全站儀和GPS的使用課件

1、第五章全站儀和GPS的使用第一節(jié)全站儀的使用第二節(jié)GPS的使用第一節(jié)全站儀的使用一、全站儀概述全站儀,即全站型電子速測儀(ElectronicTotalStation), 是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器,是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng).因安裝一次儀器就能完成該測站上全部測量工作, 所以稱為全站儀. 全站儀廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域.全站儀的精度主要從測角精度和測距精度兩方面來衡量.國內(nèi)外生產(chǎn)的高、中、低等級全站儀多達幾十種.目前普遍使用的全站儀有:日本拓普康(Topcon)公司的 GTS系列、索佳(Sokk

2、ia)公司的SET 系列和PowerSET 系列、賓得(Pentax)公司的PTS系列、尼康(Nikon)公司的 DTM 系列;瑞士徠卡(Lejca)公司的 WildTC系列;中國南方測繪公司的 NTS系列等.下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 全站儀的分類()全站儀按其外觀結(jié)構(gòu),可分為積木型全站儀和整體型全站儀.)積木型全站儀. 積木型全站儀又稱組合型全站儀, 早期的全站儀大都是積木型結(jié)構(gòu). 其電子測速儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器各是一個整體,可以分離使用, 也可以通過電纜或接口將它們組合起來,形成完整的全站儀.)整體型全站儀.整體型全站儀大都將測距、測角和記錄單元在光學(xué)、機械等方面設(shè)計成一個不可分

3、割的整體, 其中測距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠鏡的視準軸為同軸結(jié)構(gòu). 這對保證較大垂直角條件下的距離測量精度非常有利.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()全站儀按測距儀測距, 可分為短距離測距全站儀、中測程全站儀、長測程全站儀三類.)短距離測距全站儀.測程小于km,一般精度為 ( mmm), 主要用于普通測量和城市測量.)中測程全站儀.測程為km,一般精度為(mmm)、(mmm),通常用于一般等級的控制測量.)長測程全站儀.測程大于km,一般精度為(mmm),通常用于國家三角網(wǎng)及特級導(dǎo)線的測量.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 全站儀的主要特點()采用先進的同軸雙速制、微動機構(gòu),使照準更加快

4、捷、準確.()具有完善的人機對話控制面板,由鍵盤和顯示窗組成,除照準目標以外的各種測量功能和參數(shù)均可通過鍵盤來實現(xiàn).儀器兩側(cè)均有控制面板,操作方便.()設(shè)有雙軸傾斜補償器,可以自動對水平和豎直方向進行補償,以消除豎軸傾斜誤差的影響.()機內(nèi)設(shè)有測量應(yīng)用軟件,能方便地進行三維坐標測量、放樣測量、后方交會、懸高測量、對邊測量等多項工作.()具有雙路通視功能,儀器將測量數(shù)據(jù)傳輸給電子手簿式計算機,也可接收電子手簿式計算機的指令和數(shù)據(jù).上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 全站儀的主要特點()采用先進的同軸雙速制、微動機構(gòu),使照準更加快捷、準確.()具有完善的人機對話控制面板,由鍵盤和顯示窗組成,除照準

5、目標以外的各種測量功能和參數(shù)均可通過鍵盤來實現(xiàn).儀器兩側(cè)均有控制面板,操作方便.()設(shè)有雙軸傾斜補償器,可以自動對水平和豎直方向進行補償,以消除豎軸傾斜誤差的影響.()機內(nèi)設(shè)有測量應(yīng)用軟件,能方便地進行三維坐標測量、放樣測量、后方交會、懸高測量、對邊測量等多項工作.()具有雙路通視功能,儀器將測量數(shù)據(jù)傳輸給電子手簿式計算機,也可接收電子手簿式計算機的指令和數(shù)據(jù).上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用二、全站儀的基本功能由于全站儀可以同時完成水平角、垂直角和邊長測量, 加之儀器內(nèi)部有固化的測量應(yīng)用程序,因此,可以現(xiàn)場完成常見的測量工作,提高了野外測量的速度和效率.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用

6、角度測量全站儀具有電子經(jīng)緯儀的測角部,除一般的水平角和垂直角測量功能外, 還具有以下附加功能:()水平角設(shè)置.輸入任意值;任意方向置零;任意角值鎖定(照準部旋轉(zhuǎn)時, 角值不變);右角/左角的測量;角度復(fù)測模式(按測量次數(shù)計算其平均值的模式).()垂直角顯示變換.可以天頂距、高度角、傾斜角、坡度等方式顯示垂直角.()角度單位變換.可以、mil等方式顯示角度.()角度自動補償.使用電子水準器,可以從照準軸方向和水平軸兩個方向來檢測儀器傾斜值,具有補償垂直軸誤差、水平軸誤差、照準軸誤差、偏心差多項誤差的功能.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 距離測量()全站儀具有光波測距儀的測距部,除測量至反光鏡

