GPS高程及其转换
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高 新 技 术
Ｎ ｅ ｗ Ｔ ２ ０ １ ４ Ｎ Ｏ ． ０ ９ （ 下
ＧＰ Ｓ高程及其转换
马学 良 卢 自来 （ 四川省 交通厅 交通勘察设 计研 究院 ，四川 成都 ６ １ ０ ０ １ ７ ）
摘 要 ：本 文 简要 介 绍 了 Ｇ Ｐ Ｓ定 位 的优 越 性 及 Ｇ Ｐ Ｓ定位 采 用 的地 球 （ 地 心 ）坐标 系—— ｗ Ｇ ｓ ８ ４世界 大地 坐标 系统 ；
１ ９ ０ ５ 年 的平 均 纬 度 所 确 定 的平 均 地 极 位 置 作 为 基 准 点 ，这 个 基 ． 八
征 ，可以提供高精度 、高效 率的导航、 定位 服务 ，由 于其优 越 的定 位性 能 。Ｇ Ｐ Ｓ 在各 个 领 域 得 到广 泛应 用 ，手 持 终 端 的 开发 更是将 Ｇ Ｐ Ｓ 的使用 范 围进一 步扩 展 ， 人 们 可 以 通过 相 关 应 用 程 序 方 便 快 捷 的 查 询 所 需 地 理 坐 标 的平 面 位 置 。Ｇ Ｐ Ｓ的 精 度 因此 得 到 了人 们 的认 可 。然 而对 于 测 量 领 域 而 言 ，Ｇ Ｐ Ｓ的 高 程 精 度 问题 一 直 备 受 关 注 ，在 不 断 的 研 究 过 程 中 ，相 关 领 域 的科 研 工 作 者 一 直试 图探 索 Ｇ Ｐ Ｓ 大地高与正常高之间的转换关系 ，希望 通过这一研究来实现 Ｇ Ｐ Ｓ 测 高取代传统 水 准 测量 。本 文 通 过对 Ｇ Ｐ Ｓ 定 位 系 统 的 相关 分析 ，初 步 验 证 了 Ｇ Ｐ Ｓ 高 程 转 换 在
（ １ ） 全 球 地 面连 续 覆盖 ，观测 点 间 无 需 通 视 ，不 需 造 标 ， 只要 观 测 点 上 空
开 阔 ，就可 以进 行 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 。 （ ２ ）基本不受天气影响 ，可全天候 作业 。 （ ３ ）定位精度高 ，数十公里 内一般 可达 到 １ — ２×１ ０ 米 。 （ ４ ）观测 时 间短 。 （ ５ ）可提 供三 维 坐标 。
（ ３ ）正常 高系统 以似 大 地 水 准 面 为 参 考 面 的 高 程 系 统 ，称 为 正 常 高 系 统 。它 是 由地 面点 并 沿该点铅垂线至似大地水 准面的距离称 为正常高 （ 参 考 面为 不 同于 正 高 物 理 面 的另 一种 物理 面 ）。 由 于计 算 正常 高 程 的地 面 点 沿 铅 垂 线 至 似 大地 水 准 面 的平 均 正 常 重 力 值 是 无 需任 何 假 设 而 可 以精 密 计 算 的 ，因 而 正 常 高 可 以精 密 地 确 定 。 它 是 我 国 通 用 的高 程系 统 。 ３Ｇ Ｐ Ｓ 高 程转 换 随着 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 精 度 的 不 断 提 高 ， Ｇ Ｐ Ｓ 测 量 应 用 将 在 未 来 几 年 得 到快 速 应 用 ，因此 解 决 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 高 程 的缺 陷成 为 当 今 世 界 的热 点 话 题 。Ｇ Ｐ Ｓ所 得 的大 地 高不 是正 常 高 ， 不能 应用 于实 际工 作 中 ， 没有物理意义和使用价值 ，因此 Ｇ Ｐ Ｓ 高 程转 换成 为学 者 最热 点 的探讨 问题 。 小 时左 右。 由于 Ｇ Ｐ Ｓ 高 为 大 地 高 ，而我 国 的 国 ２ 高 程系 统 家高程为正常高，大地高是 以点到 已知 高 程 系 统 主 要有 大地 高 系 统 、正 高 的 椭 球 体 曲 面 的距 离 ，正 高 是 点 到 大 地 系统和正常高系统，如图 １ 所示。 水准面的距离 ，正常高是点到似大地水 （ １ ） 大地 高 系统 准 面 的距 离 ， 因此 从 定 义 上 可 以 看 出 三 大地 高 系统 是 以椭 球 面 为 基 准 的 高 者 的 区别 就是 参 考 面不 一 样 。如 果 大 地 程 系统 。其 定 义 是 由地 面 点 沿 通 过 该 点 高 的椭 球 面在 某 个 局 部 地 区 与 大 地水 准 的椭 球 面法 线 到 椭 球 面 的距 离 （ 参 考 面 面 以及 似 大地 水 准 面 平 行 或 者 重 合 ，那 么我们就可 以用一个 函数关系来表示其 为数学 面 ）。 存 在 的关 系。 因此 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 后 需 要将 大 （ ２ ）正高 系统
