1、范圍

本文描述了GNSS電子駕考系統(tǒng)中常見(jiàn)的坐標(biāo)系、術(shù)語(yǔ)及其轉(zhuǎn)換方法。

 

2、引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 17159－2009  大地測(cè)量術(shù)語(yǔ)
GB/T 18314－2009  全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范
GB/T 19391－2003  全球定位系統(tǒng)（GPS）術(shù)語(yǔ)及定義
GB/T 22021－2008  國(guó)家大地測(cè)量基本技術(shù)規(guī)定
GB/T 28588－2012  全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范

 

3、術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

 

1、地球橢球earth ellipsoid

近似表示地球的形狀和大小，并且其表面為等位面的旋轉(zhuǎn)橢球。

 

2、參考橢球reference ellipsoid

最符合一定區(qū)域的大地水準(zhǔn)面，具有一定大小和定位參數(shù)的旋轉(zhuǎn)地球橢球。

 

3、地心地固坐標(biāo)系（空間直角坐標(biāo)系）ECEF

空間直角坐標(biāo)系，其xy平面與地球赤道面重合，x軸指向0°經(jīng)度方向，y軸指向東經(jīng)90°方向，z軸為與赤道平面垂直指向地理北極，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。xyz軸隨著地球一起旋轉(zhuǎn)，在慣性空間中不再描述固定的方向。

 

4、大地坐標(biāo)系geodetic coordinate system

以地球橢球中心為原點(diǎn)、起始子午面和赤道面為基準(zhǔn)面的地球坐標(biāo)系。由于地球的形狀不規(guī)則，在GPS/北斗中使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢球體來(lái)近似描述，這樣可以方便計(jì)算接收機(jī)的經(jīng)度、緯度和高度。橢球體可以用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示，長(zhǎng)半軸和扁率，其他參數(shù)如短半軸、偏心率、第二偏心率等都可以由這兩個(gè)參數(shù)導(dǎo)出。

 

 

5、橢球高/海拔高/大地水準(zhǔn)面高(高程異常) ellipsoid/orthometric/geoid height

如圖3-2所示，橙色曲線為參考橢球面，綠色曲線為地表（或GPS天線位置），h為橢球高，GPS定位解算結(jié)果（ECEF）在WGS84橢球下可轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度和橢球高h(yuǎn)。藍(lán)色曲線為大地水準(zhǔn)面Geoid，對(duì)應(yīng)于最小二乘下的全球平均海平面（Mean Sea Level），恒重力勢(shì)平面，由于地球密度分布不均，各地的重力勢(shì)存在差異，因而大地水準(zhǔn)面不是規(guī)則的曲面（圖33）。相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的高度H稱為海拔高（orthometric height），或者平均海平面高（MSL）。大地水準(zhǔn)面的高度N是大地水準(zhǔn)面相對(duì)于橢球面的高度，也稱高程異常。橢球高h(yuǎn)、海拔高H和高程異常N三者之間的關(guān)系為h=H+N。

 

 

圖3-2 橢球高/海拔高/大地水準(zhǔn)面高

 

 

圖3-3 大地重力勢(shì)

 

6、站心坐標(biāo)系（東北天坐標(biāo)系）

站心坐標(biāo)系也叫東北天坐標(biāo)系ENU，用于表示以觀察者為中心的其他物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以站心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，z軸與橢球法線重合，向上為正，y與橢球短半軸重合（北向），x軸與橢球長(zhǎng)半軸重合（東向）。

 

7、高斯投影Gauss projection

由于地球是球體，為了在地圖上表示，將橢球面沿子午線劃分成若干個(gè)經(jīng)差相等的狹窄地帶，然后各帶分別投影到平面上。一般以赤道上某一經(jīng)度的點(diǎn)為原點(diǎn)，計(jì)算投影后的坐標(biāo)，為了使投影后的坐標(biāo)為正數(shù)，通常在橫軸加500km的常數(shù)。

 

圖3-4 高斯投影

 

8、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換coordinate transformation

包含坐標(biāo)系變換和橢球基準(zhǔn)變換兩層含義。在測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用適用的轉(zhuǎn)換模型和轉(zhuǎn)換方法，空間點(diǎn)從某一參考橢球基準(zhǔn)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到另一坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，如WGS84轉(zhuǎn)為北京54。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程就是轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解過(guò)程。

 

9、坐標(biāo)系變換coordinate conversion

同一橢球基準(zhǔn)下，空間點(diǎn)的不同坐標(biāo)表示形式間進(jìn)行變換。包括大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的互相轉(zhuǎn)換、空間直角坐標(biāo)系與站心坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換和高斯投影坐標(biāo)正反算。

 

10、橢球變換ellipsoid conversion

空間點(diǎn)在不同的參考橢球間的坐標(biāo)變換。

 

