工程測量之控制測量與定位測量

第五章控制測量與定位測量

本章主要講述控制測量問題。內(nèi)容涉及控制測量概述、導(dǎo)線測量、導(dǎo)線測量的內(nèi)業(yè)工作、經(jīng)緯儀前方交會法、全站儀與GPS測量等。第五章控制測量與定位測量

[重點(diǎn)]坐標(biāo)正反算計(jì)算方法，閉合、附合導(dǎo)線的內(nèi)業(yè)計(jì)算過程。

了解等級控制網(wǎng)的建立過程和意義；了解小地區(qū)控制網(wǎng)的建立方法；導(dǎo)線的幾種布設(shè)形式及技術(shù)要求和外業(yè)作業(yè)方法；熟悉坐標(biāo)正反算的概念；基本掌握閉合、附合導(dǎo)線的內(nèi)業(yè)計(jì)算過程；了解前方交會點(diǎn)的布設(shè)方法及其坐標(biāo)計(jì)算方法；了解全站儀與GPS測量方面的一些基本知識。通過本章教學(xué)，要求學(xué)生熟悉控制測量概述、導(dǎo)線測量、導(dǎo)線測量的內(nèi)業(yè)工作、經(jīng)緯儀前方交會法、全站儀與GPS測量等；掌握坐標(biāo)正反算計(jì)算方法，閉合、附合導(dǎo)線的內(nèi)業(yè)計(jì)算過程。第五章控制測量與定位測量§5-1控制測量概述§5-2定位測量基本方法§5-3全站儀測量§

5-4

GPS定位測量1.定義

控制測量就是在較大范圍內(nèi)，以較高的精度測定地面上一些點(diǎn)的平面位置和高程。這些點(diǎn)稱為控制點(diǎn)。2.目的與作用

①建立測區(qū)統(tǒng)一的平面和高程基準(zhǔn)

②控制誤差的積累

③作為進(jìn)行各種細(xì)部測量的基準(zhǔn)，保證測繪和測設(shè)必要的精度。3.分類

平面控制測量、高程控制測量5.1.1控制測量的概念5.1.2平面控制測量

——測定控制點(diǎn)的平面位置(X，Y)。

等級關(guān)系：分一等、二等、三等、四等，前一等作為以后各等的控制基準(zhǔn)，逐級控制(由整體到局部，由高級到低級)。小地區(qū)內(nèi)布置一級、二級、三級和圖根控制。平面控制測量分類:三角測量、導(dǎo)線測量、GPS測量。按方法分：按控制范圍和用途分：國家大地控制網(wǎng)：測圖、工程建設(shè)、科研。城市控制網(wǎng)：城市測圖、市政建設(shè)。工程控制網(wǎng)：為工程服務(wù)。技術(shù)要求：見表5-1、表5-2表5-1三角測量技術(shù)要求表5-2導(dǎo)線測量技術(shù)要求等級平均邊長(Km)測角中誤差(″)起始邊邊長相對中誤差最弱邊邊長相對中誤差測回?cái)?shù)三角形最大閉合差(″)J1J2J6三等首級4.51.8≤1/150000≤1/7000069--7加密≤1/120000四等首級22.5≤1/100000≤1/4000046--9加密≤1/70000一級小三角15≤1/40000≤1/20000--2415二級小三角0.510≤1/20000≤1/10000--1230等級導(dǎo)線長度(Km)平均邊長(Km)測角中誤差(″)測距中誤差(mm)測距相對中誤差測回?cái)?shù)方位角閉合差(″)相對閉合差(″)J2J6四等91.52.518≤1/800006--5」n≤1/35000一級40.5515≤1/300002410」n≤1/15000二級2.40.25815≤1/140001316」n≤1/10000三級1.20.11215≤1/70001224」n≤1/5000表5-3GPS測量技術(shù)要求（CJJ73--97）

GPS的出現(xiàn)給控制測量帶來突破。只要將GPS接收機(jī)安置于控制點(diǎn)上，接收衛(wèi)星信號，經(jīng)隨機(jī)處理軟件和平差軟件，即可解算地面控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x、y、H）。隨著GPS定位技術(shù)的成熟和接收機(jī)價格的下降，GPS在各級控制測量中所占比重越來越大。等級平均距離km固定誤差a(mm)比例誤差b(ppm)最弱邊相對中誤m(mm)三5≤10≤51/80000四2≤10≤101/45000一級1≤10≤101/20000二級<1≤15≤201/10000項(xiàng)目等級觀測方法二等三等四等一級二級衛(wèi)星高度角（o）靜態(tài)≥15≥15≥15≥15≥15有效觀測衛(wèi)星數(shù)靜態(tài)≥4≥4≥4≥4≥4平均重復(fù)設(shè)站數(shù)靜態(tài)≥2≥2≥1.6≥1.6≥1.6時段長度（min）靜態(tài)≥90≥60≥45≥45≥45數(shù)據(jù)采樣間隔(s)靜態(tài)10~6010~6010~6010~6010~60GPS測量各等級的作業(yè)的基本技術(shù)要求

