GPS培訓(xùn)講座(共74張)

GPS培訓(xùn)講座

GPS測地應(yīng)用

武漢天寶

2007.6GPS測地應(yīng)用

一、測量定位的基本概念二、三項基本測量工作三、GPS測地定位原理四、GPS測地作業(yè)模式五、坐標(biāo)、高程轉(zhuǎn)換六、GPS測量網(wǎng)施測七、GPS的局限性1、地球與數(shù)字地球2、測量工作的實質(zhì)3、點(diǎn)位的數(shù)學(xué)描述一、測量定位的基本概念1、地球與數(shù)字地球

地球自然體電離層70km以上平流層對流層

巖石圈

水圈

大氣圈

生物圈地球自然體

數(shù)字地球——虛擬地球二維地球：

公元前27世紀(jì)蘇美爾人的陶片地圖中國西晉裴秀的《禹貢地域圖》、《地形方丈圖》18世紀(jì)法國卡西尼父子完成的1：56000地形圖

三維地球：1909年美國W.賴特拍攝的第一張航空照片1930年中國錢塘江首次航空攝影測量1957年前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天二十世紀(jì)70年代衛(wèi)星遙感圖象185km185km全球覆蓋

數(shù)字地球——虛擬地球虛擬地球:

1981年美國阿爾.戈爾提出“信息高速公路”概念1993年美國將“信息高速公路”定名為“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”1994年美國提出“全球信息基礎(chǔ)設(shè)施”1998年可獲得分辨率1m的衛(wèi)星多波段遙感圖象計算計硬軟件的發(fā)展、海量存儲，Internet網(wǎng)絡(luò)，Web地理信息系統(tǒng)（GIS），GPS、RS（遙感）——3S技術(shù)空間數(shù)據(jù)框架、多維信息空間——GIS與Web的結(jié)合中國數(shù)字地球：

空間數(shù)據(jù)框架：1：100萬地形圖，水系、道路、居民地等16個層面地理空間數(shù)據(jù)：大地測量控制、正射影像、地形高程、交通水文境界地藉

GPS是建立數(shù)字地球的采數(shù)工具2、測量工作的實質(zhì)測量學(xué)是定位科學(xué)絕對定位和相對定位絕對定位直接獲得點(diǎn)位坐標(biāo)相對定位三要素:距離、水平角度、高差點(diǎn)、線、面、體是三維空間的幾何要素點(diǎn)位是描寫位置與幾何關(guān)系的基本幾何要素

測量工作的成果是點(diǎn)的坐標(biāo)3、空間點(diǎn)位的數(shù)學(xué)描述

平面投影基準(zhǔn)—參考橢球體參考橢球體

地球自然體大地水準(zhǔn)面

旋轉(zhuǎn)橢球體參數(shù)參考橢球的形狀與大?。?/p>

長半徑

a

偏率f參考橢球與地球的相關(guān)性：定位：X、Y、Z

定向：RX、RY、RZ

坐標(biāo)與坐標(biāo)系統(tǒng)

地心地固（ECEF）直角坐標(biāo)系ECEF直角坐標(biāo)系三軸：

X、Y、Z點(diǎn)位描寫：Xi、Yi、Zi赤道格林威治子午線大地坐標(biāo)系：緯度、經(jīng)度、大地高（橢球高）

大地坐標(biāo)系緯度經(jīng)度橢球高帶區(qū)投影直角坐標(biāo)系帶區(qū)投影直角坐標(biāo)：Ni、Ei標(biāo)準(zhǔn)分帶：有3帶、6帶之分，規(guī)定中央子午線經(jīng)度帶區(qū)投影參數(shù)：

中央子午線經(jīng)度（帶號）中央子午線尺度比原點(diǎn)緯度原點(diǎn)北移值原點(diǎn)西移值按投影參數(shù)的選定：

有標(biāo)準(zhǔn)帶區(qū)自定義帶區(qū)N

E

赤道中央子午線EiI

NiO500km墨卡托投影

K=0.9996高斯投影

K=1.0000

高斯投影與墨卡托投影地平坐標(biāo)系（假定平面直角坐標(biāo)系）點(diǎn)的地平坐標(biāo)描述：

xi、yi適用于地面假定平面直角坐標(biāo)系（建筑坐標(biāo)系、工程坐標(biāo)系）

OxyO

高程與高程系統(tǒng)

大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面

——高程投影基準(zhǔn)

