程坐标，需经过投影计算、平面坐标转换和高程拟合。在用户不知道参数的情况下，软件应具有给用户计算参数的功能。本系统坐标转换模块主要包括以下三个：七参数计算、点校正、测量点坐标转换。
3.1 七参数计算
七参数计算功能主要用于不同椭球体之间的坐标转换，采用的模型是布尔莎模型。需要的已知数据是最少三个公共点的WGS-84坐标和基准坐标系下的坐标，如表1所示。
表1 七参数计算
功能描述 根据用户输入的一组WGS-84经纬度和基准经纬度计算七参数
输
入
数
据
描
述 WGS84BLH/基准BLH
B = 0 ~ 360度；L = 0 ~ 360度
椭球参数
WGS-84: a = 6378137.0 , e2 = 0.00669437999013
北京54: a = 6378245.0,  e2 =0.006693421622965949
西安80: a = 6378140.0,  e2 =0.006694384999587952
加
工
说
明 1. 84经纬度转化为空间直角坐标
2. 基准经纬度转化为空间直角坐标
3. 七参数计算
1）一组点计算3个平移参数；2）两组点计算3个平移量和一个比例尺；3）大于等于3组点时计算所有参数
输出数据描述 七参数=
3.2点校正
此模块功能主要包括四参数计算和高程拟合计算，其中高程拟合采用的是二次曲面拟合法，需要输入的已知数据是一组WGS84经纬度和当地平面坐标，如表2所示。
表2 点校正
功能
描述 根据用户输入的一组WGS84经纬度和当地平面坐标计算平面转换参数和高程拟合参数
输    入
数
据
描
述 WGS-84BLH
B = 0~360度；L = 0~360度
当地xyh
椭球参数：同上
投影参数
高斯投影参数 = 中央子午线+北向偏移+东向偏移+投影缩放
七参数 = 
加
工
说
明 1. WGS-84转化为投影坐标
如果当前椭球选择为WGS-84，则直接进行投影坐标计算。
2. 四参数计算
1）只有一组点则计算两个平移量；2）大于等于2组点时计算四个参数
3. 高程拟合参数计算
1）1到2组点计算A0；2）3到5组点计算A0，A1，A2，X0，Y0
3）大于等于6组点计算所有参数
输出数据描述 四参数=
高程拟合参数 = A0 + A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + X0 + Y0
3.3 测量点坐标转换
测量点坐标转换功能主要是将WGS-84经纬度坐标转换为当地的平面坐标，如表3所示。
表3 测量点坐标转换
功能
描述 从GPS接收机中接收到WGS84的经纬度坐标后，通过一系列坐标转换，转化为当地平面坐标
输    入
数
据
描
述 WGS84BLH/54BLH/80BLH
B = 0~360度；L = 0~360度
椭球参数：同上
投影参数
高斯投影参数 = 中央子午线+北向偏移+东向偏移+投影缩放
七参数 = 
四参数 = 
高程拟合参数 = A0 + A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + X0 + Y0
加
工
说
明 1.大地坐标转化为空间直角坐标
2.空间直角坐标转换
3.空间直角坐标转化为大地坐标
4.投影
5.平面坐标转换
6.高程拟合
输出
数据
描述 空间直角坐标XYZ
投影坐标xyH
当地坐标x’y’h
54BLH/80BLH
4 坐标转换功能模块的实现及测试
4.1 模块简介
本系统软件功能主要包括六大块：作业、输入、设置、测量、计算和信息。软件初始化界面如图1所示。