GPS控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)5.1.3高程控制測量——測定控制點(diǎn)的高程H。

：水準(zhǔn)測量另外方法：三角高程測量、全站儀高程測量。

：分一等、二等、三等、四等，前一等作為以后各等的控制基準(zhǔn)，逐級控制(由整體到局部，由高級到低級)。地形測量時，布設(shè)圖根水準(zhǔn)(也稱等外水準(zhǔn))。：見表5-4

技術(shù)要求主要方法等級關(guān)系表5-4水準(zhǔn)測量技術(shù)要求等級每千米高差全中誤差(mm)路線長度(Km)水準(zhǔn)儀的型號水準(zhǔn)尺觀測次數(shù)往返測較差、附合或環(huán)線閉合差與已知點(diǎn)聯(lián)測與已知點(diǎn)聯(lián)測平地(mm)山地(mm)二等2--DS1因瓦往返各一次往返各一次4」L--三等6≤50DS1因瓦往返各一次往返各一次12」L4」nDS3雙面四等10≤16DS3雙面往返各一次往一次20」L6」n五等15--DS3單面往返各一次往一次30」L--

第五章控制測量與定位測量§5-1控制測量概述§5-2定位測量基本方法§5-3全站儀測量§

5-4

GPS定位測量已知方位已知點(diǎn)連接角轉(zhuǎn)折角導(dǎo)線邊5.2.1導(dǎo)線測量

將相鄰的控制點(diǎn)連成互相連接的折線（導(dǎo)線），通過測量轉(zhuǎn)折角和邊長，由已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算未知點(diǎn)的坐標(biāo)。定位測量：用測量技術(shù)方法確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。特點(diǎn)：布設(shè)靈活，數(shù)據(jù)處理簡單。在圖根測量和工程控制網(wǎng)中應(yīng)用普遍。5.2.1.1導(dǎo)線的布置形式

閉合導(dǎo)線:

附合導(dǎo)線：45AB23（1）ABDC（1）234（5）（1）234（5）

如圖，從高級控制點(diǎn)B(1)和已知方向A1出發(fā)，經(jīng)導(dǎo)線點(diǎn)2、3、4、5再回到B(1)點(diǎn)形成一閉合多邊形。適用于較開闊地區(qū)布設(shè)。

由一已知點(diǎn)開始，經(jīng)若干控制點(diǎn)的連續(xù)折線到達(dá)另一已知點(diǎn)上。（布設(shè)在兩個高級控制點(diǎn)間的導(dǎo)線稱附合導(dǎo)線）由已知點(diǎn)開始，經(jīng)若干控制點(diǎn)的連續(xù)折線又回到原來點(diǎn)。

如圖，從一高級控制點(diǎn)B和已知方向AB出發(fā)，經(jīng)過導(dǎo)線點(diǎn)1、2、3、4再附合到另一高級控制點(diǎn)C和已知方向CD上，形成附合導(dǎo)線。適用于帶狀地區(qū)布設(shè)。有嚴(yán)密的幾何條件，能檢核觀測成果。

支導(dǎo)線：AB（1）234（5）（1）234（5）

由已知點(diǎn)開始，經(jīng)若干控制點(diǎn)的連續(xù)折線沒有回到原已知點(diǎn)或另一已知點(diǎn)上。（從一個已知點(diǎn)和一個已知方向出發(fā)，支出1-2個點(diǎn)的導(dǎo)線，稱支導(dǎo)線）支導(dǎo)線為一開放式導(dǎo)線，只具有必要的起始數(shù)據(jù)，缺乏嚴(yán)密的幾何條件作檢核，因此只適于作圖根控制測量和一般的定點(diǎn)定位，而且只能支2個點(diǎn)。區(qū)別：水準(zhǔn)路線考慮的是高程條件；導(dǎo)線考慮的是縱橫坐標(biāo)條件。5.2.1.2導(dǎo)線測量的外業(yè)工作

水平角：觀測導(dǎo)線各連接角、轉(zhuǎn)折角。

連接角：導(dǎo)線定向角，主要取得方位角的起算數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)折角：附合導(dǎo)線測左、右角，閉合導(dǎo)線測內(nèi)角。距離：（光電測距、鋼尺量距）測量各導(dǎo)線邊的距離，要求往返測取平均值。每一步都檢查是否超限

