手持式GPS定位仪（共9篇）
手持式GPS定位仪 篇1
0引言
在全球范围内都可以通过GPS定位系统接收GPS卫星信号并经过处理对用户进行实时的定位跟踪,该系统广泛应用于中国的水利、电力、交通、资源勘探、工程测量、大地测量和定位等方面。GPS定位系统能够通过接收的GPS卫星信号在市内道路、高速公路,甚至在荒无人烟的沙漠与戈壁滩上为汽车提供定位,司机可以通过定位信息找到到达目的地的正确路线。GPS定位系统这一市场也因汽车产业的发达得到快速的发展[1,2]。因此,我国的GPS市场将会有巨大的发展,在未来的几年,我国有望成为全世界最大的GPS市场,定位设备将被更多的消费者所接受,设备的价格也将逐步下跌。市场上已有许多基于GPS接收机开发的产品,如车载导航系统、GPS手持式用户机等,但价格比较昂贵。为此,本文提出了一种基于AT89C51单片机的GPS定位仪的设计方案,并对相关数据信息的处理做了重点的设计。该系统设计简易,性价比高,对研究GPS二次开发应用具有参考价值。
1系统方案
由GPS模块、液晶显示器、AT89C51、上电复位电路与电源部分构成GPS定位系统的硬件电路。将GPS模块接收到的定位数据送至单片机,经过处理后再送至LCD液晶显示器。LCD液晶显示器会每隔1 s定时进行一次更新。上电复位电路为单片机提供上电复位功能。电源电路为各个电路提供稳定的 + 5 V电源。
本文设计的GPS定位系统具有如下主要功能:
1移动目标相关信息显示。在状态栏不断地显示出所在位置的相关信息,比如速度、方向和时间等。
2实时信息的显示。将获取到的定位信息显示在屏幕上。
3 GPS启动 /停止功能。
4接收GPS卫星发出的GPS定位数据。
GPS定位系统整体构架如图1所示。
1. 1硬件电路设计
1. 1. 1 AT89C51单片机
AT89C51是一种高性能、低电压CMOS 8位处理器并带有4 kbytes FLASH存储器,俗名单片机。单片机可 以对可擦 除只读存 储器做反 复擦除1 000次的处理。该器件可以兼容工业标准的MCS-51指令集与输出管脚[3,4]。由于单个芯片内组合了闪烁存储器与多功能8位CPU,ATMEL的AT89C51是一种具有高效率且简单易操作的简微控制器。很多嵌入式控制系统都采用AT89C51单片机,提供了一种有较高灵活性且价格低廉的方案,其引脚排列如图2所示。
1. 1. 2 GPS模块
GPS接收模块天线的作用是将卫星发射的无线电信号转换成GPS接收模块元件能够接收应用的电信号。设计所用的GPS天线由陶瓷天线体和有源放大器2部分组成。采用塑料外壳的封装,防水防潮,材料环保,线材高性能,接收信号的灵敏度极高,天线的底部带有磁铁可以系在车外,产品小巧,安装与使用较为方便。工作条件是温度为 - 40 ~+ 85 ℃ ,湿度为95% ~ 100% 。
1. 1. 3显示电路
显示电路采用LCD12864,LCD12864是一种多接口方式的图形点阵液晶显示模块,内部配置国标一级、二级简体中文字库; 能够显示128 × 64的分辨率,内部16 × 16点的汉字 有8 192个,16 × 8点ASCII字符集有128个,该模块有灵活的接口方式,还具有简单、方便的操作指令,能够构成全中文人机交互图形界面。8 × 4、16 × 16点阵的中文汉字都能够实现,同时图形显示的功能也能完成。而且该LCD液晶显示器的所需电压和功耗都较低,该模块构成的液晶显示过程与同一种类的图形点阵液晶显示模块相比,硬件模块和实现程序都更为简洁,液晶显示模块与一些相同的图形点阵液晶模块相比,价格相对较低。
1. 2系统软件设计
电路硬件设计完成后,对软件进行设计,编写关于GPS的定位程序和LCD12864显示模块的程序,并对其检错与修改。
1. 2. 1系统软件
系统软件由初始化模块与数据接收处理模块组成。系统流程如图3所示。
1. 2. 2软件程序编制
( 1) GPS接收处理模块程序
从GPS上接收到的数据由数据接收处理模块处理。当接收的信息到达单片机的串口后,首先判别是否为语句引导头“ ”,才能接收信息的内容,对收到的ASCII码进行处理显示,必须区分出信息的类别,区分方法是根据语句标识来区分[7~9]。如果整个数据是正确的,就开始对数据进行处理; 如果接收的数据不正确,就要重新接收数据。设计中主要接收并存储的数据内容包括: 当前的日期、时间、经度、纬度与定位状态。特别注意的是,GPS所显示的时间是世界统一时间,这与我国的时区相差了8 h,所以必须转换接收模块所接收的时间。北京时间是UTC时间加上8 h才是准确的北京时间,如果超过24 h要做减24 h处理。在转换时间时要注意年月日的变更。数据每一秒进行一次更新,GPS模块会在系统工作时 不断的收 到新的数 据,单片机刷 新RAM,液晶屏显示出的将事处理后的数据。数据的接收与处理程序的流程图如图4所示。
( 2) GPS定位信息显示的程序设计
程序不考虑将GPS接收器输出的经纬度等信息与地图数据库连接实现定位功能,而是仅对GPS接收模块所输出的信息进行解析,然后将经度、纬度、速度与时间信息实时刷新显示在液晶屏上。以带串口输出的GPS模块Gstar - GS - 87为例,遵守的是目前GPS接收机使用最广泛的协议,即NMEA- 0183协议,是美国国家海洋电子协会制定的标准格式,专为海用电子设备使用,目前RTCM标准协议已经成了GPS定位设备统一协议。NEMA - 0183协议定义的语句非常丰富,其中最常见的NMEA -0183语句及字段如表1所示。
设计的主程序将过滤多种协议数据,仅解析“GPRMC ” 协议语句, 例如, “GPRMC,161 229. 487,A,3 723. 247500,N,1 2149. 342 100,W,0. 15,309. 58,118 589,* 10 ”,程序设计目标就是参考表2给出的“$ GPRMC”协议语句各字段的详细说明,从字符串中解析出经纬度、速度和时间信息。
解析“GPRMC”协议语句的完整代码由中断函数void Serial_INT( ) interrupt4提供,首先将接收的字符与字符串“GPRMC”中的字符逐一进行比对,该消息ID定义在程序最前面,即const char p[]=“ GPRMC”,如果所接 收到的信 息头部为“ GPRMC”,则继续后面的解析操作,否则忽略本次解析,等待下一“ GPRMC”消息头部的到来。
2需要解决的问题
手持式GPS定位仪需要解决下列问题:
1搜寻到可被使用的卫星并接收该卫星的信号,同时与接收到的卫星信号进行同步,得到有关于定位的信息[10];
2计算位置所需要的信息可从定位电文中取得,时钟信息与星历信息都包含在这些信息内;
3计算出卫星位置的正确信息,这些信息中包含卫星目前的高度与方位角,从而对对流层进行必要的校正;
4算出伪距,校正电离层等;
5重复以上过程,对可用卫星进行相应计算;
6对其他必要的项目进行校正,例如GPS接收机接收到卫星信号的时间,校正因地球旋转造成的卫星位置的偏差;
7根据定位原理,计算出接收机所在的初始位置的信息,并将该信息进行转换,显示出所需的坐标格式;
8加入闰秒与UTC时间补偿计算出当前正确的时间;
9将可用卫星的数据进行解析。计算出最为合适的DOP,选择卫星,计算出GPS接收机的位置并对其进行校正,显示出GPS的三维坐标和准确时间的信息。
3关键技术
通过计算GPS模块与各颗卫星间的伪距离,点位速度快是它的特点,但是会有较大误差。在第一次进行定位时,模块对定位信息进行计算至少需要4颗卫星,称作3D定位,实现2D定位就只要3颗卫星,但是其定位的精度却不够高。这些NMEA格式的定位及辅助信息由GPS接收模块源源不断的提供给用户选择应用[11]。