7、的距離(斜距)外,還可根據(jù)全站儀的類型、反射棱鏡數(shù)目和氣象條件, 改變其最大測程, 以滿足不同的測量目的和作業(yè)要求.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()測距模式的變換.)按具體情況,可設(shè)置為高精度測量和快速測量模式.)可選取距離測量的最小分辨率,通常有cm、mm、mm 三種.)可選取測距次數(shù),主要有:單次測量(能顯示一次測量結(jié)果, 然后停止測量); 連續(xù)測量(可進行不間斷測量,只要按停止鍵,測量馬上停止); 指定測量次數(shù); 多次測量平均值自動計算(根據(jù)所定的測量次數(shù),測量后顯示平均值).)可設(shè)置測距精度和時間,主要有:精密測量(測量精度高, 需要數(shù)秒測量時間); 簡易測量(測量精度低,可快速

8、測量);跟蹤測量(如在放樣時,邊移動反射棱鏡邊測距,測量時間小于s,通常測量的最小單位為cm).上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()各種改正功能.在測距前設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),距離測量結(jié)果可自動進行棱鏡常數(shù)的改正、氣象(溫度和氣壓)的改正和球差及折光差的改正.)斜距歸算功能.由測量的垂直角(天頂距)和斜距可計算出儀器至棱鏡的平距和高差,并立即顯示出來.如事先輸入儀器高和棱鏡高,測距測角后便可計算出測站點與目標點間 的平距和高差.)距離調(diào)閱功能.測距后,按操作鍵可以隨意調(diào)閱斜距、平距、高差中的任意一個. 三維坐標測量對儀器進行必要的參數(shù)設(shè)定后,全站儀可直接測定點的三維坐標, 如在地形測圖等場合使用,

9、可大大提高作業(yè)效率.首先,在一已知點安置儀器, 輸入儀器高和棱鏡高, 輸入測站點的平面坐標和高程, 照準另一已知點(稱為定向點或后視點),利用機載后視定向功能定向, 將水平度盤讀數(shù)安置為測站至定向點的方位角;接著,再照準目標點(也稱為前視點)上的反射棱鏡, 按測距鍵,即可測量出目標點的坐標值(X、Y、Z).上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 輔助功能()休眠和自動關(guān)機功能.當儀器長時間不操作時,為節(jié)省電量,儀器可自動進入休眠狀態(tài),需要操作時可按功能鍵喚醒,儀器恢復(fù)到先前狀態(tài).也可設(shè)置儀器在一定時間內(nèi)無 操作時自動關(guān)機,以免電池耗盡電量.()顯示內(nèi)容個性化.可根據(jù)用戶的需要,設(shè)置顯示的內(nèi)容和頁面

10、.()電子水準器.由儀器內(nèi)部的傾斜傳感器檢測垂直軸的傾斜狀態(tài),以數(shù)字和圖形的形式顯示,指導(dǎo)測量員高精度置平儀器.()照明系統(tǒng).在夜晚或黑暗環(huán)境下觀測時,儀器可對顯示屏、操作面板、十字絲實施照明.()導(dǎo)向光引導(dǎo).在進行放樣作業(yè)時,利用儀器發(fā)射的恒定和閃爍可見光,引導(dǎo)持鏡員快速找到方位.()數(shù)據(jù)管理功能.測量數(shù)據(jù)可存儲到儀器內(nèi)存、擴展存儲器,還可由數(shù)據(jù)輸出端口實時輸出到電子手簿中.測量數(shù)據(jù)可現(xiàn)場進行查詢.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 程序測算功能全站儀內(nèi)部配置有微處理器、存儲器和輸入/輸出接口, 與 PC 具有相同的結(jié)構(gòu)模式, 可以運行復(fù)雜的應(yīng)用程序, 具有對測量數(shù)據(jù)進一步處理和存儲的功能.

11、 其存儲器有三類, 即 ROM 存儲器,用于操作系統(tǒng)和廠商提供的應(yīng)用程序;RAM 存儲器,用于存儲測量數(shù)據(jù)和結(jié)果;PC 存儲卡,用于存儲測量數(shù)據(jù)、計算結(jié)果和應(yīng)用程序.各廠商提供的應(yīng)用程序在數(shù)量、功能、操作方法等方面不盡相同,應(yīng)用時可參閱其操作手冊,但基本原理是一致的.以下為全站儀上較為常見的機載應(yīng)用程序:()后視定向.后視定向的目的是設(shè)置水平角方向與坐標北方向一致.經(jīng)后視定向后,照準軸處于任意位置時,水平角讀數(shù)即為照準軸方向的方位角.在進行坐標測量或放樣等工作時,必須進行后視定向.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()自由設(shè)站.全站儀自由設(shè)站功能是通過后方交會原理,觀測并解算出未知測站點坐標,

12、并自動對儀器進行設(shè)置,以方便坐標測量或放樣.()導(dǎo)線測量.利用全站儀的導(dǎo)線測量功能,可自動完成導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)的記錄和平差計算,現(xiàn)場得到導(dǎo)線測量結(jié)果.()單點放樣.將待建物的設(shè)計位置在實地標定出來的測量工作稱為放樣.全站儀經(jīng)測站設(shè)置和定向后,便可照準棱鏡測量,儀器自動顯示棱鏡位置與設(shè)計位置的差值,據(jù)此修正棱鏡位置直至到達設(shè)計位置.依據(jù)放樣元素的不同,單點放樣可采用極坐標法、直角坐標法和正交偏距法三種方式.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()偏心觀測.在目標點被障礙物遮擋或無法放置棱鏡(如建筑物的柱子中心等)時,可在目標點左邊或右邊放置棱鏡,并使目標點、偏移點到測站的水平距離相等. 通過偏移點測定