大地水準(zhǔn)面

不規(guī)則幾何體

平均海水面重力等位面

正高起算面

似大地水準(zhǔn)面

與大地水準(zhǔn)面接近

正常高起算面我國采用正常高系1956黃海高程系統(tǒng)1985國家高程基準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面地球自然體地面點(diǎn)的高程大地高（h）——地面點(diǎn)沿法線方向到參考橢球的間距正高（H）——地面點(diǎn)沿重力方向到大地水準(zhǔn)面的間距正常高（H）——地面點(diǎn)沿重力方向到似大地水準(zhǔn)面的間距地面大地水準(zhǔn)面參考橢球面

二、三項基本測量工作1、常規(guī)測量之一（光、機(jī)式）2、常規(guī)測量之二（光、機(jī)、電式）3、GPS測量（電子式）4、GPS技術(shù)使測地工作發(fā)生重大變革

二、三項基本測量工作1、常規(guī)測量之一（光、機(jī)式）

長度——距離丈量——鋼尺（機(jī)械比長）角度——水平角測量——經(jīng)緯儀（光學(xué)）高差——水準(zhǔn)測量——水準(zhǔn)儀（光學(xué)）記錄——手工方式——記錄手簿2、常規(guī)測量之二（光、機(jī)、電式）——電子全站儀長度——紅外光電測距（光電）角度——編碼度盤（光電）高差——測距三角高程（光電）記錄——電磁方式3、GPS測量（電子式）接收——GPS信號——基線向量（弦長、方位角、大地高差）記錄——自動4、GPS技術(shù)使測地工作發(fā)生重大變革電子式（GPS）光機(jī)電式（全站儀）光機(jī)式（經(jīng)緯儀）機(jī)械式（鋼尺）三、

GPS測地定位原理1、空間距離后方交會2、GPS的測距信號3、GPS系統(tǒng)的組成4、GPS的原子時系統(tǒng)5、

精確測時精確測距6、生產(chǎn)基線向量的工藝7、GPS測量的誤差源

1、空間距離后方交會

——

GPS單點(diǎn)定位原理

空間距離方程1=—[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]2

=—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]3=—[(X3-X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]

……X、Y、Z

——測點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)Xi、Yi、Zi——衛(wèi)星星歷（坐標(biāo)）1、1、1——觀測所得偽距1234S1S3S4S2

（X、Y、Z）2、GPS的測距信號P碼

——

軍用精密導(dǎo)航定位測距碼

（保密）C/A碼——捕獲P碼的工具，用于民用導(dǎo)航定位D碼

——數(shù)據(jù)碼L1載波——頻率1575MHz，運(yùn)載工具。

L2載波——頻率1227MHz，運(yùn)載工具，電離層延遲探測工具。

3、GPS衛(wèi)星系統(tǒng)組成星座：29顆GPS衛(wèi)星。分布：6軌道。運(yùn)行周期：11小時58分。主要功能：播發(fā)GPS信號。

L1載波——C/A碼、P1碼、D碼

L2載波——P2碼、D碼

監(jiān)控站…...主控站監(jiān)控站注入站4、GPS的原子時系統(tǒng)GPS是基于精密測時的定位系統(tǒng)。精密的時間系統(tǒng)是GPS的基礎(chǔ)。時間系統(tǒng)包含時間尺度、時間原點(diǎn)與計時方式。GPS采用原子時為尺度、以1980年1月6日0時為原點(diǎn)、以周與周秒的方式計時。時刻是時間坐標(biāo)點(diǎn)。UTC是協(xié)調(diào)世界時，其時間尺度為原子時、其時間原點(diǎn)（格林威治）、計時方式（年月日、時分秒）與世界時一致。世界時與UTC時是GPS的實用參考。5、

GPS以精確測時實現(xiàn)精確測距C/A碼是偽隨機(jī)二進(jìn)制碼，也是衛(wèi)星的標(biāo)識符。在接收機(jī)上可同步復(fù)制與衛(wèi)星同結(jié)構(gòu)的C/A碼，比對測時。復(fù)制來自衛(wèi)星t復(fù)制碼與接收來自衛(wèi)星的C/A碼比對基于時間同步。碼相位測距類似于脈沖式光電測距。P碼測距與C/A碼測距原理相同——碼相位式。t——信號傳播時間站星距離——

=ct6、同步觀測是生產(chǎn)基線向量的工藝相對定位至少需要使用兩臺（多則不限）接收機(jī)同步觀測，觀測處理后的成果是基線向量。觀測中要求各接收機(jī)的采樣率一致，也是時間同步的體現(xiàn)。BA7、