GPS性能指标主要有接收灵敏度、位置精度、定位时间、时间精度和功耗等。开机定位的时间不同可能与模块启动模式的不同有关。冷启动时间是指模块内没有保存任何对定位有帮助的数据,其中包括星历和时间等数据; 温启动时间则指模块内部有较新的卫星星历,但是时间上的却有很大偏差; 热启动时间则需要达到关机不超过20 min,且要求RTC时间误差很小。可以在静态和动态2种情况下对定位精度进行考察,并且动态定位比静态定位的效果要好得多。只有在没有高大阻碍的天空下,能接收到良好卫星信号的情况下才能测得GPS模块的定位数据。所以在一般情况下要想接收到达到标准的定位精度与定位时间并不容易。圆概率误差与2倍水平均方根误差是2种常见的水平定位精度。有很多方面都能决定GPS模块定位的精度,例如GPS系统的轨道差与卫星钟差、可见GPS卫星的数量及其分布、大气层厚度和太阳的辐射等。即使是同一个GPS模块也会因为天线的质量、位置与方向、测试的时间段、空旷的范围及方向、天气等原因产生不同的定位误差。就算是同一厂家同一型号的GPS模块进行测试时静态漂移量也会出现误差[12]。本文设计采用了G591模块作为GPS模块,它是一款采用日本原装全新JRC-G591模块的开发板,JRC第9代方案是此开发板是基础,能支持多达210PRN通道,其中搜索通道有66个,同步跟踪通道有22个,具有比较高的灵敏度与跟踪性能。
4系统测试与应用结果分析
4. 1系统测试
2014年4月20日19: 02左右于南京理工大学泰州科技学院第二食堂桥边进行定位仪系统测试,接收天线在户外,周围无高大建筑物,接入 + 5 V电源后,启动GPS定位系统,液晶显示如图5所示。图5( a) 中的数据N32. 27. 80表示当前位置的纬度为32°27. 80',E119. 56. 80表示当前位测量所以速度置的经度为119°56. 80'。图5( b) 中的数据表示了当前的时间为2014年4月20日19: 02: 14,由于是静止速度为0。
4. 2应用结果分析
GPS提供的定位信息包括了经度、维度、海拔、速度、航向、磁场、时间、卫星个数及其编号等卫星信息,其接收数据方法类似,所以设计只提供了其中的部分价值较高的数据信息。经过系统测试,获取的时间、经度、纬度信息与市售佳明GPSMAP 62sc定位仪获取结果完全一致,验证了系统的准确性与可靠性。本设计价格低廉,有较好的实用价值。
5结束语
设计的基于AT89C51单片机的液晶GPS定位仪,实现了GPS空间数据的读取显示。设计方法灵活,可以根据实际需要从GPS信号中提取多种导航信息,采用单片机作为主控芯片设计电路,具有易于调试、成本低廉等显著特点。该定位仪经过测试已证明完全满足系统基本需要。结构简单,器件少,成本低,性能稳定,又可通过PC机扩展其应用能力,体积小。该定位仪可民用化,方便携带,性价比高,适用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等。?
手持式GPS定位仪 篇2
阐述手持式GPS接收机对于不同的坐标系进行转换时用到的理论和有关参数的`计算方法,使手持式GPS接收机在不同的坐标系统中应用时,只要有关参数设置正确,即可以得到高精度的定位成果,从而提高工作效率.
作 者：姜明 张义军 JIANG Ming ZHANG Yi-jun 作者单位：姜明,JIANG Ming(重庆市林业规划设计院,重庆,400060)
张义军,ZHANG Yi-jun(国家林业局西北林业调查规划设计院,陕西,西安,710000)
手持式GPS定位仪 篇3
1、全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国从1973年开始筹建的，该系统可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS的空间星座部分由24颗均匀分布在6個轨道平面内的卫星组成；GPS的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1个主控站、3个注入站和5个监测站；GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
2、WGS—84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，是由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统(WGS—72坐标系统)而成为GPS目前所使用的坐标系统。WGS—84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。WGS—84系所采用椭球参数为：a=6378138m；f=1／298.257223563。
3、北京54坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245m；f=1／298.3。
2、坐标转换参数的计算和设置
由于不同坐标系之间存在着平移和旋转的问题，因此，WGS-84坐标系和北京54坐标系转换的问题是使用手持GPS接收机必须解决的问题。目前，大部份手持GPS接收机内部设置了WGS-84坐标系统和北京54坐标系系统的五个转换参数：DX、DY、DZ、DA、DF，这就要计算出仪器预置的五个参数才能进行坐标转换测量。五个参数中，DA和DF是固定值(DA=-108，DF=0.0000005)，而DX、DY、DZ三个参数因地区而异，需要在区域内收集到同时具有WGS-84坐标和北京54坐标的一组控制点，将WGS-84坐标系的空间直角坐标原点平移到北京54坐标系的原点，用北京54坐标系的椭球参数重算以达到两坐标系转换。计算公式为：
此外，也可利用各手持GPS厂家提供的转换参数计算程序，进行参数计算。
以GARMIN系列GPS为例：厂家提供了以下程序：
在程序中输入了已知点位的北京54坐标和WGS-84坐标后，程序即计算出该点的DX、DY和DZ。输入多个点的坐标并取得平均值后，得出在深圳地区三个转换参数。将三个参数输入手持GPS中，经野外检验，点位误差在5米以下，满足地质灾害防治工作中在1: 10000地形图上标识边坡位置及导航的需要。
3、地质灾害防治工作中的坐标定位
深圳市的各种工程项目基本都是在深圳市独立坐标系下进行的，而深圳市独立坐标系与北京54坐标系之间不但有平移关系，还有旋转关系，所以一般手持GPS的5参数改正，是无法直接在手持机上读取到深圳坐标的。这就给地质灾害防治工作带来了一个难题：工作人员手中的所有资料都是以深圳市独立坐标为基础的，而通过手持GPS只能得到北京54坐标。在野外工作中，如果通过手工计算或计算器将北京54坐标转换为深圳市独立坐标，无疑将增加野外工作量，影响工作效率。因此，选择一款具有储存功能和数据传输功能的手持GPS将是提高工作效率和节约成本的好方法。工作人员在野外采集到点位的北京54坐标后，将其按编号直接储存在GPS的内存中，野外工作结束后，在办公室将GPS内存中的数据通过数据线传输到计算机上，再通过EXCEL的计算功能，即可以非常方便地得出每个点位在深圳市独立坐标系下的坐标了。这样的工作方法，非常适合那些地形地貌变化大，在图上定位困难的位置。而且工作中人为的操作减少，数据的准确性也提高了。
4、地质灾害防治工作中的导航
在地质灾害发生后及时到达现场，是减小地质灾害损失的关键环节。深圳市的地质灾害隐患点数量多，分布广，几乎没有人能记住每个隐患点所在位置。这样一来，到野外及时找到地质灾害位置就成了一个难题。
在实际工作中，我们应用了GPS的导航功能。出发前，在GPS中输入要去的地质灾害点的坐标值，然后启动导航。在GPS上可以看到一个罗盘和一个方向指针。罗盘的正上方就表示当前的运动方向（航向），指针则始终指向目的地的方向（方位）。按方向指针的箭头方向行走，直到箭头指向罗盘的顶部。如果它指向右边，表明边坡的位置在右边；如果它指向左边，表明边坡的位置在左边；如果它指向上方，说明边坡在正前方。GPS上也可以显示出当前位置到目标的距离。可见，利用GPS的导航功能，工作人员可以非常迅捷地到达现场，迅速展开工作。
5、结束语
GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用各个领域中。随着全球定位系统(GPS)的不断改进及硬、软件的不断完善，手持GPS一直在向体积小，重量轻，携带方便，耗电量小，功能全的方向发展。其应用领域也会越来越广。
参考文献：
1、张剑盈等 手持GPS坐标系统转换参数的求解方法 中国西部科技 2010年第31期
2、林峰，刘文忠等. GPS技术在城市控制测量中的应用. 东北测绘，2001.(2).
