一種實用的坐標轉(zhuǎn)換方法研究

任海波，焦靈俠，郭敏

(1.西北機電工程研究所，陜西咸陽，712099；2.西安工業(yè)大學，陜西西安，710021；3.榆林學院，陜西榆林，719000)

一種實用的坐標轉(zhuǎn)換方法研究

任海波1，焦靈俠2，郭敏3

(1.西北機電工程研究所，陜西咸陽，712099；2.西安工業(yè)大學，陜西西安，710021；3.榆林學院，陜西榆林，719000)

針對自行武器上已裝備的GIS、GPS和INS系統(tǒng)存在坐標系統(tǒng)不統(tǒng)一，且無轉(zhuǎn)換參數(shù)的問題。本文利用GIS 、GPS和INS各自的特點，提出獲得多個檢測點分別在北京54坐標系和WGS-84坐標系下的坐標值的方法，通過（七參數(shù)或三參數(shù)）轉(zhuǎn)換模型，進行兩個坐標系的坐標轉(zhuǎn)換。此方法適合在小范圍工區(qū)使用，并受各檢測點坐標的精度影響較大，但實用、簡單易操作。

坐標轉(zhuǎn)換；WGS-84坐標系；北京54坐標系；轉(zhuǎn)換模型

0 引言

目前，自行武器上已經(jīng)裝備了GPS(全球定位系統(tǒng))、INS(慣性導航)定位定向裝置和GIS（地理信息系統(tǒng)）。GPS是一種具有全球、全天候、持久的三維導航定位能力，并且其接收機具有結(jié)構(gòu)輕便、價格低廉、便于集成等優(yōu)點，因此得到了廣泛應用。INS是一種不依賴任何外部信息、設施或基準，也不向外部輻射任何信息的自主式導航系統(tǒng)。GIS能夠提供直觀的可視化地理、人文及障礙物等信息。但任何一種導航系統(tǒng)都不能單獨完成可靠而持久的導航任務，因此在行軍導航的過程中采用基于GIS的GPS/INS組合導航系統(tǒng)充分利用它們各自的優(yōu)缺點取長補短，提高了導航系統(tǒng)的整體性能。但GPS的定位數(shù)據(jù)通常采用WGS-84坐標系，而INS和電子地圖數(shù)據(jù)多采用北京54坐標系，因此，要實現(xiàn)基于GIS的GPS/INS的組合導航必須先進行坐標系轉(zhuǎn)換[1]。

根據(jù)坐標系的空間轉(zhuǎn)換模型，即七參數(shù)方法，坐標轉(zhuǎn)換至少需要三個以上位置點分別在WGS-84坐標系和北京54坐標系下的坐標值，但是任何點的北京54坐標值都屬于國家機密，不能公開。

本文從實用的角度出發(fā)，提供一種簡單、實用的轉(zhuǎn)換方法。但需要在轉(zhuǎn)換精度要求較低的情況下才可使用。

1 坐標系簡介

1.1 WGS-84坐標系

WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標系統(tǒng)的。WGS-84坐標系的坐標原點位于地球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984的起始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系[2]。

1.2 1954年北京坐標系

1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系，是一種參心坐標系統(tǒng)。該坐標系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標系。該坐標系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球。我國地形圖上的平面坐標位置都是以這個參數(shù)為基準推算的[2]。

2 坐標系的轉(zhuǎn)換過程

WGS-84坐標轉(zhuǎn)地圖平面坐標的步驟如下[3]：

（l）WGS-84大地坐標(B84，L84，H84)變換為WGS-84空間直角坐標(X84，Y84，Z84)；

（2）通過坐標的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，把WGS-84直角坐標(X84，Y84，Z84)轉(zhuǎn)變?yōu)锽J-54直角坐標(X54，Y54，Z54)；

（3）BJ-54直角坐標(X54，Y54，Z54)到BJ-54大地坐標(B54，L54，H54)；

（4）利用高斯投影[4]，將BJ-54大地坐標轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚蛊矫孀鴺?x，y)。

北京54地球橢球的有關(guān)參數(shù)[5]：

長半軸：a=6378245.0m；

短半軸：b=6356863.019m；

扁率：α=1/298.3；

第一偏心率：e2=0.006693421623；

WGS-84地球橢球的有關(guān)參數(shù)[5]：

長半軸：a=6378137.0m；短半軸：b=6356752.314m；扁率：α=1/298.257223563；

第一偏心率：20.006694379989 e=；

WGS-84轉(zhuǎn)北京54地圖平面坐標的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換流程圖如圖1所示。

圖1 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換流程圖

3 轉(zhuǎn)換模型

坐標系的轉(zhuǎn)換包括兩方面的內(nèi)容：一是同一坐標系內(nèi)的大地坐標與空間直角坐標之間的轉(zhuǎn)換；二是不同坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換。同一坐標系的轉(zhuǎn)換只需知道相應的橢球參數(shù)及轉(zhuǎn)換的數(shù)學公式就可完成，真正的難點是不同坐標系的轉(zhuǎn)換，常用的比較嚴密的方法是七參數(shù)。

