GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，是由美國建立
一個衛星導航定位系統。它具有全球性、全天候、連續性和實時性的精密三維導航與定位功能，現已廣泛用於大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個方面。相對於常規測量來說，GPS測量具有測量精度高、測站間無需通視、觀測時間短、儀器操作簡便、全天候作業、可提供三維坐標等特點。大大地提高了測量效率和精度。但是由於坐標系統的不同，面臨著大量的坐標轉換問題。對GPS技術的推廣使用造成了一定的障礙。本文就GPS測量常用坐標系統及坐標轉換的原理和方法，根據作者的理解介紹如下。
一、GPS測量常用坐標系統及投影
一個完整的坐標系統是由坐標系和基準兩方面要素所構成的。坐標系指的是描述空間位置的表達形式，而基準指的是為描述空間位置而定義的一系列點、線、面。在大地測量中的基準一般是指為確定點在空間中的位置，而採用的地球橢球或參考橢球的幾何參數和物理參數，及其在空間的定位、定向方式，以及在描述空間位置時所採用的單位長度的定義。大地基準面是利用特定橢球體對特定地區地球表面的逼近，每個國家或地區均有各自的大地基準面，因此相對同一地理位置，不同的大地基準面，它們的經緯度坐標是有差異的。基準面是在橢球體基礎上建立的，但橢球體不能代表基準面，同樣的橢球體能定義不同的基準面。
1、 坐標系統的分類
1.1、空間直角坐標系
空間直角坐標系的坐標系原點位於參考橢球的中心，Z軸指向參考橢球的北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點，Y軸位於赤道面上，且按右手系與X軸呈90°夾角。某點在空間中的坐標可用該點在此坐標系的各個坐標軸上的投影來表示。
1.2、空間大地坐標系
空間大地坐標系是採用大地經度（L）、大地緯度（B）和大地高（H）來描述空間位置的。緯度是空間的點與參考橢球面的法線與赤道面的夾角，經度是空間中的點與參考橢球的自轉軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角，大地高是空間點沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離。
1.3、平面直角坐標系
平面直角坐標系是利用投影變換，將空間坐標（空間直角坐標或空間大地坐標）通過某種數學變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的方法有很多，如UTM投影，在我國採用的是高斯-克呂格投影，也稱為高斯投影。
2、 高斯-克呂格投影
高斯-克呂格(Gauss-Kruger)投影簡稱「高斯投影」，又名"等角橫切橢圓柱投影」，設想用一個橢圓柱橫切於橢球面上投影帶的中央子午線，按上述投影條件，將中央子午線兩側一定經差範圍內的橢球面正形投影於橢圓柱面。將橢圓柱面沿過南北極的母線剪開展平，即為高斯投影平面。取中央子午線與赤道交點的投影為原點，中央子午線的投影為縱坐標x軸，赤道的投影為橫坐標y軸，構成高斯克呂格平面直角坐標系。高斯-克呂格投影在長度和面積上變形很小，中央經線無變形，自中央經線向投影帶邊緣，變形逐漸增加，變形最大
之處在投影帶內赤道的兩端。為了限制高斯投影中長度變形，按一定經差將地球橢球面劃分成若干投影帶。通常按經差6度或3度分為六度帶或三度帶。六度帶自0度子午線起每隔經差6度自西向東分帶，帶號依次編為第 1、2…60帶。三度帶是在六度帶的基礎上分成的，它的中央子午線與六度帶的中央子午線和分帶子午線重合，即自 1.5度子午線起每隔經差3度自西向東分帶，帶號依次編為三度帶第 1、2…120帶。高斯- 克呂格投影是按分帶方法各自進行投影，故各帶坐標成獨立系統。以中央經線投影為縱軸(x), 赤道投影為橫軸(y),兩軸交點即為各帶的坐標原點。縱坐標以赤道為零起算，赤道以北為正，以南為負。我國位於北半球，縱坐標均為正值。橫坐標如以中央經線為零起算，中央經線以東為正，以西為負，橫坐標出現負值，使用不便，故規定將坐標縱軸西移500公裡當作起始軸，凡是帶內的橫坐標值均加 500公裡。由於高斯-克呂格投影每一個投影帶的坐標都是對本帶坐標原點的相對值，所以各帶的坐標完全相同，為了區別某一坐標系統屬於哪一帶，在橫軸坐標前加上帶號，如(4231898m,21655933m)，其中21即為帶號。
3、GPS測量常用坐標系
3.1、WGS-84
WGS-84坐標系是目前GPS所採用的坐標系統， WGS-84坐標系的坐標原點位於地球的質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構成右手系。
WGS-84系所採用橢球參數為：