3、徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民. GPS测量原理及应用武汉测绘科技大学出版社.
手持式GPS定位仪 篇4
手持式GPS定位仪是全球定位系统的终端─信号接收部分。它具有定位、记录航迹、测量求积等多种功能。并具有精度高、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点。
下面谈一下手持式GPS定位仪在文物遗址普查中的应用。
1 手持式GPS定位仪的调试校对
在使用手持式GPS定位仪之前, 要对该仪器进行调试校对, 因为目前市面上出售的手持GPS定位仪所使用的坐标系统基本都是WGS-84坐标系统, 而我们使用的地图资源大部分都属于1954年北京坐标系或1980年西安国家大地坐标系。不同坐标系之间存在着平移和旋转的关系, 要使手持GPS所测量的数据转换为自己需要的坐标, 必须求出两个坐标系 (WGS-84和北京54坐标系或西安80坐标系) 之间的转换参数, 进行坐标转换。只要用户计算出五个转换参数 (DX、DY、DZ、DA、DF) 并按提示输入GPS中, 即可在GPS仪器上自动进行坐标转换, 得出该点对应的北京54坐标系 (或西安80坐标系) 的坐标值, 这样调试校对后的GPS定位仪才能使用。
下面以北京54坐标系为例, 求手持GPS接收机坐标转换五个参数的方法。
1.1 收集应用区域内高等级控制点成果。
在应用手持GPS定位仪取土的区域内 (如一个县) 找出三个 (或以上) 分布均匀的等级点 (精度越高越好) 或GPS“B”级网网点, 点位最好是周围无电磁波干扰, 视野开阔, 卫星信号强。到当地的测绘管理部门 (如:本地测绘局、测绘院、测绘管理处等部门。) 抄取这些点的北京54坐标系的高斯平面直角坐标 (x、y) , 高程h和WGS-84坐标系的大地经纬度 (B、L) , 大地高H。
1.2 求坐标转换参数。
将上述获得的控制点的坐标数据提供给技术支持单位 (如北京合众思壮公司各地分公司相关负责人) 求解出坐标转换参数, 或者获取转换软件自己进行转换。也可以根据公式进行不同坐标系三维直角坐标值的计算。计算公式如下:X= (N+H) cos Bcos L;Y= (N+H) cos Bsin L;Y=[N (1-e2) +H]sin B (见各GPS定位仪使用说明书) 。利用WGS84坐标系的X、Y、Z及a、f值, 减去我国坐标系的对应值, 得出实现坐标转换的五个参数。转换参数求出后按提示输入手持式GPS定位仪中, 只需经过这样一次设置, 以后所有在该区域内测点时GPS所读出的坐标就为该点的北京54坐标值了。
1.3 参数检验。DX、DY、DZ、DA、DF五个转换
参数求出后, 必须按提示分别输入手持式GPS中, 同时输入测区中央子午线经度。E代表东经, 投影比例参数为1, 东西偏差为500000, 南北偏差为0, 并设单位为米。输入这些参数后, 应拿到实地检测, 检验这五个参数是否正确。方法是, 在野外选定视野开阔、GPS接收信号强的特征点 (如线状地物交叉点、独立地物等) , 最好是埋石控制点进行测量, 然后找出这些点的理论坐标与之比较。如比较结果超过仪器标称精度, 则应重新测算转换参数或查找出现的问题。
2 手持式GPS定位仪在文物遗址普查中的应用
2.1 定位。
进行文物遗址普查, 对发现的不可移动文物遗址首先要确定它的位置且将其位置准确地在1:50000或1:10000的地形图上展点 (也就是对其定位) , 然后进行其他方面的工作。要在文物遗址的几何中心或该遗址中能够控制遗址总体面积的某一点进行定位, 把这一点做为该遗址的基点, 可以埋石。应用调试校对好的手持式GPS定位仪对此点进行卫星定位, 以手持式e Trex (小博士) 定位仪为例, 做法如下:a.将手持式GPS定位仪置于无屏蔽的天空下, 握住机器使其水平的面向天空, 按住电源键 (PWR) 1s开机, 几秒后显示卫星状态。b.按翻页键 (PAGE) 至菜单页, 用上、下移光标键 (▲!) 框选“存点”项, 按输入键 (ERTER) 确定。将仪器放在待测点上, 等待2min左右, 收到4颗卫星信号后为三维导航, 误差最小可达到5m, 按输入键 (ERTER) 确定, 记录下该航点。当误差小于6m时, 就符合手持式e Trex (小博士) 定位仪单机定位精度小于10m的要求。基本能够满足地面低精度测量数据在1:50000地形图上的展点应用。埋石的文物遗址对作文物遗址GIS系统、文物遗址地形的测绘以及考古发掘的大地直角坐标布方等提供了基础条件。
2.2 求积。
利用手持式GPS定位仪还可以对田野遗址进行面积测量, 仍以手持式e Trex (小博士) 定位仪为例, 做法如下:2.2.1开机定位。在无屏蔽的天空下开机定位后, 按翻页键 (PAGE) 至菜单页。2.2.2设置。a.用上、下移光标键 (▲!) 框选“航迹”项, 按输入键 (ERTER) , 出现求面积的画面, 用上、下移光标键 (▲!) 框选面积项, 再按输入键 (ERTER) 确定, 出现面积、单位、确定字样。b.面积单位的设定。用上、下移光标键 (▲!) 框选“SQ”项 (单位面积) , 按输入键 (ERTER) , 出现面积单位选择栏, 我们通常用上、下移光标键 (▲!) 框选SQMT (平方米) 或SQKM (平方公里) , 再按输入键 (ERTER) 确定即可。c.在施测求积之前, 要删除仪器内以前存留的航迹, 使面积数值归零。2.2.3实测。在实测文物遗址时, 要沿着遗址的边缘行走, 在变化点要存点, 走完一个闭合轨迹后, 用上、下移光标键 (▲!) 框选“确定”, 按输入键 (ERTER) 两次, 即可显示测出的面积结果。要注意的是, 在起点和行走轨迹的变化点都要打标记桩和在仪器内存点, 有条件的话, 可以多测几组数值, 最后求其平均值。如测黑龙江省阿城金上京城址面积时, 就可以在城墙上起点和变化点打标桩, 然后进行测量。如下图 (金上京遗址平面示意图) 所示, 测北城面积时, 先在A点定位存点, 然后行走至B点, 进行点定位存点 (按一下输入键ERTER) , 以下顺延至C、D点, 最后回到A点, 形成闭合的行走轨迹, 再按一次输入键 (ERTER) , [也可用上、下移光标键 (▲!) 框选“确定”, 按输入键 (ERTER) 两次], 即可得出所测面积的结果。若求南城的面积, 可以从A点起行走至E→F→G→A点, 每点都要存点 (按一下输入键ERTER) , 行至终点 (也是起点A) 形成闭合轨迹时, 再按一次输入键 (ERTER) 即可得出所测南城面积的结果。若测全城面积, 除将南北两城面积相加外, 也可以从A点起行走至B→C→D→E→F→G→A点, 每点都要定位存点 (按一下输入键ERTER) , 至终点 (也是起点A) 形成闭合轨迹时再按一次输入键 (ERTER) , 即可得出所测全城面积的结果。
2.3 测距。
一般的GPS上都有MARK键和GOTO键, MARK键用于定位, 即把当前点的坐标存在内存里, GPS会自动为这个点起一个名字;GOTO键用于导航, 如果有一个已知点的坐标存在了GPS的内存里, 并且已经有了名字, 那么按GOTO键, 再选中已知点的名字, 就可以计算出两点间的直线距离。在文物遗址普查中就可以利用上述方法测得古城城墙的长度, 还以金上京遗址为例 (见“金上京遗址平面示意图”) , 要想测得其城墙的周长, 应将A点定位 (按MARK键) , 将其坐标输入到GPS定位仪的内存里。至B点, 再将B点定位 (按MARK键) , 将其坐标输入到GPS定位仪的内存里, 然后按GOTO键, 选中A点, 就可以计算出B→A两点间的直线距离, 以下依次类推回至A点 (B←C←D←E←F←G←A) , 累加各点间的距离就得到此城墙的周长。
3 结语
GPS定位仪是先进的科学仪器, 其应用领域很广。将GPS定位仪应用到文物遗址普查中, 无疑是提升了文物普查工作的科技含量, 特别是在野外进行普查时利用手持式GPS定位仪更为适用, 方便灵活、省时省工, 所采集到的点更为精确。
手持式GPS定位仪 篇5
针对传统野外地质填图中手段落后、填图精度不高以及工作效率低的`特点,文章探讨了手持GPS接收机在野外区调地质填图中标定地质点、导航、计算多边形面积以及补点等方面的应用及其注意事项,提出了将GPS手持机绝对定位结果标定在地形图上的一个简单而新颖的方法,大大增强了GPS手持机在野外地质填图中的实用性.