選點(diǎn)觀測

外業(yè)資料整理導(dǎo)線測量的外業(yè)工作主要包括：選點(diǎn)、測距、測角等三項(xiàng)工作。（通視好、能保存、分布均）在現(xiàn)場選定控制點(diǎn)位置，設(shè)立標(biāo)志。實(shí)地選點(diǎn)注意事項(xiàng)：導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)選在視野廣闊，便于控制點(diǎn)使用的地方。相鄰點(diǎn)必須通視。點(diǎn)均勻分布，相鄰邊長度相差不宜過大。點(diǎn)應(yīng)選在不易被行人車馬觸動，土質(zhì)堅(jiān)實(shí)便于安置儀器的地方。1、選點(diǎn)2、觀測①

邊長測量②水平角測量(連接角及轉(zhuǎn)折角）鋼尺量距：往返丈量相對中誤差<1/2000或1/1000光電測距：視距法

：往返相對誤差<1/300

一般規(guī)定觀測左角。閉合導(dǎo)線中，導(dǎo)線點(diǎn)按逆時針編號，左角即是內(nèi)角。EDCBA121°28′00″90°07′30″84°10′30″108°27′00″135°48′00″96°51′36″(方位角）231.32201.58200.44241.00263.41

1.計(jì)算公式

(1)坐標(biāo)正算公式（x1、y1、D12、α12—x2、y2）5.2.1.3導(dǎo)線測量的內(nèi)業(yè)計(jì)算

由兩點(diǎn)的邊長和坐標(biāo)方位角計(jì)算兩點(diǎn)的坐標(biāo)差（坐標(biāo)增量），進(jìn)而由已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算未知點(diǎn)的坐標(biāo)。知1、2點(diǎn)坐標(biāo)知D12、α12（2）坐標(biāo)反算公式（x1、y1、x2、y2—

D12、α12）由兩點(diǎn)坐標(biāo)求直線的坐標(biāo)方位角和邊長。由△x12、△y12的正負(fù)號判斷所在象限，再換成方位角。計(jì)算前的準(zhǔn)備工作：（1）、全面檢核外業(yè)原始觀測數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算是否齊全、正確、限差是否合格。（2）、抄錄已知數(shù)據(jù)（已知高級點(diǎn)坐標(biāo)，方位角等）。（3）、繪導(dǎo)線略圖（注明點(diǎn)、角度、邊長）。（4）、準(zhǔn)備應(yīng)用的計(jì)算表格。2.閉合導(dǎo)線計(jì)算內(nèi)業(yè)計(jì)算任務(wù)：利用已知數(shù)據(jù)和外業(yè)觀測成果,計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)（X，Y）。評價觀測質(zhì)量是否合格內(nèi)業(yè)計(jì)算內(nèi)容：①角度閉合差計(jì)算和調(diào)整

②導(dǎo)線邊方位角計(jì)算

③坐標(biāo)增量計(jì)算及坐標(biāo)增量閉合差調(diào)整

④坐標(biāo)計(jì)算（1）、計(jì)算目的

利用已知數(shù)據(jù)和外業(yè)觀測成果,計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)（X，Y）。閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算AB25431（2）、計(jì)算思路X2=X1+△X12=X1+D12×COSα12Y2=Y1+△Y12=Y1+D12×SINα12Xi+1Yi+1βiαi,i+1△Xi,i+1=Di,i+1×COSαi,i+1△Yi,i+1=Di,i+1×SINαi,i+1應(yīng)滿足內(nèi)角和條件：∑βi-(n-2)180°≠0

＝ff滿足限差后βi要改正應(yīng)滿足縱橫坐標(biāo)條件：∑△X≠0＝fx∑△Y≠0＝fy計(jì)算f、K，K滿足限差后△X、△Y要改正閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算AB25431β1β2β5β3β4角度調(diào)整：Vi=-fβ/n

即：閉合差反號平均分配至每個觀測，再計(jì)算改正后角值第一步：

角度閉合差計(jì)算和調(diào)整

（3）、計(jì)算步驟和方法（四步）若f＞

f允，不合格，檢查后，重測。

f＜

f允，合格可進(jìn)行角度調(diào)整檢核：

∑（i+Vi)=(n-2)×180°閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算f

=∑測-∑理=∑測-(n-2)×180°f允=±16″第二步：導(dǎo)線邊方位角計(jì)算

檢核：

12=

51±180°

+

1左AB25431閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算I,i+1=

i-1,i±180°

+

i左i,i+1=

i-1,i±180°

－

i右由起算方位角、調(diào)整后內(nèi)角、連接角逐邊推算，最后再回到起算邊。檢查是否一致。

坐標(biāo)增量計(jì)算

坐標(biāo)增量閉合差計(jì)算閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算第三步：坐標(biāo)增量計(jì)算及坐標(biāo)增量閉合差調(diào)整