（ ６ ）体积小 ，重量轻 ，操作简便 ， 内业数 据 处理 快捷 。 地 球 在 空 间上 有 围绕 自身 旋 转 轴 自 转 和 围绕 太 阳公 转 两 种不 同的运 动 方 式 。 它 们 的周 期 运 动 就 是 测 量 坐 标 系 分 类 的 基础 。对此 相应 有 ：
全球定位系统 （ Ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｅ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，简称 Ｇ Ｐ Ｓ ）是 基于 卫星 导航 的定 位 系 统 ，具 有 全 球 性 、全 天 候 的 显著 特
萎 合 原 。 参 它 是 球 以 １ ９ ０ 质 ０ 年 萋 至 似 … 人 ～ 地 … 水 ” 准 ’ 而 ‘ ”
（ １ ）固定 在地 球 上并 和 地球 一 起 自 转 和公转 的地 球坐 标系 。地球 坐标 系又 可 分为：①参心座标系 ；②地心座标系 ； ③站心座标系。 （ ２ ）不 和地 球 一起 公 转但 和 地球 一 起 自转 的天球 坐标 系 。 为 了 描 述 地 面 点 的 位 置 ，Ｇ Ｐ Ｓ测 量 采用地球 （ 地心 ）坐标系——ｗＧ ｓ ８ ４世
Ｇ Ｐ Ｓ 测 量 的大地 高与我 国采 用 的正 常 高 系统 的 高程 转 换与 高程 拟合 问题 等 。 关键 词 ：Ｇ Ｐ Ｓ定位 ； 高程 系统 ；高程 转换 中 图分类 号 ：Ｐ ２ ２ ８ 文献标 识 码 ：Ａ
前 言
界大 地坐 标 系统 。 ＷＧ Ｓ ８ ４坐 标 系
实际 测量 应用 中的可行 性及 面 临 的困境 。
１ Ｇ Ｐ Ｓ定位
准点通常称为国际协
议 原 点 。 以 协 议 地 极
椭球而
图 １ 高程 系 统 图
众所周知 ，全球定位系统 Ｇ Ｐ Ｓ是随 现代化科学技术发展而建立起来 的新 一 代 精 密 卫 星 测 量 系 统 ，相 对 常规 测 量 而 言 ，它 有 以下显 而 易见 的优 越性 ：
Ｎ ｅ ｗ Ｔ ２ ０ １ ４ Ｎ Ｏ ． ０ ９ （ 下
ＧＰ Ｓ高程及其转换
马学 良 卢 自来 （ 四川省 交通厅 交通勘察设 计研 究院 ，四川 成都 ６ １ ０ ０ １ ７ ）
摘 要 ：本 文 简要 介 绍 了 Ｇ Ｐ Ｓ定 位 的优 越 性 及 Ｇ Ｐ Ｓ定位 采 用 的地 球 （ 地 心 ）坐标 系—— ｗ Ｇ ｓ ８ ４世界 大地 坐标 系统 ；
１ ９ ０ ５ 年 的平 均 纬 度 所 确 定 的平 均 地 极 位 置 作 为 基 准 点 ，这 个 基 ． 八
征 ，可以提供高精度 、高效 率的导航、 定位 服务 ，由 于其优 越 的定 位性 能 。Ｇ Ｐ Ｓ 在各 个 领 域 得 到广 泛应 用 ，手 持 终 端 的 开发 更是将 Ｇ Ｐ Ｓ 的使用 范 围进一 步扩 展 ， 人 们 可 以 通过 相 关 应 用 程 序 方 便 快 捷 的 查 询 所 需 地 理 坐 标 的平 面 位 置 。Ｇ Ｐ Ｓ的 精 度 因此 得 到 了人 们 的认 可 。然 而对 于 测 量 领 域 而 言 ，Ｇ Ｐ Ｓ的 高 程 精 度 问题 一 直 备 受 关 注 ，在 不 断 的 研 究 过 程 中 ，相 关 领 域 的科 研 工 作 者 一 直试 图探 索 Ｇ Ｐ Ｓ 大地高与正常高之间的转换关系 ，希望 通过这一研究来实现 Ｇ Ｐ Ｓ 测 高取代传统 水 准 测量 。本 文 通 过对 Ｇ Ｐ Ｓ 定 位 系 统 的 相关 分析 ，初 步 验 证 了 Ｇ Ｐ Ｓ 高 程 转 换 在
（ １ ） 全 球 地 面连 续 覆盖 ，观测 点 间 无 需 通 视 ，不 需 造 标 ， 只要 观 测 点 上 空
开 阔 ，就可 以进 行 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 。 （ ２ ）基本不受天气影响 ，可全天候 作业 。 （ ３ ）定位精度高 ，数十公里 内一般 可达 到 １ — ２×１ ０ 米 。 （ ４ ）观测 时 间短 。 （ ５ ）可提 供三 维 坐标 。