GPS測量的誤差源衛(wèi)星鐘差——某時刻原子鐘與GPS時之差

星歷誤差——衛(wèi)星軌道誤差

接收機(jī)鐘差——某時刻石英鐘與GPS時之差操作誤差——對中、整平、量天線高電離層、對流層延遲——群折射路徑延長多路徑效應(yīng)影響——多路反射波四、GPS測地作業(yè)模式1、什么是整周模糊度2、靜態(tài)與快速靜態(tài)模式3、準(zhǔn)動態(tài)與動態(tài)模式4、實時動態(tài)（RTK）模式5、基線向量的數(shù)學(xué)描述6、GPS基線向量的解算7、基線質(zhì)量可靠性檢核1、什么是整周模糊度載波相位觀測量(t0)=

{(t0)/(2)+N}

(t1)=

{(t1)/(2)+I(t1)+N}

——波長N——整周模糊度S(t0)S(t1)N

N

(整周模糊度)(t0)(t1)I(t1)2、靜態(tài)與快速靜態(tài)模式

同步圖形兩臺接收機(jī)

n=2三臺n=3五臺n=5

全組合基線數(shù)四臺N={n(n-1)}/2n=4靜態(tài)與快速靜態(tài)模式的特點(diǎn)靜態(tài)模式整周模糊度作為未知數(shù)的經(jīng)典算法用于各等級控制測量，高精度測量快速靜態(tài)整周模糊度快速逼近技術(shù)（FARA）適宜于短基線，一般控制測量

3、準(zhǔn)動態(tài)與動態(tài)模式

作業(yè)模式基準(zhǔn)站已知點(diǎn)123流動站

已知基線反求整周模糊度準(zhǔn)動態(tài)與動態(tài)模式的特點(diǎn)準(zhǔn)動態(tài)與動態(tài)利用已知基線反求整周模糊度流動站對環(huán)境條件要求較高準(zhǔn)動態(tài)屬走走停停式，用于碎部測量動態(tài)屬連續(xù)運(yùn)動式，用于路線連續(xù)采點(diǎn)

RTK的特點(diǎn)基準(zhǔn)站

連續(xù)觀測數(shù)據(jù)鏈電臺

傳送觀測數(shù)據(jù)OTF算法

行進(jìn)過程中初始化實時

獲取坐標(biāo)監(jiān)視精度電子手簿

用戶界面智能化水平

電子手簿應(yīng)用軟件用途碎部測量、細(xì)部放樣、界址點(diǎn)測量...5、基線向量的數(shù)學(xué)描述基線向量的幾何原型是兩觀測站點(diǎn)之間的直線（弦線）。基線向量在地心地固直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)描述：

坐標(biāo)差

X、Y、Z基線向量在大地坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)描述：

大地線長度

S、大地方位角

A、大地高差

h

或，L、B、h基線向量在高斯投影直角坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)描述：

平距

D、坐標(biāo)方位角

基線向量在地平坐標(biāo)系下的的數(shù)學(xué)描述：

平距

DP、坐標(biāo)方位角P、天頂距

ZP6、GPS基線向量的解算相對定位的原始觀測量主體是載波相位數(shù)據(jù)。具有同步觀測時間段是獲得基線解的先決條件?；€向量一般由廠商提供的專用軟件解算?；€向量解是GPS相對定位幾何三要素。GPS測地型接收機(jī)是定位三要素數(shù)據(jù)采集器。7、基線質(zhì)量可靠性檢核靜態(tài)模式基線向量以求差法解算。基線固定解可靠性高，可大膽取用。基線浮動解約有1/3可靠。同步環(huán)閉合差檢核是判定基線可靠性的參考，閉合差超限的同步環(huán)中可能有合格的基線。異步環(huán)閉合差檢核是判定基線向量的有效手段。五、坐標(biāo)、高程轉(zhuǎn)換1、實用定位坐標(biāo)系統(tǒng)2、同系統(tǒng)下的變換3、坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換4、求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)5、大地高轉(zhuǎn)換為正常高1、實用定位坐標(biāo)系

世界大地坐標(biāo)系WGS-84WGS-84系：橢球幾何參數(shù)長半徑

a=6378137m短半徑

b=6356752.310m扁率

=1/298.257223563ba

GPS所采用的定位坐標(biāo)系

1954北京坐標(biāo)系

1954北京坐標(biāo)標(biāo)系克拉索夫斯基橢球幾何參數(shù)長半徑a=6378245m短半徑b=6356863.0188m扁率=1/298.3ba我國當(dāng)前的實用坐標(biāo)系