若K

＞

K允，檢查后，重測邊長。

K

＜

K允，合格可進(jìn)行調(diào)整

導(dǎo)線全長絕對閉合差：導(dǎo)線全長相對閉合差：檢核：

fx=－∑v△xi

fy=－∑v△YiK=f/∑D△xi=Di×cos

△Yi=Di×sin

fx=∑△Xi

fy=∑△Yi改正數(shù)計(jì)算：第四步：坐標(biāo)計(jì)算：檢核：

Y1=Y5+△Y51

(與起始原點(diǎn)坐標(biāo)相等)AB25431Xi+1=Xi+△Xii+1

Yi+1=Yi+△Yii+1閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算EDCBA121°28′00″90°07′30″84°10′30″108°27′00″135°48′00″96°51′36″(方位角）231.32201.58200.44241.00263.41閉合導(dǎo)線計(jì)算略圖閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算閉合導(dǎo)線計(jì)算表閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算閉合導(dǎo)線計(jì)算表閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算閉合導(dǎo)線計(jì)算示例（書上示例）閉合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算閉合導(dǎo)線計(jì)算總結(jié)

（1）角度閉合差的計(jì)算與調(diào)整

角度閉合差：fβ=∑β測-（n-2）×180°

閉合差容許值：

角度改正數(shù)：改正后角值：（2）坐標(biāo)方位角的計(jì)算

用改正后角值按第二章公式計(jì)算。（3）坐標(biāo)增量的計(jì)算

按坐標(biāo)正算公式計(jì)算各邊的坐標(biāo)增量。

(4)坐標(biāo)(增量)閉合差的計(jì)算與調(diào)整a.閉合差測量值與真值（已知值）之差！全長閉合差全長相對閉合差b.改正數(shù)取位至毫米，檢核！∑vx

=-fx∑vy=-fyc.改正后坐標(biāo)增量檢核！∑△x’=0∑△y’=0（5）導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

根據(jù)起算點(diǎn)的已知點(diǎn)坐標(biāo)和調(diào)整后的坐標(biāo)增量，逐點(diǎn)計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算至導(dǎo)線最末一點(diǎn)后，還應(yīng)再次計(jì)算出起算點(diǎn)的坐標(biāo)，檢核其是否一致！計(jì)算目的

利用已知數(shù)據(jù)和外業(yè)觀測成果,計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)（X，Y）。附合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算ABDC（1）234（5）3.附合導(dǎo)線的計(jì)算

附合導(dǎo)線計(jì)算步驟與附合導(dǎo)線相同，只是導(dǎo)線形式不同，使角度閉合差和坐標(biāo)增量閉合差的計(jì)算公式有所不同。只介紹不同部分的計(jì)算，其它計(jì)算過程及要求相同。（1）角度閉合差（2）坐標(biāo)（增量）閉合差實(shí)際上就是終邊的測量方位角與已知方位角之差！實(shí)際上就是測量坐標(biāo)增量與已知坐標(biāo)增量之差；或者說是終點(diǎn)的測量坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之差！4.支導(dǎo)線的坐標(biāo)計(jì)算直接按照坐標(biāo)正算公式計(jì)算即可！附合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算附合導(dǎo)線計(jì)算總結(jié)DCAB1299°01′00″167°45′36″123°11′24″189°20′56″225.860172.570139.030附合導(dǎo)線計(jì)算略圖附合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算附合導(dǎo)線計(jì)算附合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算附合導(dǎo)線計(jì)算示例（書上示例）附合導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算

1、前方交會法已知:A(xA,yA),B(xB,yB)觀測值：兩個已知點(diǎn)處的水平角和。求:P點(diǎn)的坐標(biāo)xP

,yP

計(jì)算公式如下：5.2.2交會法定位2、側(cè)方交會法已知:A(xA,yA),B(xB,yB)觀測值：一個已知點(diǎn)處的水平角和待定點(diǎn)處的水平角γ

。計(jì)算：先求第三角

=1800-(+γ)然后再按下式計(jì)算P點(diǎn)的坐標(biāo)。3、后方交會法已知點(diǎn)：A，B，C觀測值：夾角和。輔助量：r=360°-(+)求：XP，YP第一步：計(jì)算A,B,C角ABCaPβr第二步：計(jì)算權(quán)系數(shù)第三步：計(jì)算待定點(diǎn)P的坐標(biāo)

圖中，A，B點(diǎn)坐標(biāo)已知，P為待定點(diǎn)，若測量了邊長a和b，則根據(jù)A，B點(diǎn)坐標(biāo)及邊長a和b，可以計(jì)算P點(diǎn)的坐標(biāo)，這種方法稱邊長交會法，隨著電磁波測距儀的普及，邊長交會將會成為一種常用的交會方法，測邊交會有兩邊交會，三邊交會或四邊交會，基本的圖形為兩邊交會如圖。aAPBbD4、邊長交會法同GPS,空間后方邊長交會。作業(yè)P127-3、4