13、水平距離,再測定目標點的水平角,程序便可計算出目標點的坐標.()對邊測量.對邊測量是在不移動儀器的情況下,測量兩棱鏡站點間斜距、平距、高差、方位、坡度的功能,其有輻射模式和連續(xù)模式兩種模式.()懸高測量.測定無法放置棱鏡的地物(如電線、橋梁等)高度的功能.()面積測量.通過順序測定地塊邊界點坐標,計算地塊面積.()道路放樣.道路放樣是將圖紙上設(shè)計的道路中線、邊線、斷面測設(shè)于實地的工作,是單點放樣的綜合應(yīng)用.道路主要由直線、圓曲線、緩和曲線和拋物線等組成, 參數(shù)可由設(shè)計圖紙上獲得.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()多測回水平角觀測.在高精度控制測量中,一般要求對水平角進行多個測回觀測,以提高

14、水平角的精度,全站儀機載多測回觀測功能可滿足此要求.()坐標幾何計算.全站儀的坐標幾何計算功能包括坐標正反算、交會法計算、直線求交點等常用計算,全站儀就像是一臺特殊設(shè)計的測量計算器,可以在現(xiàn)場依據(jù)已測定的數(shù)據(jù)或手工輸入數(shù)據(jù),快速解算出一些新的點或參數(shù).上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用三、全站儀的應(yīng)用全站儀的應(yīng)用可概括為以下四個方面:()在地形測量中,可使控制測量和碎部測量同時進行.()可用于施工放樣測量,將設(shè)計好的管線、道路、工程建設(shè)中的建筑物、構(gòu)筑物等的位置按圖紙設(shè)計數(shù)據(jù)測設(shè)到地面上.()可用全站儀進行導(dǎo)線測量、前方交會、后方交會等, 不但操作簡便, 而且速度快、精度高.()通過數(shù)據(jù)輸入/

15、輸出接口設(shè)備,將全站儀與計算機、繪圖儀連接在一起, 形成一套完整的外業(yè)實時測繪系統(tǒng),大大提高測繪工作的質(zhì)量和效率.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用四、全站儀的結(jié)構(gòu)和操作雖然不同廠家和不同系列的全站儀在外形和功能上都會略有區(qū)別, 但都具有基本的結(jié)構(gòu)特點和功能.現(xiàn)以拓普康 GTS型全站儀為例,介紹全站儀的結(jié)構(gòu)和操作. 全站儀的結(jié)構(gòu)拓普康 GTS型全站儀的外形和結(jié)構(gòu)如圖-所示.其結(jié)構(gòu)與經(jīng)緯儀相似. 全站儀的功能設(shè)置全站儀的鍵盤設(shè)置情況如圖-所示.鍵盤分為兩部分:一部分為操作鍵,在顯示屏的右方, 共有 個鍵; 另一部分為功能鍵(軟鍵),在顯示屏的下方,共有個鍵.()操作鍵.操作鍵功能見表-.上一頁下

16、一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()功能鍵(軟鍵).功能鍵(軟鍵)信息顯示在顯示屏的下方,軟鍵功能相當于顯示的信息,如圖-所示.()測量模式.全站儀角度測量模式、坐標測量模式、距離測量模式的功能分別見表-、表-和表-.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用 全站儀的操作()測量前準備.在使用全站儀進行測量前,應(yīng)先做好以下必要的準備工作:)儀器安置.具體操作步驟為:架設(shè)三腳架 安置儀器和對點 利用圓水準器粗平儀器利用管水準器精平儀器精確對中與整平.此項操作重復(fù)至儀器精確對準測站點為止.)電池電量信息檢查.外業(yè)測量出發(fā)前應(yīng)先檢查一下電池狀況. 觀測模式改變時, 電池電量圖表不一定會立刻顯示電量的變化情況.電

17、池電量指示系統(tǒng)用來顯示電池電量的總 體情況,它不能反映瞬間電池電量的變化.)角度檢查.進行全站儀的垂直角和水平角以及測距系統(tǒng)的常規(guī)檢查, 確保全站儀測量數(shù)據(jù)的可靠性.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()角度測量.)水平角和垂直角測量. 將儀器調(diào)為角度測量模式, 按下述方法瞄準目標:將望遠鏡對準明亮天空,旋轉(zhuǎn)目鏡筒,調(diào)焦直至看清十字絲.利用瞄準器內(nèi)的三角形標志的頂尖照準目標點, 照準時眼睛與瞄準器之間應(yīng)保持一定的距離.利用望遠鏡調(diào)焦螺旋使目標點成像清晰.水平角和垂直角測量具體操作步驟見表-,水平角的切換見表-.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)水平角設(shè)置.在進行角度測量時,通過水平角設(shè)置將某