作 者：丁继新 马捷 尚彦军 史永跃 DING Ji-xin MA Jie SHANG Yan-jun Shi Yong-yue 作者单位：丁继新,DING Ji-xin(有色金属矿产地质调查中心,北京,100012;北京中色资源环境工程有限公司,北京,100045)
马捷,尚彦军,MA Jie,SHANG Yan-jun(安阳师范学院实验中心,安阳,455000)
史永跃,Shi Yong-yue(中国科学院地质与地球物理研究所工程力学重点实验室,北京,100029)
手持式GPS定位仪 篇6
GPS在得到待定点的空间位置的时候, 根据的是接收并且数据处理卫星发射的信号。GPS的主要功能是精密的三维导航和定位, 并且不容易受到干扰, 具有良好的保密性。其中地面监控站、空间卫星星座和用户设备这三个部分组成了GPS系统。
主控站、检测站、注入站是GPS地面监控站的组成部分。主控站在在对各卫星的轨道参数和钟差参数进行计算的时候, 主要依据的是各监测站对GPS卫星的观测数据, 然后把这些编制成导航电文的数据传送到注入站, 最后注入到存储器中。工作卫星和在轨备用卫星是GPS空间卫星星组的重要组成部分, 一共有24颗卫星, 其中工作卫星有21颗, 在轨备用卫星有3颗。这些卫星在倾角为55℃的轨道平面内均匀的分布着。卫星在向广大用户发送导航定位信号的时候, 一般用的是L波段的两个无线电载波。卫星之所以能够成为一个动态地已知点, 是因为卫星的位置信息在导航的定位信号中包含着。GPS接收机、数据处理软件等是GPS用户设备的主要组成部分。利用GPS用户设备求得测站点的三维坐标的方法是:首先处理GPS接收机捕获到的待测卫星的信号, 在实现高精度测量的时候, 采用的是L1和L2载波相位观测值, 求接收机之间的一次差的时候, 利用的是载波相位测量局域差分法, 然后求得卫星观测历元和接收机之间的二次差, 待定基线的长度就是通过计算这两次差分而得到的。最后再经过一系列的解算和网平差, 利用计算机和相应的软件求得三维坐标。
2 手持式GPS在地质勘察测量的应用
1) 选点、埋石。技术设计的时候, 一定要按照要求使布设的控制点在保证图形结构的前提下将整个测区均匀的覆盖。另外控制点与已知控制点的距离要小于10km。要有显著的点位目标和开阔的视野, 这样在安装接收设备的时候比较方便。为了避免遮挡或者吸收GPS的信号, 障碍物不能存在在视场周围大于15°的区域。为了使GPS信号不受到电磁场的干扰, 应该使大功率无线电发射源和高压线远离点位。为了使多路径效应的影响减少, 点位的选择也应该远离大面积的水域和其他的能够给卫星信号接收带来影响的物体。另外在选择点位的时候, 尽量要注意有方便的交通, 还要对观测手段与观测地方的扩展有利;
2) 野外观测。在野外观测时, 首先要对观测的时间进行合理的安排, 然后填写计划时段表, 使测量员测站的行程有明确的指示。在安排观测的顺序的时候, 最佳的方法是边连式。另外还要把仪器架设在需要观测的点上, 然后把仪器架上基座进行整平。在调整焦距的时候, 一定要根据仪器的高度和操作员的视力调整到合适的焦距, 使对中上有像差的现象不会发生。在安装好了GPS天线盘后, 要确定天线盘的指示方向是北方。测量并且记录GPS天线盘在三个方向的高度。在开机前一定要保证各部件都已经固定的完好。数据下载和内业计算机最重要的信息记录是手, 记录的是整个外业观测的过程。在记录的时候, 一定要注意点名、序号、开关机时间、点号、天线高度、仪器编号必须记录正确。纬二路防止出现意外的状况, 在仪器旁边必须有GPS人员监督, 特别让及时的查看是否有持续接收的数据, 电池剩余的电量是否充足。如果发现仪器中有位移或者倾倒的现象, 或者出现断电的现象, 应该立即采取相应的措施来及时的解决。每次出现意外需要关机然后重新开机的, 都应该及时的记录开关机的时间;
3) 内业数据的处理。内业数据的处理主要包括资料的下载、基线解算、GPS网平差三个部分。将传输线连接在电脑上下载GPS外业观测采集的数据, 或者直接将数据传输到计算机中。下载完数据后, 要检核下载的资料, 对数据中有错误的或者不符情况的地方要及时的纠正。在处理基线的时候, 首先要对间隔、参考卫星、解算模型的设置等基线解算的控制参数设定, 然后检查和修改外业输入的数据, 这样是为了保证操作的准确性。在进行基线解算的时候, 一般都不需要人的参与, 自动进行。完成了基线解算之后, 还应该检查基线的质量, 确保质量合格之后才能进行后续的处理。处理好基线之后, 要转化原来的基线向量的成果为国家或者地方的坐标, 满足客户的需要。在计算GPS的网平差的时候, 首先要设定各项平差参数, 然后输入已知的坐标, 将约束选项勾选出来。显示参与自由网平差的基线向量的改正数、XYZ方向、平差值和点位中误差等信息是自由网平差的主要职责。另外检验基线解算质量也是自由网平差的职责。二维约束平差是在自由网平差的基础上这样可以使国家或者地方的平面坐标得到确定。另外网平差中还包括水准高成拟合, 将转换的参数、水准拟合的方法以及水准高和误差列在水准高程拟合的成果报告中。
3 结论
手持式GPS在地质勘查测量中发挥着不可估量的作用, 因此越来越广泛的应用在地质勘查工作中。GPS技术精度比较高, 功能比较多, 而且操作起来十分的简便, 有效的保证了地质勘查工作的完成。随着GPS技术的不断创新, GPS技术的功能将会越来越齐全, 效率也会越来越高, 广泛的适用在各个领域的测量工作中去。
参考文献
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手持式GPS定位仪 篇7
1 GPS系统的概念及组成分析
GPS又称为全球定位系统, GPS测量技术能够迅速、精确而又高效地为地质勘探提供点、线、面相结合的精确三维坐标信息图。全球定位系统一般由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成[1]。其中空间部分即GPS卫星星座是由24颗工作卫星组成。它位于距地表20200km的上空, 卫星的均匀分布使得在全球任何时空内都可观测到4颗以上的卫星, 从而达到全方位观测的目标。地面监控系统主要包括一个主控站、三个注入站和五个监测站, 这些站点之间相互联系形成一个有机的整体[2]。而用户设备部分主要通过GPS信号接收机捕获到待测卫星的信号并对他们进行跟踪。同时, GPS信号接收机也对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理。
2 GPS系统基本定位原理分析
全球定位系统的基本定位原理主要是通过卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息, 这些信息被用户接收后, 一般都会运用计算机计算出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息, 通常来说根据这些接收到的信息便可以测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间, 并解译出GPS卫星所发送的导航电文, 实时计算出测站的三维位置, 甚至速度和时间, 其误差在实际应用中甚至于可以忽略不计。通过对全球定位系统基本定位原理的分析, 可以看出全球定位系统具有高精度、高效率、多功能及操作简便等优点, 不仅能够实现地质勘查, 并且勘测的结果可靠性强、准确度高。同时全球定位系统的操作及数据处理过程为全自动随机软件处理, 因此可以大量地节省了地质勘探工作人力、物资、资金的投入, 有效地促进了我国地质勘探事业的发展。