兩邊交會圖形的未知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為

式中：

對于三邊交會，可以通過取兩條近似正交的邊求出P點(diǎn)坐標(biāo)，然后以第三條邊邊長C作檢核，用下式計(jì)算：

C的計(jì)算值應(yīng)等于實(shí)測值。

第五章控制測量與定位測量§5-1控制測量概述§5-2定位測量基本方法§5-3全站儀測量§

5-4

GPS定位測量可以進(jìn)行角度測量(水平角、豎直角)和距離測量(斜距、平距、高差)；測距系統(tǒng)光軸與測角系統(tǒng)視準(zhǔn)軸同軸；顯示測點(diǎn)的角度(方向值)、距離、高差或三維坐標(biāo)；具有后方交會、放樣、偏心、懸高、對邊等高級測量功能；具有較大容量的內(nèi)部存儲器，可以存儲測點(diǎn)的點(diǎn)號、編碼、三維坐標(biāo)；

可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊；高精度全站儀測角精度達(dá)0.5秒，測距精度達(dá)(1+1PPM)；可以實(shí)現(xiàn)無棱鏡測距；與計(jì)算機(jī)聯(lián)合組成的智能觀測系統(tǒng)（測量機(jī)器人）已面市。與GPS組合成超級全站儀（超站儀）

全站儀是集電子測角、光電測距及微處理器于一體，能夠進(jìn)行水平角測量、豎直角測量、距離測量和具有計(jì)算、顯示、存貯及與計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊等功能的儀器。

由于這種儀器可以完成測站上所有的測量和計(jì)算工作，故被稱為“全站儀”(TotalStation、全站型電子速測儀)徠卡TCA2003NikonDTM-502TOPCONGTS-330N南方NTS662

徠卡TPS400索佳set230RPENTAXR-202索佳SET2110超站儀全站儀的構(gòu)造智能型全站儀LeicaTCA2003特點(diǎn)：自動無人值守觀測，全天候觀測。全站儀的構(gòu)造徠卡全站儀發(fā)展簡史

19821986199119941999

TC2000單軸補(bǔ)償彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

T3000雙軸補(bǔ)償彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

TC1610雙軸補(bǔ)償菜單功能鍵操作

TPS1000雙軸補(bǔ)償軟功能鍵操作(圖標(biāo)操作)自動目標(biāo)識別

TPS1100雙軸補(bǔ)償軟功能鍵操作(圖標(biāo)操作)自動目標(biāo)識別

無合作目標(biāo)測距5.3.1全站儀的基本結(jié)構(gòu)框圖光電測角系統(tǒng)光電測距系統(tǒng)雙軸補(bǔ)償系統(tǒng)垂直角水平角斜距ΔV.ΔH微處理器鍵盤顯示器數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器輸入輸出接口電子經(jīng)緯儀+光電測距儀+內(nèi)置微處理器

發(fā)展方向：

全站儀一般都有一個六針圓孔的RS-232接口，通過專用電纜可以方便地與筆記本電腦或掌上電腦相連，在相應(yīng)的繪圖軟件支持下，實(shí)現(xiàn)野外電子平板測圖。如清華三維的EPSW2000和EPSCE等。也可將野外采集的測量數(shù)據(jù)直接存儲在全站儀內(nèi)，作業(yè)完成后用專用通訊電纜將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)里，通過繪圖軟件處理后，由繪圖儀直接出圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的成圖自動化。南方測繪儀器公司CASS系列軟件就是這類成圖軟件。全站儀內(nèi)置式的存儲器和存儲卡與早期全站儀使用的功能單一的電子手簿相比，具有容量大，功能多，速度快，操作方便，安全，可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此漸成主流。

全站儀的使用：不同儀器使用方法稍有差別。5.3.2全站儀在工程中的應(yīng)用

普通工程型全站儀除了具有同時測量距離和角度的基本功能外，還具有三維坐標(biāo)測量、、施工放樣測量、后方交會測量、對邊測量、懸高測量、偏心測量等高級功能。但象后方交會測量、對邊測量、懸高測量、偏心測量等功能應(yīng)用不多。⑴三維坐標(biāo)測量(coordinate)—測繪

如圖，A、B為已知點(diǎn)，在A點(diǎn)上設(shè)站并輸入其坐標(biāo)及儀器高和棱鏡高后，后視B點(diǎn)并輸入其坐標(biāo),完成定向后（選擇好模式，設(shè)置好儀器）,瞄準(zhǔn)P點(diǎn)處棱鏡并觀測，儀器即可顯示待定點(diǎn)P的三維坐標(biāo)。三維坐標(biāo)測量后方交會測量⑵后方交會測量(Resection)