18、一個方向的水平角設(shè)置成所希望的角度值,以便確定統(tǒng)一的計算方位.水平角設(shè)置方法有以下兩種:通過鎖定角度值進行設(shè)置.具體操作見表-.通過鍵盤輸入進行設(shè)置.具體操作見表-.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)垂直角百分度(V)轉(zhuǎn)換.將儀器調(diào)為角度測量模式,按以下操作進行:按F()鍵轉(zhuǎn)到顯示屏第頁.按F(V)鍵,顯示屏即顯示 V,進入垂直角百分度模式.()距離測量.距離測量必須選用與全站儀配套的合作目標,即反光棱鏡.由于電子測距為儀器中心到棱鏡中心的傾斜距離,因此,儀器站和棱鏡站均需要精確對中、整平. 在距離測量前應(yīng)先進行氣象改正、棱鏡類型選擇、棱鏡常數(shù)改正、測距模式的設(shè)置和測距回光信號的檢查,然后才

19、能進行距離測量.)大氣改正的計算.大氣改正值是由大氣溫度、大氣壓力、海拔高度、空氣濕度推算出來的.改正值與空氣中的氣壓或溫度有關(guān),計算公式為上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)大氣折光和地球曲率改正.儀器在進行平距測量和高差測量時, 可對大氣折光和地球曲率的影響進行自動改正.)設(shè)置目標類型.全站儀可設(shè)置為紅色激光測距和不可見光紅外測距, 可選用的反射體有棱鏡、無棱鏡及反射片.用戶可根據(jù)作業(yè)需要自行設(shè)置. 使用時所用的棱鏡須與棱鏡常數(shù)匹配.當用棱鏡作為反射體時, 須在測量前設(shè)置好棱鏡常數(shù). 一旦設(shè)置了棱鏡常數(shù), 關(guān)機后該常數(shù)將被保存.)距離測量(連續(xù)測量)操作步驟.將儀器調(diào)為距離測量模式,具體操

20、作見表-.()坐標測量.坐標測量須先輸入測站點坐標和后視點坐標或已知方位角.再通過機內(nèi)軟件由已知點坐標計算未知點坐標.)設(shè)置測站點坐標.設(shè)置儀器(測站點)相對于測量坐標原點的坐標, 儀器可自動轉(zhuǎn)換和顯示未知點(棱鏡點)在該坐標系中的坐標,如圖-所示.其具體操作見表-.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)設(shè)置儀器高.設(shè)置儀器高的具體操作見表-,電源關(guān)閉后,可保存儀器高.)設(shè)置目標高(棱鏡高).設(shè)置目標高的具體操作見表-,此項功能用于獲取Z 坐標值,電源關(guān)閉后,可保存目標高.)實施坐標測量.當設(shè)置好測站點坐標、儀器高和目標高以后, 便可以著手進行坐標測量.測量前還要設(shè)置后視方位.具體操作見表-.上

21、一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()放樣測量.放樣是測量工作中的一項重要內(nèi)容,全站儀中的放樣程序可根據(jù)放樣點的坐標或手工輸入的角度、水平距離和高程計算放樣元素.該功能可顯示出測量的距離與輸入的放樣距離之差(測量距離放樣距離顯示值),具體操作見表-.()程序測量.大部分全站儀都帶有各種實用的測量程序,不僅能完成常規(guī)的角度、距離和坐標放樣測量,還能利用自帶的測量程序完成一些比較復(fù)雜的特殊測量.)懸高測量.懸高測量程序用于測定遙測目標相對于棱鏡的垂直距離(高度)及其離開地面的高度(無須棱鏡的高度),如圖-所示.使用棱鏡高時,懸高測量以棱鏡作為基點,不使用棱鏡高時,則以測定垂直角的地面點作為基點.上述

22、兩種情況下基準點均位于目標 點的鉛垂線上.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)對邊測量.在任意測站位置選擇對邊測量模式, 分別瞄準兩個目標并觀測其距離,即可計算出兩個目標點間的平距、斜距和高差, 還可計算出兩點間的方位角, 如圖 所示.)面積計算.用全站儀的面積測量程序,可以實時測算目標點之間連線所包括的面積.利用該模式可以直接計算外業(yè)測量的閉合圖形的面積.面積計算有以下兩種方式:用坐標數(shù)據(jù)文件計算. 該方式是先進行常規(guī)數(shù)據(jù)采集, 然后調(diào)用該功能選擇數(shù)據(jù).屬于后處理模式.用測量數(shù)據(jù)計算面積.該方式是現(xiàn)場測量, 當測量點數(shù)大于 時, 儀器會自動計算出測點所圍成的封閉圖形面積.需要注意的是,計算面