1980西安坐標(biāo)系

1980西安坐標(biāo)系IAG-75橢球的幾何參數(shù)長半徑a=6378140m短半徑b=6356755.2882m扁率=1/298.257ba我國采用的坐標(biāo)系新1954北京坐標(biāo)系原1954北京坐標(biāo)系的成果屬分區(qū)局部平差成果。1980西安坐標(biāo)系的成果是經(jīng)整體平差后的成果。原54北京系與80西安系定位基準(zhǔn)與平差不同，大地控制點(diǎn)坐標(biāo)差異較大，最大達(dá)2米。將1980西安坐標(biāo)系的成果換算到克拉索夫斯基橢球上形成“新1954北京坐標(biāo)系”，此系與原系只有參考橢球一致，而橢球的定位、定向與80西安系相同。與北京54有聯(lián)系的自定義坐標(biāo)系測區(qū)高程面參考橢球面OAoaRH參考橢球及其定位、定向與標(biāo)準(zhǔn)BJ54系一致。自定義投影參數(shù)：

中央子午線、原點(diǎn)緯度

投影高程面(或中央子午線尺度比)

坐標(biāo)原點(diǎn)西移、北（南）移值取一個坐標(biāo)參考點(diǎn)，其坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)BJ54一致.

No=NO；Eo=EO自定義坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)BJ54坐標(biāo)的關(guān)系：

Na=kNA；Ea=kEA

K=（R+H）/R2、同系統(tǒng)下不同坐標(biāo)形式的變換

地心地固直角坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系

X、Y、ZL、B、hB=arctg[tg(1+ae2sinb/Z/W)]L=arctg(Y/X)h=R(cos/cosB)-N其中：=arctg[Z/(X2+Y2)1/2R=(X2+Y2+Z2)1/2B

LZXYXPPYP

ZP大地坐標(biāo)系地心地固直角坐標(biāo)系

L、B、h

X、Y、Z

X=(N+h)cosBcosLY=(N+h)cosBsinLZ=[N(1-e2)+h]sinB其中：N=a/WW=（1-e2

sin2B）1/2e2=（a2-b2）/a2

BLZXYXPPYPZP高斯直角坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系

Ni、EiLi、Bi

高斯正形投影正形（等角）投影變換。中央子午線投影為縱坐標(biāo)軸。中央子午線投影尺度比為1。中央子午線外存在長度變形，距中央子午線越遠(yuǎn)變形越大。長度變形尺度比：

m=1+E2/（2R2）分帶（帶區(qū)）投影

6度帶：0~6，6~12...

3度帶：0~3，3~6...3、坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型

布爾沙模型(7參數(shù))XXoXY=Yo+(1+m)R()YZ

54Zo54Z84

WGS84

BJ54（或XA80）Z54

Z84

PO84X84Y84

Y54O54

X5454坐標(biāo)尺度因子84坐標(biāo)平移量旋轉(zhuǎn)矩陣求解空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的考慮

GPS的定位測量結(jié)果是基于WGS-84系下某參考點(diǎn)的坐標(biāo)。欲將所測點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)，必須提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)采用大地聯(lián)測的方法，根據(jù)公共點(diǎn)（至少三個）的坐標(biāo)差反求轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量取決于：聯(lián)測點(diǎn)數(shù)量已知點(diǎn)精度聯(lián)測精度聯(lián)測點(diǎn)分布解算方法4、大地高轉(zhuǎn)換為正常高

高程異常大地水準(zhǔn)面地面大地高——地面點(diǎn)沿法線方向到參考橢球面的間距（h）正高——地面點(diǎn)重力方向到大地水準(zhǔn)面的間距（H）正常高——地面點(diǎn)重力方向到似大地水準(zhǔn)面的間距（H）高程異?！拼蟮厮疁?zhǔn)面到參考橢球面的間距（N）大地高、正常高、高程異

常關(guān)系式

H=h-N參考橢球

GPS水準(zhǔn)法——高程擬合

似大地水準(zhǔn)面擬合面參考橢球面平面擬合示例(3個<聯(lián)測點(diǎn)<6個)聯(lián)測已知高程點(diǎn)建立回歸方程：

1=a

x1+by1+c2=ax2+by2+c3=a

x3+by3+c…...解算方程反求系數(shù)a、b、c建立擬合面方程

=a

x

+by

+c內(nèi)插GPS點(diǎn)的高程異常值i

i=a

xi+byi+c計算GPS點(diǎn)的正常高

Hi=hi-i地球重力場模型大地水準(zhǔn)面模型GPS高程法Hi=hi-i

Hik=hik+ikHk=Hi+Hik

GPS高程法——大地水準(zhǔn)面模型六、GPS測量網(wǎng)施測1、控制測量網(wǎng)2、布網(wǎng)原則3、連網(wǎng)方式4、已知點(diǎn)配置5、外業(yè)觀測6、施測調(diào)度7、GPS網(wǎng)評論