图1 系统初始化界面
六大块功能介绍如下：
(1)作业：作业模块主要包括“新建工程”、“打开工程”、“主机文件”、“坐标系统”、“导入参数”和“导出数据”。
(2)输入：输入模块的功能是输入已知点的位置坐标以及记录测量点的坐标信息。
(3)设置：包括“静态测量设置”、“基准站设置”、“基准站数据链”、“流动站设置”和“手簿端口设置”。
(4)测量：功能主要是采集当前点的WGS-84坐标，包括“开始测量”、“测量点”、“放样点”和“结束测量”。
(5)计算：功能主要包括坐标正反算、面积计算以及参数计算。
(6)信息：包括当前点的位置信息、卫星信息以及系统的版本和电量等信息。
4.2 坐标转换模块使用说明
4.2.1 坐标系统设置
(1) 在“作业”模块中，选择了坐标系统后，设置[投影参数]。


图2投影参数设置
 (2) 设置参数
1)在坐标系统设置中，如果坐标系统选择为WGS-84坐标，则可选择设置平面转换参数和高程拟合参数,如图3。


图3平面和高程参数设置图
2)如果坐标系统选择为北京54/西安80/地方，则必须设置七参数，并选择设置平面转换参数和高程拟合参数，如图4所示。


图4 七参数设置
4.2.2 参数计算
(1)七参数计算
在“计算”模块中，点击“七参数”计算功能。添加WGS-84经纬度坐标和当前基准椭球下的经纬度坐标并计算，计算完成后点击“确定”即可，如图5。


图 5 保存计算结果
(2)平面转换参数和高程拟合参数的计算
点击“计算”模块中的“点校正”。添加已知点的WGS84经纬度坐标和当地平面坐标及高程。根据需要选择“平面校正”和“高程校正”复选框，点击“计算”功能，计算平面转换参数和高程拟合参数，并计算残差。计算完成后，点击“确定”即可，如图6。


图6 高程拟合参数保存
4.3 坐标转换模块测试结果
把本坐标转换模块功能的测试结果与南方GPS工具箱的计算结果进行比较，由于篇幅有限，本文只列出了以下两个方面的测试结果（表格中上一栏为本模块测试结果，对应的下一栏为南方GPS工具箱计算的结果）：
(1) WGS-84坐标系下，在已知不同参数的情况下进行高斯投影正算
表4 WGS-84坐标系下高斯投影正算的结果比较表(单位:m)
序列 说明 正算得到的X Y H
1 WGS-84坐标系下高斯投影坐标正算 4435989.5333 185563.8641 35.321
4435989.5332 185563.8648 35.321
2 基于四参数下的高斯坐标正算 429713.7931 441775.2170 35.321
429713.7938 441775.2169 35.321
3 基于四参数和高程拟合参数的高斯坐标正算 429713.7930 441775.2172 -0.819
429713.7934 441775.2178 -0.819
4 基于高程拟合参数的高斯坐标正算 8869537.8933 1066779.2637 1.618
8869537.8929 1066779.2633 1.618
3) 在北京54坐标系下，WGS-84经纬度坐标与BJ54经纬度坐标之间的相互转换
表5 北京54坐标系下高斯投影反算的结果比较表
序列 说明 反算得到的B(单位:度) L(单位:度) H(单位:m)
1 WGS-84坐标转换到BJ54坐标 39.595762272 116.190356883 44.409
39.59576227 116.19035688 44.409
5结论
从上面两个表可以看出，本坐标转换功能模块计算的结果与南方GPS工具箱计算结果几乎没有差异。因此，可以得出结论，本系统中的坐标转换功能模块计算出的结果准确可靠。坐标转换模块已经实现了设计要求。我们相信，随着GPS-RTK技术的不断完善和普及以及应用领域市场的不断拓展，适合我国的、具有自主知识产权的、自己开发的GPS 接收机将在国民生活中起到越来越多的作用，给人们的生活带来越来越多的方便。
当然，还有些内容可做进一步研究：
(1)解码只针对NMEA-0183数据，可增加其他二进制数据解码模式，提高计算效率。
(2)可用曲面样条拟合法和多面函数拟合法进行高程拟合同本系统用的二次曲面拟合法得出的结果进行比较；
(3)坐标转换模块中可增加更多的功能，比如计算器，距离计算等。


参考文献
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