圖2 地心直角坐標與參心直角坐標的關(guān)系

如圖2所示BJ-54直角坐標和WGS-84直角坐標分別為O54-X54Y54Z54與O84-X84Y84Z84，其坐標原點不相一致，O54-X54Y54Z54坐標系原點O54相對于O84-X84Y84Z84坐標系原點O84在三個坐標軸上存在0xΔ，0yΔ，0zΔ三個平移分量，各坐標軸相互之間也存在三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)xε，yε，zε；且存在尺度因子m，因此兩個坐標系的關(guān)系為平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變換，通常利用布爾沙－沃爾夫(Bursa-Wolf)模型轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)兩坐標系之間的變換[7]。

由式(1)可知，要求解出七個轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少應知道三個點分別在WGS-84與北京54坐標系中的空間直角坐標，帶入式(1)中，求出七個未知參數(shù)。

如果區(qū)域范圍不大（經(jīng)驗值是區(qū)域內(nèi)最遠點間的距離不大于30km）[6],可以假設兩個坐標系的坐標軸平行，僅有原點不同，因此可以使用三參數(shù)法，即0xΔ，0yΔ，0zΔ三個平移分量，三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)xε，yε，zε和尺度因子m都視為0，模型如下：

由式（2）可以看出三參數(shù)是七參數(shù)的簡化，用一個控制點即可得出三個平移量。

4 簡易轉(zhuǎn)換方法

以上所討論的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的公式復雜，同時首先需要多個已知的WGS-84坐標和北京54坐標的點，這種點的北京54坐標非特殊情況并不公開。因此在這里，我們?yōu)榇蠹姨峁┮环N小工區(qū)范圍數(shù)據(jù)坐標的轉(zhuǎn)換方式，小工區(qū)范圍其距離可達30 km，可以滿足自行武器行軍導航的設計要求[6]。

實際工作中，INS要工作時，必須向INS提供初始點位置的54坐標值，初始點位置坐標由GIS提供，在電子地圖上找一個容易確定的位置，例如交叉路口等，然后通過GIS讀出這個位置的54坐標值，當自行武器停留在初始點準備尋北時，開啟GPS記錄初始點的84坐標值，這時即可得到第一個位置點分別在84坐標系和54坐標下的坐標值。因此，只需再測量兩個點分別在54坐標系與84坐標系的坐標值，就可以利用七參數(shù)模型解算出54坐標系與84坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)了。

實際操作方法：

第一個點：即初始點，記錄初始點在54坐標系與84坐標系下的坐標值；

第二個點：向任何一個方向移動自行武器，行駛里程大概在3公里處，分別讀INS和GPS的位置坐標，記錄當前點在54坐標系與84坐標系下的坐標值；

第三個點：重復第二步，但方向不同，使所測的三個點均勻分布，記錄所測點在54坐標系與84坐標系下的坐標值（當測量點越多，分布越均勻，越有利與計算高精度的七參數(shù)，可多次重復）。

將已知的三個點在54坐標系與84坐標系下的坐標值帶入式（1）中，即可計算出七參數(shù)（多余三個點時，可按最小二乘法求得7個參數(shù)的最或然值）。

完成以上4步能得到相對較精確的七參數(shù)，若為簡便起見，可以只進行第一步即可，將初始點在54坐標系與84坐標系下的坐標值帶入式（2）中，從而得到三參數(shù)。

5 結(jié)論

本文提供的方法簡單易操作，利用GIS為用戶提供的初始點在54坐標下的坐標值，啟動INS，利用INS推算另外兩個點在54坐標系下的坐標值，以及GPS所測三個點在84坐標系下的坐標值，帶入七參數(shù)模型或三參數(shù)模型，計算出WGS-84坐標系與北京54坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。此方法的轉(zhuǎn)換精度受獲得的三個點在兩個坐標系下的坐標值的精度影響較大，但一般都能滿足導航要求。

[1] 苗媛；基于GIS的組合導航技術(shù)的研究應用.荊州：長江大學.2013.

[2] 張國禎，楊曉紅.GPS測量中坐標系統(tǒng)、坐標系的轉(zhuǎn)換過程.測繪與空間地理信息，2009；32(3):178-179 .

[3] 劉山洪，鄧彩群.坐標轉(zhuǎn)換與坐標變換研究.吉林建筑大學學報,2016；33(1):43-47.

[4] 傅秀超，關(guān)明景.本溪54城市坐標系與本溪80城市坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換[J].城市勘測.2010；2：102-104.

[5] 楊月.工程測量中GPS坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及坐標系換算[J]. 工程技術(shù), 2011；23:107.

[6] 高艷芳，戚樹軍，李曉昌.將WGS-84坐標轉(zhuǎn)為北京54坐標的一種實用方法[J].2008；30(6):519-522.

[7] 王國斌.基于ArcGIS Engine的圖形數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換研究[J].智能城市，2016；9：56-57.

The Research of Practical Method for Coordinate Transformation

Ren Haibo1，Jiao Lingxia2，Guo min3
(1.Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Xianyang Shaanxi,712099; 2.Xi’an Technological University,Xi’an Shaanxi,710021;3.Yulin University,Yulin Shaanxi, 719000)

For the problem of GIS/GPS/INS, which are equipped with the equipment of self-weapons,have coordinate system inconsistency ,and no conversion parameters .Using the characteristic of GIS/GPS/ INS, This paper propos the method of obtaining coordinate of multiple points under the BJ-54 coordinate system and the WGS-84 coordinate system ,and coordinate transformation using 7 parameters and 3 parameters conversion model. This method is suitable for use in small scale area, and it is affected by the accuracy of points coordinates, but it is practical and easy to operate.

coordinate transformation；WGS-84 coordinate system；BJ-54 coordinate system；conversion model