11、平移參數(shù)translation parameters

兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)，新坐標(biāo)系原點(diǎn)在原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量。

 

12、旋轉(zhuǎn)參數(shù)rotation parameters

兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)，把原坐標(biāo)系中的各坐標(biāo)軸左旋轉(zhuǎn)到與新坐標(biāo)系相應(yīng)的坐標(biāo)軸重合或平行時(shí)坐標(biāo)系各軸依次轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

 

4、輸出語(yǔ)句與適配

 

接收機(jī)中輸出的Bestposa或者GGA語(yǔ)句中包含為WGS84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度、海拔高及高程異常。輸出WGS84坐標(biāo)系下經(jīng)緯度的為通用格式，所有廠家兼容，在同一點(diǎn)定位結(jié)果一致。需要注意的是GGA中經(jīng)緯度為度分，Bestposa和HPD中經(jīng)緯度單位為度。

Trimble接收機(jī)通過(guò)Configuration Tools可以設(shè)置坐標(biāo)系和投影參數(shù)，圖41中為設(shè)置為Beijing54坐標(biāo)系的橢球和平移參數(shù)。更改為Beijing54坐標(biāo)系后，Trimble接收機(jī)的GGA坐標(biāo)和PJK坐標(biāo)都會(huì)切換為Beijing54下的坐標(biāo)，與原WGS84坐標(biāo)下的GGA會(huì)存在差異。

 

圖4-1 Trimble坐標(biāo)系參數(shù)設(shè)置

 

適配時(shí)需要輸入如下指令：

1、查詢客戶用于標(biāo)定地圖的設(shè)備的BJ54坐標(biāo)系參數(shù)。
2、配置坐標(biāo)系平移參數(shù)，將上圖紅框中的數(shù)據(jù)配置到我們的設(shè)備。
SET SHIFTDATUM -31.400 144.300 81.200
3、選擇BJ54坐標(biāo)系
DATUM BJ54
4、保存相關(guān)配置
SAVECONFIG

 

司南的接收機(jī)輸出的GGA坐標(biāo)一直為WGS84坐標(biāo)，PJK坐標(biāo)輸出為高斯投影坐標(biāo)，通過(guò)set/log pjkpara來(lái)進(jìn)行投影參數(shù)設(shè)置/查詢。包括橢球長(zhǎng)半軸、扁率、中心緯度、中央子午線、縱軸加常數(shù)、橫軸加常數(shù)六個(gè)參數(shù)。中心緯度、中央子午線定義了坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。

 

適配時(shí)需要輸入如下指令：

1、log pjkpara查詢司南接收機(jī)的PJK參數(shù)。
2、將PJK參數(shù)配置到我們的設(shè)備。
SET PJKPARA 6378245 298.3 0 121 0 500000
3、保存相關(guān)配置
SAVECONFIG

星網(wǎng)的接收機(jī)輸出HPD協(xié)議包含了WGS84坐標(biāo)系下的GGA坐標(biāo)以及相對(duì)于基準(zhǔn)站的東北天坐標(biāo)，實(shí)際打點(diǎn)和考試只用了東北天坐標(biāo)。因而適配時(shí)基站的位置不能改變，否則需要對(duì)地圖進(jìn)行整體平移或者重新繪制地圖。

適配時(shí)通過(guò)LOG GPHPD ONTIME 0.2輸出HPD語(yǔ)句然后SAVECONFIG保存配置即可。

 

5、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，需要準(zhǔn)備需要適配的接收機(jī)和BYNAV接收機(jī)，按以下步驟逐步操作。

1、首先安裝需要適配的接收機(jī)，車輛停在某空曠處不動(dòng)，查詢坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，等待固定解后，配置其同時(shí)輸出GGA/Bestposa/HPD語(yǔ)句（根據(jù)需要適配的接收機(jī)類型選擇，確保其同時(shí)輸出了WGS84大地坐標(biāo)），串口調(diào)試助手錄制10s左右定位結(jié)果。

2、其他配置不變，將接收機(jī)替換為我們接收機(jī)，檢查流動(dòng)站的收星情況，差分?jǐn)?shù)據(jù)情況，等待固定解后，首先比對(duì)WGS84坐標(biāo)是否與上一步記錄的一致。除了Trimble接收機(jī)可能不一致外（GGA可能非WGS84坐標(biāo)），其他類型接收機(jī)應(yīng)都能一致。由于RTK定位精度為1~2cm，經(jīng)緯度差在小數(shù)點(diǎn)后第七位，高程差在1~2cm視為一致。

3、WGS84坐標(biāo)一致后，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置到我們接收機(jī)里，配置輸出語(yǔ)句，然后保存配置，重啟接收機(jī)，比對(duì)PJK語(yǔ)句（若有）輸出結(jié)果是否與第一步記錄的一致。投影坐標(biāo)差在1~2厘米視為一致。