23、積的點組成的圖形不能交叉.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用()全站儀一般操作注意事項.全站儀一般操作注意事項包括以下幾個方面:)使用前應(yīng)結(jié)合儀器,仔細閱讀使用說明書,熟悉儀器各功能和實際操作方法.)望遠鏡的物鏡不能直接對準太陽,以免損壞測距部的發(fā)光二極管.)在太陽光照射下觀測儀器,應(yīng)給儀器打傘, 并帶上遮陽罩, 以免影響觀測精度. 在雜亂環(huán)境下測量,儀器要有專人守護.當儀器架設(shè)在光滑的表面時, 要用細繩(或細鉛絲) 將三腳架三個腳連起來,以防滑倒.)當測站之間距離較遠時,搬站時應(yīng)將儀器卸下, 裝箱后背著走. 先把儀器裝在儀器箱內(nèi),再把儀器箱裝在專供轉(zhuǎn)運用的木箱內(nèi),并在空隙處填以泡沫、海綿、刨

24、花或其他防 震物品.裝好后將木箱蓋子蓋好.需要時應(yīng)用繩子捆扎結(jié)實. 行走前要檢查儀器箱是否鎖好,檢查安全帶是否系好.當測站之間距離較近時,搬站時可將儀器連同三腳架一起靠在 肩上,但一起要盡量保持直立放置.上一頁下一頁返回第一節(jié)全站儀的使用)儀器安置在三腳架上之前,應(yīng)旋緊三腳架的三個伸縮螺旋;儀器安置在三腳架上時,應(yīng)旋緊中心連接螺旋.)運輸過程中必須注意防震.)儀器和棱鏡在溫度的突變中會降低測程,影響測量精度. 儀器和棱鏡逐漸適應(yīng)周圍溫度后方可使用.)作業(yè)前檢查電壓是否滿足工作要求.)在儀器長期不用時, 應(yīng)以一個月左右的時間定期取出進行通風(fēng)防霉, 并通電驅(qū)潮,以保持儀器良好的工作狀態(tài).上一頁返回

25、第二節(jié)GPS的使用一、GPS概述全球定位系統(tǒng) (Navigation System Timingand Ranging/GlobalPositioning System,GPS)是美國國防部研制的采用距離交會原理進行工作的新一代軍民兩用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全球性、全天候、高精度、連續(xù)的三維測速、導(dǎo)航、定位與授時能力, 最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,由于其定位技術(shù)的高度自動化及其定位結(jié)果的高精度, 很快也引起了廣大民用部門,尤其是測量單位的關(guān)注.特別是近十幾年來,GPS 技術(shù)在應(yīng)用基礎(chǔ)研究,各領(lǐng)域的開拓及軟件、硬件的開發(fā)等方面都取得了迅速的發(fā)展,使得該技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)研究的許多領(lǐng)

26、域.GPS 技術(shù)給大地測量、工程測量、地籍測量、航空攝影測量、變形監(jiān)測等多種學(xué)科帶來了深刻的技術(shù)革新.下一頁返回第二節(jié)GPS的使用GPS組成全球定位系統(tǒng)(GPS)由 GPS 空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和 GPS 用戶設(shè)備三部分組成.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()GPS空間衛(wèi)星星座.衛(wèi)星星座由顆工作衛(wèi)星和顆在軌備用衛(wèi)星組成,如圖-所示.顆衛(wèi)星均勻分布在 個軌道平面內(nèi), 軌道平面的傾角為, 衛(wèi)星的平均高度為km,運行周期為hmin.衛(wèi)星用L 波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號,導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息,使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點.衛(wèi)星通過天頂時,衛(wèi)星的可見時間

27、為h, 在地球表面上任何時刻, 在衛(wèi)星高度角以上,平均可同時觀測到顆衛(wèi)星,最多可達顆衛(wèi)星.在用 GPS信號導(dǎo)航定位時,為了解算測站的三維坐標,必須同時觀測顆 GPS衛(wèi)星,稱為定位星座.這顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響.對于某地某時,甚至不能測得精確的點位坐標,這種時間段稱為“間歇段”.但這種時間間歇段是很短暫的, 并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時的導(dǎo)航定位測量.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()地面監(jiān)控系統(tǒng).GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括個主控站、個注入站和 個監(jiān)測站,如圖- 所示. 主控站設(shè)在美國本土科羅拉多, 其主要任務(wù)是根據(jù)各監(jiān)測站對GPS

28、衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù),計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等, 并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文,傳送到注入站.另外,主控站還負責(zé)糾正衛(wèi)星的軌道偏離, 必要時調(diào)度衛(wèi)星, 讓備用衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星;負責(zé)監(jiān)測整個地面檢測系統(tǒng)的工作;檢驗注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給用戶.個注入站分別設(shè)在大西洋的阿松森群島、印度洋的迭哥伽西亞島和太平洋的卡瓦加蘭.注入站的主要任務(wù)是將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入 相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中.監(jiān)測站除了位于主控站和注入站的 個站以外, 還在夏威夷設(shè)置了一個監(jiān)測站.監(jiān)測站的主要任務(wù)是為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù),每個監(jiān)測站均用 GPS 信號接收機對每顆可見衛(wèi)星每 min 進行一次