3 手持式GPS在地质勘查测量的应用分析
通过上面的分析可以看出GPS系统在地质勘查测量领域具有很大的运用潜力。手持式GPS作为一种特殊的定位系统, 在实际的地质勘查测量运用过程中必须要按照规范的要求进行, 不能只是依靠经验和感觉。那样会严重影响到测量结果的有效性, 更严重的可能导致错误的勘测结果, 影响相关决策的制定。其具体的运用主要表现在以下几个方面的问题。
3.1 地质勘测准备阶段的运用
在勘测进行前, 一般要进行选点、埋石。在这个过程中要注意以下几方面的问题。首先, 在技术设计时, 一定要根据实际情况及布点要求进行布点, 要在保证图形结构的基础上使所设的布点均匀地分布在所要勘测的区域范围之内。其次, 控制点与已知的控制点之间的距离要尽量小于10千米, 以保证有显著的点位目标和开阔的勘测视野, 这样可以方便勘测设备的安装, 提高勘测的效率。第三, 为了避免障碍物遮挡或者吸收GPS信号, 在勘测视场大于15°区域内最好不要存在明显的障碍物, 以免影响勘测的准确度。第四, 选点要尽量远离大功率的无线电发射源和高压线, 避免GPS信号受到强磁场的干扰。第五, 为了减少多路径效应的影响, 点位的选择应该远离大面积的水域和其他有可能给卫星信号接收带来影响的物体。另外, 在选择点位的时候, 要考虑交通、观测手段及观测地方的扩展问题。
3.2 地质勘测进行阶段的运用
运用手持式GPS进行地质勘测时, 首先要根据实际情况对观测的时间进行合理安排, 使测量员测站的行程有明确的指示, 避免出现遗漏与重复勘测的情况。其次, 要注意先把仪器架设在观测点上, 然后调整仪器架上基座, 在调整焦距时要根据仪器的高度和操作员的视力调整到合适的焦距, 以避免对中上有像差的现象发生。另外, GPS天线盘指示方向是北方。在开机前一定要保证所有的部件都已经固定完好。开机后最重要的就是信息的记录, 一般来说记录的是整个外业观测的过程。在记录的时候, 一定要确保点名序号、开关机时间、点号、天线高度仪器编号记录正确。在仪器旁边必须有GPS人员监督, 监督的主要任务之一就是看勘测的数据有没有持续接收, 电量是否充足等问题。如果发现仪器有位置上的问题, 或出现断电, 就应该立即采取相应的措施来及时的解决。一般来说一旦问题出现都要在关机重启后进行重新勘测, 并且要记录相关问题发生及解决的时间。
3.3 地质勘测结束阶段的运用
地质勘测结束阶段的主要任务是内业数据的处理。内业数据的处理主要包括资料的下载、基线解算、GPS网平差三个部分[3]。首先, 下载GPS外业观测采集的数据, 或者直接将数据传输到计算机中。然后, 对下载的相关数据进行检核, 尽量发现数据中的错误, 并对不符合实际情况的数据进行及时纠正。其次, 在处理基线的时候, 要对间隔、参考卫星、解算模型的设置等基线解算的控制参数进行设定, 然后检查和修改输入的数据, 这样可以有效地保证操作的准确性和可靠性。在进行基线解算时, 一般采用自动进行的方式, 不需要人员的参与。完成了基线解算之后, 还应该检查基线的质量, 确保质量合格之后才能进行后续的处理。最后, 在计算GPS的网平差时, 首先要设定各项平差参数, 然后输入已知的坐标并勾选出约束选项。另外, 网平差中还包括水准高程拟合, 将转换的参数、水准拟合的方法等[4]。
4 结束语
通过论文的分析可以看出GPS系统在界定物体的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息方面具有非常突出的优势。通过对手持式GPS在地质勘查测量准备、进行及数据处理过程中的应用, 也可以看出GPS系统准确、快速、便捷的特点, 将手持式GPS运用到地质勘查中不仅能够提高勘测结果的准确性和可靠性, 同时也有利于人力成本的降低及工作效率的提高, 所以值得推广。最后, 希望论文的研究为相关工作者及研究人员提供一定的借鉴与参考价值。
摘要：GPS系统主要通过卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息, 通过这些信息准确的界定物体的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息, 并最终确定具体的位置。文章首先对GPS系统的概念进行了界定, 并阐述了GPS系统的构成内容, 在此基础上分析了GPS系统的基本定位原理。最后文章分析了手持式GPS在地质勘查测量准备、进行及数据处理过程中的应用, 并给出了相关的使用建议。
关键词：手持式GPS,地质勘查,运用
参考文献
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手持式GPS定位仪 篇8
关键词：水田信息,信息采集,嵌入式软件开发,精准农业
0 引言
精准农业技术的应用可以有效地提高农田资源的利用潜力,实现高效投入,节约成本,增加产量,提升农产品的品质,减轻农业生产对生态环境的负荷,达到作物生产的可持续发展的目的[1]。自“十五”计划开始,国内在精准农业方面的研究全面展开,并产生了大量的科研成果,建立了多个示范区及试验示范基地。例如,地处小汤山的“国家精准农业示范区”和黑龙江农垦的试验示范基地。
由于种植结构的原因,前些年的研究主要集中在旱田方面,作物对象主要面向小麦、玉米、大豆和棉花等,具体的研究成果也都体现在这些方面。近年来,黑龙江省粮食种植结构调整,按照计划至2020年粮食主产区的三江平原水田面积将达到200万hm2,近年来水稻种植面积显著增加,已上升为种植面积第1的作物。因此,开展水稻种植中的精准农业技术研究和相关产品研发势在必行。
水稻是喜水作物,在主要环境条件水、肥、气、热诸因素中,水是最活跃因子,一切生产活动和设施也都与水有关,如水渠、增温设施、提灌站、机井和排水沟等。由此决定了水稻种植的精准农业技术实施工作与旱田存在着较大的区别。
精准农业技术的实施是建立在农田信息的空间差异性基础之上的,农田信息的调查是基础。可移动便携式的农田信息调查系统则是开展精准农业初期工作的必备工具。本文以水稻种植精准管理的田间信息调查工作为对象,开展满足水田田间调查工作的移动便携式系统研究。
1 系统关键技术
1.1 GPS数据解析协议
GPS信号可以采用二进制和ASCII码两种格式输出,通常采用NMEA-0183协议标准格式输出。该通信协议提供了6种数据格式, 分别为GPGSV(可见卫星信息)、GPGLL(地理定位信息)、GPRMC(推荐最小定位信息)、GPVTG(地面速度信息)、GPGGA(GPS定位信息)和GPGSA(当前卫星信息)。
NMEA0183格式[2]的数据包是一组包含有各种地理位置信息的字符串,格式如图1所示。
数据域以逗号分隔,“*”为校验和前缀,校验和以ASCII字符形式表示,
在精准农业应用中,采用较多的是GPRMC和 GPGGA两种格式。为此,对两者协议格式进行说明。
1.1.1 GPRMC数据格式
RMC是Recommended Minimum Navigation Information 的英文缩写,中文含义是推荐最小定位信息,具体格式如图2 所示。
格式解析:
数据域1:UTC时间,采用hhmmss格式,即时分秒格式 ;
数据域2:定位状态,值为A表示有效定位,为V表示无效定位;
数据域3:纬度,ddmm.mmmm度分格式
数据域4:纬度半球,N为北半球,S为南半球;
数据域5:经度,dddmm.mmmm度分格式;