1、常規(guī)控制網(wǎng)與GPS測量網(wǎng)常規(guī)控制網(wǎng)導(dǎo)線網(wǎng)——測量全部轉(zhuǎn)角和導(dǎo)線邊長三角網(wǎng)——測量全部三角形內(nèi)角和部分起算邊長三邊網(wǎng)——測量全部三角形邊長邊角網(wǎng)——測量全部或部分內(nèi)角和邊長混合網(wǎng)——三角、導(dǎo)線組合

GPS靜態(tài)測量網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)件是基線向量邊、角，高差全部實測的網(wǎng)GPS（準(zhǔn)）動態(tài)、RTK測量網(wǎng)

由若干輻射基線組成的支導(dǎo)線網(wǎng)純導(dǎo)線型網(wǎng)純點(diǎn)連式網(wǎng)輻射支導(dǎo)線網(wǎng)1混連式網(wǎng)2、靜態(tài)網(wǎng)布網(wǎng)原則等級與精度：A、B、C、D、E構(gòu)網(wǎng)自由：網(wǎng)邊無固定連法、圖形強(qiáng)度與網(wǎng)形無關(guān)形成閉合環(huán)路：整網(wǎng)由若干閉合環(huán)組成、無支導(dǎo)線同步圖形連網(wǎng)方式：點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式有一定量的多余基線且分布均衡選點(diǎn)要求：點(diǎn)位牢固便于操作便于保存、對空通視、回避強(qiáng)電干擾、回避多路徑反射源、交通便利已知點(diǎn)配置合理顧及到常規(guī)儀器要求通視的問題顧及便于設(shè)置RTK基準(zhǔn)站問題（若有RTK設(shè)備）3、連網(wǎng)方式GPS同步觀測是生產(chǎn)基線向量的工藝同步圖形為一個工藝單元點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式，混合使用點(diǎn)連式邊連式網(wǎng)連式4、已知點(diǎn)配置控制點(diǎn)配置情況WGS-84系地方系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換“一點(diǎn)”約束：只有平移變換；能保持原GPS網(wǎng)精度“一點(diǎn)+一方向”約束：有平移、旋轉(zhuǎn)變換；基本保持原GPS網(wǎng)精度。“兩點(diǎn)”約束：有平移、旋轉(zhuǎn)變換、縮放變換；尺度上發(fā)生了均勻變異?！岸帱c(diǎn)”約束：存在多余約束條件，由最小二乘法處理后，使原GPS網(wǎng)在位置、形狀、大小發(fā)生了不均勻性畸變。已知點(diǎn)配置要素已知點(diǎn)配置要素：數(shù)量、精度及匹配度、分布。已知點(diǎn)數(shù)量：不一定越多越好，聯(lián)測工作量、用途、匹配度、分布、檢核。精度及匹配度：精度等級、精度一致性。分布：均衡、測區(qū)外圍、長定向邊。分布不佳分布頗好5、外業(yè)觀測觀測參數(shù)——各接收機(jī)觀測參數(shù)一致性

采樣率：10s15s20s截止高度角：101520最小衛(wèi)星數(shù)：4顆PDOP限值：4——7時段長：20——60min觀測記錄——機(jī)號、點(diǎn)號、天線高對應(yīng)量天線高——重視天線高量測的正確性6、施測調(diào)度

作業(yè)流程方式

（1）三機(jī)點(diǎn)連推進(jìn)式

（2）

三機(jī)邊連推進(jìn)式ABCAB

（3）三機(jī)交替推進(jìn)式

ABCABC（4）三（雙）機(jī)點(diǎn)連推磨式123遷移中1遷移中

（5）三機(jī)旋軸式

ABCABC（6）雙機(jī)點(diǎn)連追魚式（7）雙機(jī)點(diǎn)連蛙跳式12211212,21,12

作業(yè)條件交通條件：道路、水路狀況——道路等級、路面、通航狀況交通工具與數(shù)量——汽車、摩托車、自行車…...轉(zhuǎn)站里程與時間——選點(diǎn)時注意測定記錄

通信條件：對講機(jī)——通話覆蓋域5—10km+車載臺——中繼站，可加大覆蓋域手機(jī)——開通地區(qū)效果較好約定時間——留出富余時間，只