29、偽距測量和積分多普勒觀測, 采用氣象要素等數(shù)據(jù).上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()GPS用戶設(shè)備.用戶設(shè)備由 GPS 接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計算機)等組成.GPS接收機可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號, 跟蹤衛(wèi)星的運行,并對信號進行交換、放大和處理,再通過計算機和相應(yīng)軟件, 經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差,求出 GPS接收機中心(測站點)的三維坐標.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用GPS定位的基本原理GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù), 采用空間距離后方交會的方法,確定待測點的位置.如圖-所示,假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機,

30、可以測定 GPS信號到達接收機的時間t,再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)。上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用可以確定以下四個方程式:上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用利用 GPS進行定位的方式有多種,按用戶接收機天線所處的狀態(tài)來分,可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位;按參考點的位置不同,可分為單點定位和相對定位.()靜態(tài)定位與動態(tài)定位.)靜態(tài)定位.靜態(tài)定位是指 GPS接收機在進行定位時,待定點的位置相對其周圍的點位沒有發(fā)生變化,其天線位置處于固定不動的靜止狀態(tài).此時接收機可以連續(xù)不斷地在不同歷元同步觀測不同的衛(wèi)星,獲得充分的多余觀測量,根據(jù) GPS衛(wèi)星的已知瞬間位置,解算出接收機天線相對中心的三

31、維坐標.由于接收機的位置固定不動, 就可以進行大量的重復(fù)觀測,因此,靜態(tài)定位可靠性強,定位精度高,在大地測量工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用,是精密定位中的基本模式.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)動態(tài)定位.動態(tài)定位是指在定位過程中,接收機位于運動著的載體上, 天線也處于運動狀態(tài)的定位.動態(tài)定位使用 GPS信號實時地測得運動載體的位置.如果按照接收機載體的運行速度,還可將動態(tài)定位分為低動態(tài)(幾十米/秒)、中等動態(tài)(幾百米/秒)、高動態(tài)(幾千米/秒)三種形式. 其特點是測定一個動點的實時位置, 多余觀測量少, 定位精度較低.()單點定位和相對定位.)單點定位.單點定位也稱絕對定位,如圖-所示,就是

32、采用一臺接收機進行定位的模式,它所確定的是接收機天線相位中心在 WGS 世界大地坐標系統(tǒng)中的絕對位置,因此,單點定位的結(jié)果也屬于該坐標系統(tǒng).GPS絕對定位的基本原理是以 GPS衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離(或距離差)觀測量為基礎(chǔ),并根據(jù)已知可見衛(wèi)星的瞬時坐標來確定 用戶接收機天線相位中心的位置.該方法廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和測量中的單點定位工作.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用單點定位的實質(zhì)是空間距離的后方交會.在一個觀測站上, 原則上需有三個獨立的觀測距離才可以算出測站的坐標,這時觀測站應(yīng)位于以 顆衛(wèi)星為球心, 相應(yīng)距離為半徑的球面與地面交線的交點上. 因此, 接收機對這 顆衛(wèi)星的點位坐標分量再

33、加上鐘差參數(shù),共有個未知數(shù),所以,至少需要 個同步偽距觀測值,也就是說,至少必須同時觀測顆衛(wèi)星,如圖-所示.GPS絕對定位方法的優(yōu)點是只需要一臺接收機,數(shù)據(jù)處理比較簡單,定位速度快;但其缺點是精度較低,只能達到米級的精度.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)相對定位.GPS相對定位又稱差分 GPS定位,是采用兩臺以上的接收機(含兩臺)同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星,以確定接收機天線間相互位置關(guān)系的一種方法, 如圖- 所示.其最基本的情況是用兩臺接收機分別安置在基線的兩端,同步觀測相同的 GPS 衛(wèi)星,確定基線端點在世界大地坐標系統(tǒng)中的相對位置或坐標差(基線向量),在一個端點坐標已知的情況下,用基線

34、向量推求另一待定點的坐標.相對定位可以推廣到多臺接收機安置在若干條基線的端點,通過同步觀測 GPS衛(wèi)星確定多條基線向量.當然,也可以使用多臺接收機分別安置在若干條基線的端點, 通過同步觀測以確定各條基線的向量數(shù)據(jù).相對定位對于中等長度的基線, 其精度可達 . 相對定位也可按用戶接收機在測量過程中所處的狀態(tài),分為靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用靜態(tài)相對定位.靜態(tài)相對定位的最基本情況是用兩臺 GPS接收機分別安置在基線的兩端,固定不動;同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星,以確定基線端點在坐標系中的相對位置或基線向量,由于在測量過程中,通過重復(fù)觀測取得了充分的多余觀測數(shù)據(jù),

35、 從而提高了 GPS 定位的精度.動態(tài)相對定位.動態(tài)相對定位的數(shù)據(jù)處理有兩種方式: 一種是實時處理; 另一種是測后處理.前者的觀測數(shù)據(jù)無須存儲,但難以發(fā)現(xiàn)粗差, 精度較低; 后者在基線長度為數(shù)千米的情況下,精度為cm,較為常用. 上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用二、GPS定位測量的技術(shù)要求()各等級衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求,應(yīng)符合表-的規(guī)定.()各等級控制網(wǎng)的基線精度,按式()計算:上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)控制網(wǎng)的測量中誤差, 應(yīng)滿足相應(yīng)等級控制網(wǎng)的基線精度要求, 并符合式()的規(guī)定:()衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)符合下列要求:)應(yīng)根據(jù)測區(qū)的實際情況、精度要求、衛(wèi)星狀況、