如圖，全站儀安置在一待定點(diǎn)上，觀測兩個以上已知點(diǎn)的角度和距離，并分別輸入各已知點(diǎn)的三維坐標(biāo)和儀器高、棱鏡高后，全站儀即可計(jì)算出測站點(diǎn)的坐標(biāo)。并可根據(jù)需要，設(shè)置好方位角。本功能也稱作自由設(shè)站法。(3)對邊測量(RDM(remotedistancemeasurement))

如圖，在任意位置設(shè)站，分別瞄準(zhǔn)兩個目標(biāo)點(diǎn)棱鏡并觀測其角度與距離，全站儀即可計(jì)算出兩目標(biāo)點(diǎn)間的平距、斜距、高差和坡度。對邊測量懸高測量(4)懸高測量(REM(remoteelevationmeasurement))

如圖，要測量某些不能設(shè)置棱鏡的目標(biāo)（如高壓線、懸崖）的高度時，可在目標(biāo)的正上方或正下方安置棱鏡，并輸入棱鏡高h(yuǎn)1。瞄準(zhǔn)棱鏡并觀測后，再瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)，全站儀即可顯示被測目標(biāo)的高度H。(5)放樣測量S.O(setting-out)—測設(shè)

如圖，Α、Β是已知點(diǎn)，在A點(diǎn)上安置全站儀，并輸入A點(diǎn)坐標(biāo)、儀器高和棱鏡高，后視B點(diǎn)，再輸入其坐標(biāo)，即完成定向工作。將要測設(shè)的角度和邊長（或坐標(biāo)值）輸入全站儀，固定照準(zhǔn)部于測設(shè)的方位角上，指揮棱鏡進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡十字絲中心并作上下、前后移動，使實(shí)測距離與測設(shè)距離相等（或差值為零），此時棱鏡所在的位置就是測設(shè)的點(diǎn)位。放樣測量偏心測量⑹偏心測量(OffSet)—同懸高測量。因是一個平面內(nèi)，一個豎直面內(nèi)。

如圖，若待定點(diǎn)不能安置棱鏡，則可將棱鏡安置在此待定點(diǎn)一側(cè)，并構(gòu)成等邊三角形。瞄準(zhǔn)偏心點(diǎn)的棱鏡并觀測；再瞄準(zhǔn)待定點(diǎn)，全站儀即可顯示出待定點(diǎn)坐標(biāo)。

隨著光、機(jī)、電、磁等現(xiàn)代科技的發(fā)展，新型全站儀集成了更多新的功能：如激光對中器，即使在黑暗的環(huán)境中也可獲得很高的對中精度；又如激光導(dǎo)向系統(tǒng)，在放樣測量中，可引導(dǎo)司鏡員快速進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)；有些以激光為光源的全站儀，還可在短距離內(nèi)（100米左右）實(shí)現(xiàn)高精度的無反射棱鏡測距，在建筑、橋梁和隧道工程的施工中得到廣泛應(yīng)用。至于具有強(qiáng)大應(yīng)用軟件支持的智能型全站儀(測量機(jī)器人），更使得諸如核電站反應(yīng)堆外殼形變、水利水電工程大壩形變和礦山的巖移等工程的自動化變形監(jiān)測成為可能。全站儀成為現(xiàn)代建設(shè)工程的質(zhì)量和效率之源。

第五章控制測量與定位測量§5-1控制測量概述§5-2定位測量基本方法§5-3全站儀測量§

5-4

GPS定位測量GPS系統(tǒng)組成GPS

定位原理GPS

定位方法GPS技術(shù)的應(yīng)用

GPS是美國國防部1973年開始研制，歷經(jīng)20年耗資300億美元,1993年24顆工作衛(wèi)星進(jìn)入軌道，GPS計(jì)劃完成。

GPS由于具有較多優(yōu)點(diǎn)（全球性、全天候、連續(xù)的三維測速、導(dǎo)航、定位、授時能力、自動化、高精度），GPS定位技術(shù)應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，測量只是其中之一。5.4.1GPS系統(tǒng)組成

空間部分

提供星歷和時間信息發(fā)射偽距和載波信號提供其它輔助信息用戶部分

接收衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息地面控制部分

中心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌

系統(tǒng)功能?導(dǎo)航?定位?測速?授時

1994年GPS全面進(jìn)入正式運(yùn)行階段，空間衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，大致均勻分布在6個軌道面上，每個軌道面上均布有4顆衛(wèi)星。其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。軌道面相對于地球赤道面傾角為55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°。軌道平均高度為20200公里，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分，在1998年就有27顆GPS衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行。1.空間GPS衛(wèi)星星座

在世界任何時候、任意地點(diǎn)至少可接收到4顆衛(wèi)星信號，多則可達(dá)11顆衛(wèi)星信號，我國一般可接收到5~6顆衛(wèi)星。GPS是基于精確計(jì)時的定位系統(tǒng)：高精度原子鐘是GPS衛(wèi)星的核心部件。每顆衛(wèi)星上裝有4個原子鐘，以標(biāo)準(zhǔn)頻率為GPS定位測量提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。BlockIIRBlockII/IIABlockIIFGPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星的主要功能