3.2、1954年北京坐標系
1954年北京坐標系是我國目前廣泛採用的大地測量坐標系。該坐標系採用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球，該橢球的參數為：
由於當時條件的限制，1954年北京坐標系存在著很多缺點，主要表現在以下幾個方面：
克拉索夫斯基橢球參數同現代精確的橢球參數的差異較大，並且不包含表示地球物理特性的參數，因而給理論和實際工作帶來了許多不便。
橢球定向不十分明確，橢球的短半軸既不指向國際通用的CIO極，也不指向目前我國使用的JYD極。參考橢球面與我國大地水準面呈西高東低的系統性傾斜，東部高程異常達60餘米，最大達67米。
該坐標系統的大地點坐標是經過局部分區平差得到的，因此，全國的天文大地控制點實際上不能形成一個整體，區與區之間有較大的隙距，如在有的接合部中，同一點在不同區的坐標值相差1-2米，不同分區的尺度差異也很大，而且坐標傳遞是從東北到西北和西南，後一區是以前一區的最弱部作為坐標起算點，因而一等鎖具有明顯的坐標積累誤差。
3.3、1980年西安大地坐標系
1978年，我國決定重新對全國天文大地網施行整體平差，並且建立新的國家大地坐標系統，整體平差在新大地坐標系統中進行，這個坐標系統就是1980年西安大地坐標系統。1980年西安大地坐標系統所採用的地球橢球參數的四個幾何和物理參數採用了IAG 1975年的推薦
值，它們是
根據上面所給的參數，可算出1980年西安大地坐標系所採用的參考橢球的扁率為：
f=1/298.257
橢球的短軸平行於地球的自轉軸（由地球質心指向1968.0 JYD地極原點方向），起始子午面平行於格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準面在我國境內符合最好，高程系統以1956年黃海平均海水面為高程起算基準。
二、坐標系統的轉換方法
GPS定位結果屬於協議地球地心坐標系，即WGS-84坐標系，而我們使用的測量成果是國家參心坐標系，需要進行坐標系轉換。
在相同的基準下，空間直角坐標系與空間大地坐標系間的轉換，在GPS實際測量中意義不大。空間坐標系與平面直角坐標系間的轉換（高斯正反算），只要正確設置參考橢球的長半軸和扁率、中央子午線的度數及變形係數（高斯投影中央子午線變形係數為1）、北（0）東（500000）偏移值，一般GPS測量儀器自帶軟體都可自行完成。這裡不再贅述，現僅就GPS測量中常見坐標轉換問題介紹如下。
1、靜態測量中的坐標轉換
常規方法是GPS待測點與已知地方坐標控制網基線聯測（基線越短越精確），通過網平差求解GPS待測點的地方坐標。確定轉換方程的關鍵是根據三個以上已知參考點（兩類坐標系的坐標值都精確確定）用最小二乘法求解轉換參數，常用布爾莎（Bursa）7參數法進行。即三個平移參數ΔX、ΔY、ΔZ，三個旋轉參數、、，比例因子m。
布爾莎模型公式可表示為：
2、 動態測量中的坐標轉換
2.1、已知點有地方坐標但無WGS84坐標
已知控制點只有地方坐標（北京54或西安80），可採用的唯一方法是聯測控制點， 取得已知點WGS84坐標，求解轉換參數。這種方法至少需要二個控制點（例如點O和 點A），設基準站於點O，，點A作為方位點。
已知控制點既有地方坐標又有WGS84坐標，可用2.1所述方法任取兩點求轉換參數，然後用轉換參數求出任一測量點在地方坐標系中的坐標。
2.3 只有一個已知點或無已知點
只有一個已知點,用已知點的地方坐標與WGS84平面坐標之差作為平移參數(即三參數)，然後用平移參數求出任一測量點在地方坐標系中的坐標。當工作區範圍不大時(≤30Km)精度也能夠滿足要求。
沒有已知點的時候，可採取直接投影的方式，採用WGS84平面坐標，也可用北京54或西安80的橢球參數，通過高斯正算得出該點平面坐標，這種坐標其實是假定坐標。此時和只有一個已知點的情況一樣。
如果需要，此方法測得的準備可提供坐標平移、旋轉，轉換成統一北京54或西安80地方坐標。
3、GPS高程轉換
GPS高程是以WGS84橢球為基準的大地高，實際應用的地面高程是以似大地水準面起算的正常高，兩者存在高程異常ξ。用水準測量的方法聯測若干GPS點的正常高，求出高程異常ξ。採用數值擬合的方法，擬合出測區似大地水準面，進而求出測量點高程異常ξ，得出各GPS點的正常高。
高程擬合分為加權平均、平面擬合和曲面擬合三種。加權平均兩個已知點以下即可；三個已知點以上六個已知點以下可以使用平面擬合；六個已知點以上可以使用曲面擬合。
三、小結
GPS不僅能達到較高的定位精度，而且大大提高了測量的工作效率，隨著軟硬體的不斷升級，GPS將逐漸取代傳統測量儀器。現在GPS測量儀器自帶處理軟體基本都能滿足坐標轉換需要。只要理解了坐標系之間的轉換原理，使用GPS測量就能得心應手。