36、接收機的類型和數(shù)量以及測區(qū)已有的測量資料進行綜合設(shè)計.)首級網(wǎng)布設(shè)時,宜聯(lián)測 個以上高等級國家控制點或地方坐標系的高等級控制點;對控制網(wǎng)內(nèi)的長邊,宜構(gòu)成大地四邊形或中點多邊形.)控制網(wǎng)應(yīng)由獨立觀測邊構(gòu)成一個或若干個閉合環(huán)或附合路線; 各等級控制網(wǎng)中構(gòu)成閉合環(huán)或附合路線的邊數(shù)不宜多于條.)各等級控制網(wǎng)中獨立基線的觀測總數(shù),不宜少于必要觀測基線數(shù)的倍.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)加密網(wǎng)應(yīng)根據(jù)工程需要,在滿足精度要求的前提下可采用比較靈活的布網(wǎng)方式.)對于采用 GPSRTK 測圖的測區(qū),在控制網(wǎng)的布設(shè)中應(yīng)顧及參考站點的分布及位置.()衛(wèi)星定位測量控制點位的選定,應(yīng)符合下列要求:)點位應(yīng)選在土

37、質(zhì)堅實、穩(wěn)固可靠的地方,同時要有利于加密和擴展, 每個控制點至少應(yīng)有一個通視方向.)點位應(yīng)選在視野開闊,高度角在以上的范圍內(nèi),應(yīng)無障礙物;點位附近不應(yīng)有強烈干擾接收衛(wèi)星信號的干擾源或強烈反射衛(wèi)星信號的物體.)充分利用符合要求的已有控制點.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用三、GPS控制網(wǎng)的布設(shè)形式GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計是一項基礎(chǔ)性的工作.這項工作應(yīng)根據(jù) GPS網(wǎng)的用途和用戶的要求進行,其主要內(nèi)容包括精度指標的確定和網(wǎng)的圖形設(shè)計等.()精度指標的確定.GPS測量控制網(wǎng)的精度指標是以網(wǎng)中基線觀測的距離誤差 mD 來定義的.表-.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()網(wǎng)的圖形設(shè)計.GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計主要

38、取決于用戶的要求、經(jīng)費、時間、人力以及所投入的接收機的類型、數(shù)量和后勤保障條件.根據(jù)不同的用途,GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有點連式、邊連式、網(wǎng)連式和邊點混連式四種基本連接方式.除此之外,也有布設(shè)成星形連接、三角鎖式連接、 導(dǎo)線網(wǎng)式連接等. 選擇何種組網(wǎng), 取決于工程所需要的精度、野外條件和接收機臺數(shù)等因素.)點連式.點連式圖形相鄰?fù)綀D形之間僅有一個公共點連接,如圖- 所示.這種方式所構(gòu)成的圖形幾何強度很弱,沒有或極少有非同步圖形閉合條件,一般不能單獨采用.圖-中,有個定位點,無多余觀測(無異步檢核條件),最少觀測時段 個(同步環(huán)),最少觀測基線為n條(n 為點數(shù)).上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的

39、使用)邊連式.邊連式同步圖形之間有一條公共基線連接,如圖- 所示.這種網(wǎng)的幾何強度較高,有較多的復(fù)測邊和異步圖形閉合條件.采用相同的儀器臺數(shù), 觀測時段數(shù)將比點連式增加很多.)網(wǎng)連式.網(wǎng)連式圖形相鄰?fù)綀D形之間由兩個以上公共點相連接,如圖- 所示.這種方式需要臺以上接收機.顯然這種密集的布點方法,其圖形的幾何強度和可靠性指 標非常高,但花費的時間和經(jīng)費也較多,一般只適用于較高精度的控制網(wǎng).)邊點混連式.邊點混連式圖形將點連式和邊連式有機地結(jié)合起來組網(wǎng), 以保證網(wǎng)的幾何強度和可靠性指標,如圖-所示.其優(yōu)點是既保證了強度和可靠性,又減少了作業(yè)量,降低了成本,是一種較為理想的布網(wǎng)方法.上一頁下一頁返

40、回第二節(jié)GPS的使用)星形網(wǎng)連接.星形網(wǎng)圖形簡單,直接觀測邊之間不構(gòu)成任何圖形,抗粗差能力極差,如圖-所示.其作業(yè)只需兩臺接收機,是一種快速定位的作業(yè)圖形,常用于快速靜態(tài)定位與準動態(tài)定位.因此, 星形網(wǎng)廣泛應(yīng)用于精度較低的工程測量, 如地質(zhì)、地籍和地形測量.)三角鎖式連接.三角鎖式連接圖形是用點連式或邊連式組成連續(xù)發(fā)展的三角鎖同步圖形,如圖-所示.這種連接方式適用于狹長地區(qū)的 GPS布網(wǎng),如鐵路、公路、渠道及管線工程控制.)導(dǎo)線網(wǎng)式連接.導(dǎo)線網(wǎng)式連接圖形是將同步圖形布設(shè)為直伸狀, 形如導(dǎo)線結(jié)構(gòu)式的GPS網(wǎng),各獨立邊應(yīng)構(gòu)成封閉形狀,形成非同步圖形,以增加可靠性,適用于精度較高的GPS布網(wǎng),如圖-