（ ３ ）正常 高系统 以似 大 地 水 准 面 为 参 考 面 的 高 程 系 统 ，称 为 正 常 高 系 统 。它 是 由地 面点 并 沿该点铅垂线至似大地水 准面的距离称 为正常高 （ 参 考 面为 不 同于 正 高 物 理 面 的另 一种 物理 面 ）。 由 于计 算 正常 高 程 的地 面 点 沿 铅 垂 线 至 似 大地 水 准 面 的平 均 正 常 重 力 值 是 无 需任 何 假 设 而 可 以精 密 计 算 的 ，因 而 正 常 高 可 以精 密 地 确 定 。 它 是 我 国 通 用 的高 程系 统 。 ３Ｇ Ｐ Ｓ 高 程转 换 随着 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 精 度 的 不 断 提 高 ， Ｇ Ｐ Ｓ 测 量 应 用 将 在 未 来 几 年 得 到快 速 应 用 ，因此 解 决 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 高 程 的缺 陷成 为 当 今 世 界 的热 点 话 题 。Ｇ Ｐ Ｓ所 得 的大 地 高不 是正 常 高 ， 不能 应用 于实 际工 作 中 ， 没有物理意义和使用价值 ，因此 Ｇ Ｐ Ｓ 高 程转 换成 为学 者 最热 点 的探讨 问题 。 小 时左 右。 由于 Ｇ Ｐ Ｓ 高 为 大 地 高 ，而我 国 的 国 ２ 高 程系 统 家高程为正常高，大地高是 以点到 已知 高 程 系 统 主 要有 大地 高 系 统 、正 高 的 椭 球 体 曲 面 的距 离 ，正 高 是 点 到 大 地 系统和正常高系统，如图 １ 所示。 水准面的距离 ，正常高是点到似大地水 （ １ ） 大地 高 系统 准 面 的距 离 ， 因此 从 定 义 上 可 以 看 出 三 大地 高 系统 是 以椭 球 面 为 基 准 的 高 者 的 区别 就是 参 考 面不 一 样 。如 果 大 地 程 系统 。其 定 义 是 由地 面 点 沿 通 过 该 点 高 的椭 球 面在 某 个 局 部 地 区 与 大 地水 准 的椭 球 面法 线 到 椭 球 面 的距 离 （ 参 考 面 面 以及 似 大地 水 准 面 平 行 或 者 重 合 ，那 么我们就可 以用一个 函数关系来表示其 为数学 面 ）。 存 在 的关 系。 因此 Ｇ Ｐ Ｓ测 量 后 需 要将 大 （ ２ ）正高 系统
（ ６ ）体积小 ，重量轻 ，操作简便 ， 内业数 据 处理 快捷 。 地 球 在 空 间上 有 围绕 自身 旋 转 轴 自 转 和 围绕 太 阳公 转 两 种不 同的运 动 方 式 。 它 们 的周 期 运 动 就 是 测 量 坐 标 系 分 类 的 基础 。对此 相应 有 ：
全球定位系统 （ Ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｅ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，简称 Ｇ Ｐ Ｓ ）是 基于 卫星 导航 的定 位 系 统 ，具 有 全 球 性 、全 天 候 的 显著 特
萎 合 原 。 参 它 是 球 以 １ ９ ０ 质 ０ 年 萋 至 似 … 人 ～ 地 … 水 ” 准 ’ 而 ‘ ”
（ １ ）固定 在地 球 上并 和 地球 一 起 自 转 和公转 的地 球坐 标系 。地球 坐标 系又 可 分为：①参心座标系 ；②地心座标系 ； ③站心座标系。 （ ２ ）不 和地 球 一起 公 转但 和 地球 一 起 自转 的天球 坐标 系 。 为 了 描 述 地 面 点 的 位 置 ，Ｇ Ｐ Ｓ测 量 采用地球 （ 地心 ）坐标系——ｗＧ ｓ ８ ４世
Ｇ Ｐ Ｓ 测 量 的大地 高与我 国采 用 的正 常 高 系统 的 高程 转 换与 高程 拟合 问题 等 。 关键 词 ：Ｇ Ｐ Ｓ定位 ； 高程 系统 ；高程 转换 中 图分类 号 ：Ｐ ２ ２ ８ 文献标 识 码 ：Ａ
前 言
界大 地坐 标 系统 。 ＷＧ Ｓ ８ ４坐 标 系
实际 测量 应用 中的可行 性及 面 临 的困境 。
１ Ｇ Ｐ Ｓ定位
准点通常称为国际协
议 原 点 。 以 协 议 地 极
椭球而
图 １ 高程 系 统 图
众所周知 ，全球定位系统 Ｇ Ｐ Ｓ是随 现代化科学技术发展而建立起来 的新 一 代 精 密 卫 星 测 量 系 统 ，相 对 常规 测 量 而 言 ，它 有 以下显 而 易见 的优 越性 ：