数据域6:经度半球,E表示东经,W表示西经;
数据域7:地面速率,取000.0～999.9;
数据域8:地面航向,取000.0～359.9;
数据域9:UTC日期,ddmmyy,日月年格式;
数据域10:磁偏角,取000.0～180.0;
数据域11:磁偏角方向,E为东,W为西;
数据域12:模式,A为自主定位,D为差分定位,E为估算,N为数据无效。
1.1.2 GPGGA数据格式
GPGGA格式即GPS定位信息,如图3所示。
格式解析:
数据域1:UTC时间,格式为hhmmss.sss;
数据域2:纬度,格式为ddmm.mmmm;
数据域3:纬度半球,N或S表示北纬或南纬;
数据域4:经度,格式为dddmm.mmmm;
数据域5:经度半球,E或W表示东经或西经;
数据域6:定位质量指示,0表示定位无效,1表示定位有效;
数据域7:可使用的卫星数量,从00到12;
数据域8:水平精确度,0.5～99.9;
数据域9:天线离海平面高度,-9 999.9～9 999.9;
数据域10:数据域9的单位,m;
数据域11:大地水准面高度,-9 999.9～9 999.9;
数据域12:数据域11的单位,m;
数据域13:差分GPS数据期限(RTCM SC-104),最后设立RTCM传送的秒数量;
数据域14:差分参考基站标号,从0000到1023;
数据域15:校验和。
根据上述格式,可以设计解析程序从GPS的输出内容中解析出调查信息采样的地理位置数据。
1.2 提高定位精度方法
应用GPS进行位置信息采集时,数据的精度除了受工作方式(自主定位、差分定位等)影响外,也要受到周边环境的影响,如风、云、建筑物或树木遮挡等[3]。因此,需要采用一定的技术手段消除这些因素带来的影响,提高定位经度。
在水稻精准灌溉系统中,存在大量点对象(例如农用机井、提灌站或水闸等),需要采用单点的定位测量方法。为了能够获取较为精确的位置信息,应在GPS设备精度范围内,于被测对象的不同方位进行多次测量,取平均值作为测量值,测量次数应兼顾测量精度与工作效率。经验证明,单点定位测量时重复次数应不低于120、不高于600[4]。
1.3 坐标转换算法
从GPS模块获取的数据包中位置坐标是WGS-84经纬度坐标,手持设备中用于显示的GIS地图使用的是平面直角坐标,因此需要进行坐标系的转换。通常采用高斯投影正算公式[5],实现大地坐标到平面直角坐标的转换,具体公式为
undefined
undefined
式中,N为椭球的卯酉圈曲率半径;B为投影点大地纬度;l=L-L0,L为投影点大地经度,L0为轴子午线大地经度;t=tgB;η=e’cosB;e’为椭球的第2偏心率;e’=sqrt((a2-b2)/b2);a为椭球长半径;b为椭球短半径;f为椭球扁率,f=(a-b)/a;e为椭球的第1偏心率,e=sqrt((a2-b2)/b2) ;N=a/W。
1.4 GIS组件
随着移动计算环境硬件的长足进步,基于移动计算环境的GIS组件也得到了快速发展。目前,应用较多的嵌入式GIS组件有国外MapInfo公司的MapX Mobile,ESRI公司的ArgGIS Mobile和ArcPad以及国内SuperMap公司的eSuperMap等[6]。这些嵌入式组件多为专业GIS组件精简之后的版本,专业性较强,二次开发功能除ArcGIS Mobile外均有欠缺。同时,这些组件均为商业化产品,基于之上开发应用无疑增加了开发成本。因此,本文采用了开源的GDAL/OGR库实现GIS组件的功能。
GDAL是在X/MIT许可协议下的开源栅格空间数据转换库,OGR是GDAL的一个分支,提供对矢量数据的支持。作为专业的开源库,GDAL提供了标准的二次开发接口,包括对多种栅格数据格式的读取、写入、转换和处理等功能。其具有完全公开源代码的特点,不仅为用户进行二次开发和底层功能扩展提供了更高的开发平台,而且为用户提供了低成本的解决方案。
GDAL使用1个单一的抽象数据模型来支持大数类型的栅格数据,支持近百种栅格格式和10余种矢量格式。抽象数据模型包括数据集、坐标系统、仿射地理坐标转换、大地控制点、元数据、栅格波段、颜色表、子数据、图像结构域及XML等,可以很好地支持GIS的全部功能,尤其是在数据显示方面有着明显的优势[7]。
2 系统设计
2.1 系统平台选择
目前有多种智能手持设备可以作为田间调查工作的硬件平台,如PDA、掌上电脑甚至是智能手机等。但是,在农业生产环境中外界因素变化较大(如雷雨天气、高温、低温和设备跌落等突发状况等),所以为了保证工作的正常开展,考虑的因素应该高于上述设备的默认工况。在此,硬件平台选择合众思壮公司的集思宝G738P手持GPS产品。
该产品指标如下:操作系统采用Windows Mobile 5.0,主频520MHz,GPS16通道(L1C/A码)实时整合SBAS,采用协议NMEA0183,精度单点定位<6m(2DRMS), SBAS<3m(2DRMS),RTCM-IN<3m(2DRMS),工作温度-10～+50℃,防水能力IPX5级,防震能力1.2m高度水泥地面自由跌落,电池时间12h,具有蓝牙、USB2.0接口和GPRS数据通讯,存储64MB SDRAM,320MBFlash,可扩展到2G MicroSD卡。完全符合农业生产环境。
2.2 系统功能
信息调查系统由数据库模块、GIS模块、通信模块和用户接口等4部分组成,实现功能如图4所示。
3 系统实现技术
系统开发平台采用VS2005,GIS组件采用GDAL/OGR实现,数据库采用SQL Server CE,开发语言采用C++。
3.1 GPS数据读取流程
G738P采用COM4作为硬件接口,默认的比特率为9 600bit/s。在读取定位数据前应首先进行初始化,然后启动监听程序读取GPS数据包。监听程序流程如图5所示。
3.2 GPS数据操作
打开部分NMEA数据命令定义如下:
char NMEAenable[][96] = {
"xB5x62x06x01x03x00xF0x00x01xFBx10 ",
"xB5x62x06x01x03x00xF0x01x01xFCx12 ",
"xB5x62x06x01x03x00xF0x02x01xFDx14 ",
"xB5x62x06x01x03x00xF0x03x01xFEx16 ",
"xB5x62x06x01x03x00xF0x05x01x00x1A ",
"xB5x62x06x01x03x00xF0x08x01x03x20 ",};
发送打开NMEA命令程序如下:
void PollMSGNMEA()
{DWORD usCnt=0;
int iCnt = sizeof(NMEAenable)/sizeof(NMEAenable[0]);
for (int i = 0; i< iCnt; i++){
::WriteFile(m_Com,NMEAenable[i],12,&usCnt,NULL);
Sleep(10);
}}
4 结语
本文针对目前北方水稻种植精准管理工作中缺乏便携式田间信息调查系统的现状,选择GPS手持机G738P为硬件平台,论述了该系统开发的关键技术、系统的功能结构以及GPS数据采集的实现方法,为水稻种植的精准农业技术实施的前期工作提供了辅助工具。
参考文献
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[6]朱磊,陈鹏,何兵,等.基于ArcGIS Mobile的移动地理信息系统的关键技术[J].铁道勘察,2009(6):48-53.