1）接受和儲存地面控制站發(fā)送的信息，執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令；

2）微機(jī)處理機(jī)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理；

3）通過原子鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)；

4）以（1575.42MHz）、（1227.60MHz）兩種載波向用戶發(fā)送導(dǎo)航和定位信息。GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成GPS衛(wèi)星信號測距碼數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文）載波P碼（Y碼）C/A碼L1載波L2載波偽隨機(jī)碼L波段L1載波L2載波

衛(wèi)星由于受到地球引力、太陽、月亮及其他星體引力、太陽光壓、大氣阻力和地球潮汐力等因素的影響，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道會發(fā)生攝動，地面監(jiān)測系統(tǒng)就是了解衛(wèi)星的工作狀態(tài)并及時調(diào)整衛(wèi)星運(yùn)行軌道等的工作。地面監(jiān)測系統(tǒng)包括1個主控站，3個注入站和5個監(jiān)測站，分布在美國本土和其國外空軍基地，其具體分布見圖5—3。

圖5—3地面監(jiān)測站分布

2.地面監(jiān)測部分主控站的作用：收集監(jiān)測站所測得的偽距和積分多普勒觀測值、環(huán)境要素等數(shù)據(jù)；計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷（軌道參數(shù)）、時鐘改正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導(dǎo)航電文，傳送到主控站?？刂坪捅O(jiān)視其它站的工作情況并管理調(diào)度GPS衛(wèi)星。注入站的作用：將主控站傳來的導(dǎo)航電文，用微波作載波，分別注入到相應(yīng)的GPS衛(wèi)星中，通過衛(wèi)星將導(dǎo)航電文傳遞給地面上的用戶。由于導(dǎo)航電文是GPS用戶所需要的一項(xiàng)重要信息，通過導(dǎo)航電文才能確定出GPS衛(wèi)星在各時刻的具體位置，因此注入站的作用是很重要的。監(jiān)測站的任務(wù)：為主控站編算導(dǎo)航電文提供原始觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站上都有GPS信號接收機(jī)對所見衛(wèi)星作偽距測量和積分多普勒觀測，采集環(huán)境要素等數(shù)據(jù)，經(jīng)初步處理后發(fā)往主控站。

用戶設(shè)備部分可分GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。GPS接收機(jī)主要由天線、微處理機(jī)及其終端設(shè)備、電源組成。GPS接收機(jī)主要任務(wù)是接收、跟蹤、變換和測量衛(wèi)星信號，以獲取必要的定位信息和觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出測站的三維坐標(biāo)，完成導(dǎo)航與定位任務(wù)。按用途可分導(dǎo)航型和測地型兩類。測地型GPS接收機(jī)按頻率分可分單頻機(jī)和雙頻機(jī)。3.用戶設(shè)備部分導(dǎo)航型：用于運(yùn)動載體的導(dǎo)航，實(shí)時測出載體的位置、速度。分手持型、車載型、機(jī)載型、星載型。絕對定位，精度低，賤。測地型：用于大地測量、工程測量等。相對定位，精度高，貴。分為

單頻機(jī)：接收L1載波，不能消除電離層延遲影響，短基線定位。

雙頻機(jī)：接收L2載波，能消除電離層延遲影響，長基線定位。

用戶設(shè)備作用：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得觀測時刻接收機(jī)天線相位中心的位置坐標(biāo)。

用戶設(shè)備部分：包括GPS接收機(jī)、天線、數(shù)據(jù)處理軟件包、硬件。GPS接收機(jī)有多種類型，對于大地測量而言應(yīng)用的有單頻接收機(jī)或雙頻接收機(jī)，后者可作精密測量，定位精度高。信號接收機(jī)

基本結(jié)構(gòu)主體（天線、信號接收機(jī)）控制顯示裝置記錄裝置附件（電池等）十多個國家，60多家公司生產(chǎn)，300多種型號的接收機(jī)。5.4.2GPS定位原理距離觀測值—①偽距觀測值②載波相位觀測值

空間后方距離交會

通過測量衛(wèi)星發(fā)射的信號至接收機(jī)的傳播時間，得到衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，然后根據(jù)多個（4個）這樣的距離來解算接收機(jī)天線所在的位置坐標(biāo)。1.GPS偽距測量由于測定時間時存在衛(wèi)星鐘誤差、接收機(jī)鐘誤差及衛(wèi)星信號在電離層和對流層中傳播的延遲誤差，接收機(jī)測定的ρ是有誤差的，所以通常稱求得的距離為“偽距”,用表示。因此,測站至衛(wèi)星的幾何距離為：偽距測量的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：是數(shù)據(jù)處理簡單，對定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問題，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位；