41、所示.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用四、GPS測量外業(yè)實施()技術(shù)要求.GPS控制測量作業(yè)的基本技術(shù)要求,應(yīng)符合表-的規(guī)定.()外業(yè)觀測.GPS外業(yè)觀測工作主要包括天線安置、開機觀測、觀測記錄等內(nèi)容.)天線安置.觀測前,應(yīng)將天線安置在測站上, 對中、整平, 并保證天線定向誤差不超過,測定天線的高度及氣象參數(shù).天線的定向標志應(yīng)指向正北,兼顧當?shù)卮牌?以減弱天線相位中心偏差的影響.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)開機觀測.在離開天線適當位置安放 GPS接收機,接通接收機與電源、天線、控制器的連接電纜,并通過預(yù)熱和靜置,可啟動接收機進行觀測. 測站觀測員應(yīng)按照說明書正確輸入測站信息;注意查

42、看接收機的觀測狀態(tài);不得遠離接收機; 一個觀測時段中, 不得關(guān)機或重新啟動,不得改變衛(wèi)星高度角、采樣間隔及刪除文件;不能靠近接收機使用手機、 對講機;雷雨天應(yīng)防雷擊;嚴格按照統(tǒng)一指令,同時開、關(guān)機,確保觀測同步.)觀測記錄.接收機鎖定衛(wèi)星并開始記錄數(shù)據(jù)后,觀測員可使用專用功能鍵和選擇菜單,查看有關(guān)信息,如接收衛(wèi)星數(shù)量、各通道信噪比、相位測量殘差、實時定位的結(jié)果及 其變化、存儲介質(zhì)記錄等情況.觀測記錄形式主要有測量記錄和測量手簿兩種. 測量記錄由 GPS接收機自動進行, 均記錄在存儲介質(zhì)上; 測量手簿是在接收機啟動前及觀測過程中,由觀測者按規(guī)程規(guī)定的記錄格式進行記錄.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS

43、的使用五、GPS測量數(shù)據(jù)處理()基線解算,應(yīng)滿足下列要求:)起算點的單點定位觀測時間不宜少于min.)解算模式既可采用單基線解算模式,也可采用多基線解算模式.)解算成果應(yīng)采用雙差固定解.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()GPS控制測量外業(yè)觀測的全部數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)同步環(huán)、異步環(huán)和復(fù)測基線檢核,并應(yīng)滿足下列要求:)同步環(huán)各坐標分量閉合差及環(huán)線全長閉合差,應(yīng)滿足式()式()的要求:上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)異步環(huán)各坐標分量閉合差及環(huán)線全長閉合差,應(yīng)滿足式()式()的要求:上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用)復(fù)測基線的長度較差,應(yīng)滿足式()的要求: 當觀測數(shù)據(jù)不能滿足檢核要求時,應(yīng)對成果進行全

44、面分析,并舍棄不合格基線,但應(yīng)保證舍棄基線后,所構(gòu)成異步環(huán)的邊數(shù)不超過衛(wèi)星定位測量技術(shù)要求的規(guī)定. 否則, 應(yīng)重測該基線或有關(guān)的同步圖形.()外業(yè)觀測數(shù)據(jù)檢驗合格后,應(yīng)按規(guī)定對 GPS網(wǎng)的觀測精度進行評定.()GPS測量控制網(wǎng)的無約束平差,應(yīng)符合下列規(guī)定:)應(yīng)在 WGS坐標系中進行三維無約束平差,并提供各觀測點在 WGS 坐標系中的三維坐標、各基線向量三個坐標差觀測值的改正數(shù)、基線長度、基線方位及相關(guān)的精度信息等.)無約束平差的基線向量改正數(shù)的絕對值,不應(yīng)超過相應(yīng)等級的基線長度中誤差的倍.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用()GPS測量控制網(wǎng)的約束平差,應(yīng)符合下列規(guī)定:)應(yīng)在國家坐標系或地方坐標系中進行二維或三維約束平差.)對于已知坐標、距離或方位,可以強制約束, 也可加權(quán)約束. 約束點間的邊長相對中誤差,應(yīng)滿足表-中相應(yīng)等級的規(guī)定.)平差結(jié)果,應(yīng)輸出觀測點在相應(yīng)坐標系中的二維或三維坐標、基線向量的改正數(shù)、基線長度、基線方位角等,以及相關(guān)的精度信息.需要時, 還應(yīng)輸出坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)及其精度信息.)控制網(wǎng)約束平差的最弱邊邊長相對中誤差,應(yīng)滿足表-中相應(yīng)等級的規(guī)定.上一頁下一頁返回第二節(jié)GPS的使用六、GPSRTK 技術(shù)GPSRTK技術(shù)簡介R