手持式GPS定位仪 篇9
随着我国现代化建设各项事业的逐步推进, 各行各业都进入了线路建设的高峰期, 线路工程测量也迎来大发展[1]。在线路工程测量过程中, 需线路专业和测绘专业紧密结合, 按照线路工程的特点, 采取既能满足各阶段规划设计要求, 又能满足建设周期要求的测绘技术。线路工程前期, 对于一些精度要求较低的地类调查、控制性工程、标段划分都可能用到手持GPS进行现场作业;而在初步设计阶段和施工图设计阶段, 对于线路的范围框定、路由选择、交桩复桩等后期服务也需要用到手持GPS进行技术服务。如在现场交桩复桩过程中, 手持GPS以其机身体积小、携带方便、操作灵活简单、定位迅速、能实时得到定位结果、价格便宜、降低劳动强度等优点成为现场服务的首选[2~3]。但是, 由于手持GPS使用的是WGS84坐标系, 而线路设计使用最多的是BJ54坐标系和西安80坐标系, 或者独立坐标系, 如果直接将现场采集的GPS坐标落到地形图上, 常常会有60~150m不等的误差, 需将WGS84系下的坐标值进行不同椭球坐标系间的转换, 并进行相关设置。
对于较长的线路工程测量, 有时还需将采集到的坐标, 经过处理后, 导入google earth中去, 为设计提供直观的线路路由, 可以辅助设计人员进行设计优化, 可以帮助现场服务人员直观了解线路路由情况。
本文以GARMIN集思宝手持GPS接收机为例, 结合管道线路工程, 在介绍手持GPS特点的基础上, 说明其坐标系相关参数的求解与设置方法, 阐述了由其采集的坐标数据导入google earth的方法与步骤, 提出了基于手持GPS和google earth的线路工程测量的解决之道。
2 手持GP S的特点
GARMIN集思宝 (下称集思宝) 手持GPS接收机, 具有并行12通道的接受体制, 可接受差分信号, 定位速度快, 精度高, 体积小巧, 携带方便, 自带全国详细的电子地图, 坐标系统丰富且可自由转化等优点。其主要技术参数如下:
2.1 水平定位精度:
±5m (VMS)
2.2 捕获时间:
<15s (热启动)
<45s (冷启动)
2.3 更新率:
1次/秒, 连续
2.4 天线:
内置天线。
2.5 工作温度:
-15℃~+70℃
2.6 电源:
两节1.5V AAA电池, 功耗0.5W, 使用时间12h。
3 手持GP S坐标系参数的求解和设置方法
在线路工程测量的路由选择、交桩复桩等环节, 为了野外采集的坐标数据准确可用 (即水平精度达到±5m) , 需要在使用手持式GPS之前进行坐标系参数的求解和设置。集思宝包括了北京54坐标、WGS84国际通用坐标在内的107种标准坐标格式, 可以轻松实现各坐标系统间的相互转换, 极大方便了进行坐标参数求解与设置。下面简要介绍其WGS84→北京54坐标系参数的求解方法和具体的操作步骤:
3.1 不同坐标系对应椭球的有关常数
目前, 我国常用的BJ54、西安80、WGS84坐标系所对应椭球的有关常数, 见表1。
3.2 集思宝坐标系参数的设置
首先在集思宝“主菜单”中, 选“设置”项进入“设置菜单”界面, 然后选“单位”项进入“单位设置”界面, 将其中的“位置格式”项选定为“自定义坐标格式”, 将“坐标系统”项选定为“USER”, 我们就能看到集思宝VISTA所需设置和求解的坐标系参数。
3.2.1“自定义坐标格式”中含有中央子午线经度、投影比例、东西偏差和南北偏差四个参数的设置。
3.2.2“USER”中含有5个坐标系参数它们分别是DX、DYDZ、DA、DF, 依次对应的是X、Y、Z, 对应椭球之长半轴a、对应椭球之扁率f的改正数[4]。
3.3 GS84→北京54坐标系参数求解方法
求解DX、DY、DZ、DA、DF这5个坐标系参数, 就是利用WGS84坐标系的X、Y、Z及A、F值, 减去北京54坐标系的对应值, 得出实现坐标系统转换的五个参数。通过表一我们知道, WGS84椭球和BJ54椭球的A、F值是常数, 因此它们的差值DA、DF也是常数。DA=A84-A54=-108;DF=F84-F54=0.00000048。DX、DY、DZ的求解需要使用者在测区内找到3个以上均匀分布的具有WGS84坐标和BJ54坐标两套坐标的等级公共控制点, 将这些公共点的坐标值分别换算成空间直角坐标, 再将两者的对应坐标值 (X、Y、Z) 相减, 并将它们差值的平均值作为测区的修正值使用。下面我们对常用的求解手持GPS坐标系参数的方法进行详细全面的介绍。
3.3.1 基本原理
一般来说, 我们需要搜集到施测区域内高等级控制点3个及以上点的WGS84坐标系下的B、L、H值, 以及BJ54坐标系 (或者西安80坐标系) 下的B、L、h、x值 (注:B、L、H分别为大地坐标系中的大地纬度、大地经度、及大地高。h、x分别为大地坐标系中的高程及高程异常值) 。然后通过三维直角坐标计算公式求出其各自的平面直角坐标值。见公式 (1) :
其中X、Y、Z为大地坐标系中的三维直角坐标;ez为大地坐标系对应椭球的第一偏心率;N为该点的卯酉曲率半径, ;H=h+x, 该处H为BJ54或西安80坐标系中的大地高, a为大地坐标系对应椭球之长半轴。大地坐标系与空间直角坐标系之间的关系见图1。ÁÁÂÃÁN a/ (1-e sin B) =
将求出的WGS84和BJ54两组三维直角坐标值分别代入公式 (2) , 即可求出改正参数DX, DY, DZ。
3.3.2 一个高等级点的求解方法
以新疆某条长输管道首站控制点交桩为例, 给出只用一个四等GPS控制点, 推算其BJ54坐标改正参数的方法。该条管道为东西走向, 长约300km, 其中设置首末站各一座, 中间阀室5座, 穿跨越共计16处。
(1) 校正参数与坐标值的变化规律
该控制点的BJ54坐标值为:X-8400.127;Y-4593.426, 位于线路首站西侧约300m处的山顶上, 视野开阔, 有利于GPS观测。在观测时要设置当地中央经线和参数DA、DF, 校正参数DX、DY、DZ均为0, 在星况稳定且仪器显示估计误差为5 m时, 在已知点上读取若干组数据, 取得其平均值为X-8408;Y-4473。此值作为WGS84与BJ54坐标系之间转换的过渡坐标。
如表2所示, 利用手持GPS自带软件mapsource, 我们分别将校正参数变量DX、DY、DZ其中两个赋予0值, 让另一个值由-1000均匀变化到+1000, 再观察该点过渡坐标值X0、Y0的变化量ΔX、ΔY与校正参数的变化规律。
为便于理解, 这里将DX、DY、DZ分别设置为0时现场测定的过渡坐标定义为X0、Y0;X1、Y1为相应DX、DY、DZ变化后对应于过渡坐标X0、Y0变化后的值, △X=X1-X0, △Y=Y1-Y0;X、Y的变化率为△X/DX*100、△Y/DX*100、△X/DY*100、△Y/DY*100、△X/DZ*100、△Y/DZ*100。
通过上表我们可以看出, 过渡坐标的变化量ΔX, ΔY随校正参数DX、DY、DZ的改变呈线性变化, 并有以下规律:
1) 当DY=DZ=0, 横坐标Y随DX的变化比纵坐标X随DX的变化显著得多, X, Y的变化率分别为7.5%, 99.5%。