缺點(diǎn)：觀測值精度低，C/A碼（粗測碼）偽距觀測值的精度一般為3米，而P碼（精測碼）偽距觀測值的精度一般也在30個厘米左右，從而導(dǎo)致定位成果精度低，另外，若采用精度較高的P碼偽距觀測值，還存在AS政策（限制絕對定位）的問題。

2.載波相位測量

載波相位測量是高精度觀測數(shù)據(jù)的方法。載波相位定位所采用的觀測值為GPS的載波相位觀測值，即L1、L2或它們的某種線性組合。通過測定衛(wèi)星載波信號在衛(wèi)星處某時刻的相位與該信號到達(dá)待定點(diǎn)天線時刻的相位間的相位差：（5－4－4）式中：N——信號的整周數(shù)；——不足整周數(shù)的相位差。衛(wèi)星與待測點(diǎn)天線間的距離則為：

(5－4－5）式中：——波長。

相位測量只能測定不足一個整周數(shù)的相位差，無法直接測定整周數(shù)，因此這種載波相位測量的解算比較復(fù)雜。載波相位測量是利用衛(wèi)星載波波長為單位進(jìn)行量度的，衛(wèi)星載波波長=19.03cm，波長=24.42cm，如果測相（比相）的精度達(dá)到百分之一周期，則測量的分辨率分別可達(dá)0.19cm，和0.24cm，測距中誤差分別為（3mm~5mm）和（3mm~7mm），從而保證了測量定位精度。

優(yōu)點(diǎn)：觀測值的精度高，一般優(yōu)于2個毫米。

缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，存在整周模糊度的問題。

現(xiàn)有GPS接收機(jī)多采用載波相位測量載波相位測量的優(yōu)缺點(diǎn)5.4.3GPS定位方法定位方式依觀測值分:偽距載波相位依待定點(diǎn)狀態(tài)分:靜態(tài)定位動態(tài)定位依定位模式分:絕對定位(單點(diǎn)定位）相對定位（差分定位）依定位結(jié)果時間分:實(shí)時定位非實(shí)時定位--依載波頻道數(shù)分:單頻雙頻絕對定位實(shí)時偽距差分(RTD)實(shí)時載波相位差分(RTK)載波相位平滑偽距差分事后差分網(wǎng)絡(luò)RTK廣域網(wǎng)差分(SBAS差分)靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位動態(tài)定位靜態(tài)定位（經(jīng)典、精密）動態(tài)定位（經(jīng)典、精密）定位模式相對定位差分定位1.靜態(tài)定位

所謂靜態(tài)定位，就是在進(jìn)行GPS定位時，認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個觀測過程中的位置是保持不變的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機(jī)天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式多臺接收機(jī)在不同的測站上進(jìn)行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時甚至數(shù)十小時不等。靜態(tài)定位是待定點(diǎn)相對于周圍固定點(diǎn)無相對運(yùn)動的GPS定位方法，通過大量的重復(fù)觀測，高精度測定GPS信號傳播時間，根據(jù)已知GPS衛(wèi)星瞬間位置，準(zhǔn)確確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)。靜態(tài)定位多余觀測量大、可靠性強(qiáng)、定位精度高，是測量工程中精密定位的基本方法。2.動態(tài)定位

所謂動態(tài)定位，就是在進(jìn)行GPS定位時，認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個觀測過程中的位置是變化的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機(jī)天線的位置作為一個隨時間的改變而改變的量。動態(tài)定位是待定點(diǎn)相對于周圍固定點(diǎn)顯著運(yùn)動（相對于地球運(yùn)動）的GPS定位方法，以車輛、艦船、飛機(jī)和航天器為載體，實(shí)時測定GPS信號接收機(jī)的瞬間位置，定位精度低。它發(fā)展速度最快，應(yīng)用較廣，尤其是實(shí)時動態(tài)（RTK）測量系統(tǒng)，是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的一種新的定位方法。

基本做法是在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī)，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時發(fā)送給動態(tài)用戶觀測站，從而可實(shí)時高精度地解算用戶站的三維坐標(biāo)。從動態(tài)定位的精度來看，可分20m左右的低精度，5m左右的中等精度，0.5m左右的高精度定位。在測得運(yùn)動載體的實(shí)時位置的同時，測得運(yùn)動載體的速度、時間和方位等狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而引導(dǎo)運(yùn)動載體駛向預(yù)定的后續(xù)位置，稱之為導(dǎo)航。導(dǎo)航是一種廣義的動態(tài)定位。

精度

10-30m

單機(jī)定位用于導(dǎo)航，其定位精度大約在10到30m左右，觀測值可為偽距或相位差。3.GPS單點(diǎn)定位（絕對定位）受AS政策的影響，定位精度低。