2) 当DX=DZ=0, 纵坐标X随DY的变化比横坐标Y随DY的变化显著得多, X, Y的变化率分别为71%, -9.6%。
3) 当DX=DY=0, 纵坐标X随DZ的变化比横坐标Y随DZ的变化显著得多, 横坐标Y基本上不受DZ的影响, X, Y的变化率分别为-70%, 0.8%。
(2) 利用数学方程式求解3个校正参数
根据以上变化规律, 可列以下方程:
由此可见, DX、DY、DZ三参数是一个多解方程, 在本例中任意求得几组参数, 例如:1) DX=112.69、DY=-93.31、DZ=-71.76;2) DX=118.72、DY=-23.67、DZ=0;3) DX=120.81、DY=0、DZ=24.33;用三台手持机分别置入以上三组参数, 在同一地区多个已知点上测试, 测量结果全部正确。
在实际工作中, 根据以上规律, 我们可以通过计算过渡坐标与BJ54坐标的差值, 除以各方向的变化率, 按以上规律, 列出求解方程, 通过求解, 可快速得出以上各参数值。
由以上参数变化规律, 也可以用趋近法快速求出各自参数。因DZ的变化对于Y值几乎不构成影响, 可以先根据△Y, 确定DX大致值, 然后根据△X的值确定DY的值, 最后再根据△X精确确定DZ的值。
(3) 注意事项
由于WGS84系统所采用的球体模型与我国使用的BJ54系统存在差异, 在不同地区甚至同一地区跨度大时均需作参数改正。在同一地区, 当南北两控制点跨度大于200 km时, 由两已知点坐标换算所影响的计算误差就有可能超过10m, 根据经验, 在不同方向距离每变化20 km, GPS坐标换算约影响1m[5,6]。虽然以上方程参数存在多解, 在实际应用中, 尽可能使用参数绝对值小的参数改正, 并且校正参数时, 所选择的三角点位置最好位于工区的中部, 如果同一工作区跨度超过一定范围时, 在工区两侧地带采用不同的校正参数, 可以提高测量结果的绝对精度。根据本人多年的工作经验, 通过上述方法求得的校正参数可以使手持GPS采集的平面直角坐标达到5m以内的精度, 完全满足初勘选线、选址等精度的要求, 但别忘了在使用参数之前进行参数验证。具体方法是在应用区域内选择几个等级控制点进行实测, 用实测值与单位理论值进行对比检测, 以确保精度满足要求。
4 手持GP S和google e a rth软件在线路工程路由方案的应用
4.1 google earth软件简介
google earth软件是google公司于2005年6月底推出的三维地图软件, google earth最大特色是结合本地搜索和卫星图片, 可以让用户看到地面的三维图象。借助google earth可以到达虚拟地球的任何位置, 而且google earth采用的3D地图定位技术把google map上的最新卫星图片应用推向一个新水平。通过对google earth的研究, 认为google earth提供的卫星图片与目前在线路工程的路由方案研究中的卫星遥感图片较为相似, 用google earth提供的免费卫星图片完全可以在管道公路规划和项目建议书阶段路线方案研究中发挥较为重要的作用。
4.2 手持GPS结合google earth软件共同应用于工程线路选线
由于google earth软件反映图片的时效性较强, 与现场踏勘情况基本相符, 这能大大弥补普通地图的缺点[7]。而且这种精度的图幅可以自由选择, 对从全局和整体角度比较线路合理性非常有效。我们在线路的初步设计阶段, 可以通过仔细观察卫星图片, 将线路的大致走向在卫星图片上标出, 并对需要重点踏勘地段进行标注, 然后在google earth软件上读取需现场踏勘地区的经纬度, 将经纬度坐标直接输入或转换为BJ54 (西安80) 坐标后输入上述校正参数设置好的手持GPS后, 就能准确找到需实地踏勘地区的具体位置, 然后根据现场的实际情况对线路进行优化调整, 再用手持GPS对优化调整后的线路拐点进行现场采集, 在全线踏勘结束后, 我们可以通过计算机和手持GPS自带的mapsource的软件将手持GPS采集的坐标数据再导入google earth软件中, 形成选线记录, 作出切合实际的最终优化的线路方案。
4.3 将手持GPS采集的坐标数据导入google earth软件的具体方法
首先我们将采集完数据的手持GPS与计算机通过USB数据线连接上, 然后在计算机桌面上打开手持GPS自带的mapsource软件, 然后点击mapsource软件左上角的 (从设备接收) 键, 将弹出一个查找设备的对话框, 将航点、航线和航迹项打勾后, 点击“接收”键, 便能弹出数据传输状态对话框, 数据传输完毕后, 点击“确定”, 通过mapsource软件视图栏看到手持GPS野外采集的坐标数据文件、航线以及航迹, 接着我在mapsource软件的工具栏“视图”选项中点击“在google earth中查看”项, 最后mapsource软件就能自动启动在本计算机上已安装好的google earth软件, 并将其航点坐标数据、航线和航迹文件准确无误的导入google earth卫星地图中。
通过上述方法和步骤, 就完成了将手持GPS采集的坐标数据导入google earth软件的全过程, 接下来就可以结合google earth卫星地图对线路路由进行整体优化和调整, 对方案进行布设取舍。
5 结论
手持GPS以其定位精度高, 受环境限制小, 价格低廉, 使用方便等优点在测绘领域发挥着巨大的作用, 我们在使用手持GPS之前不仅要正确设置坐标转化参数, 还要严格按照操作规程正确的使用, 这样才能达到准确定位的目的。在具体从事选线作业中, 尤其是线路较长的工程, 我们可以通过手持GPS与google earth软件相结合的方式, 充分利用和发挥双方各自的功能和优势, 建立更加完善、高效的选线作业程序来大幅提高初步设计选线的精度、效率和质量, 这对精细化设计、降低线路造价具有极为重要意义。
参考文献
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[2]金立新.手持GPS在铁路勘测中的应用[J].铁道勘察, 2004 (3) 37-39-42.[2]金立新.手持GPS在铁路勘测中的应用[J].铁道勘察, 2004 (3) 37-39-42.
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[4]孟庆森.手持GPS参数设置方法探讨[J].中华建设科技, 2008, 12:13-17.[4]孟庆森.手持GPS参数设置方法探讨[J].中华建设科技, 2008, 12:13-17.
[5]高建东, 雷郁文.利用后差分技术提高手持GPS的定位精度[J].物探与化探, 2006, 30 (5) :446-449.[5]高建东, 雷郁文.利用后差分技术提高手持GPS的定位精度[J].物探与化探, 2006, 30 (5) :446-449.
[6]丁海鹏.王井利动态坐标校正法提高手持GPS精度[J].中国煤田地质, 2007, 19 (3) :75, 77, 79.[6]丁海鹏.王井利动态坐标校正法提高手持GPS精度[J].中国煤田地质, 2007, 19 (3) :75, 77, 79.