,GPS培训讲座 GPS测地应用武汉天宝 2007.6,GPS测地应用,一、测量定位的基本概念 二、三项 基 本 测 量工作 三、GPS 测 地定 位 原理 四、GPS 测 地 作 业模式 五、坐 标、高 程 转 换 六、GPS 测 量 网 施 测 七、GPS 的 局 限 性,1、地球与数字地球 2、测量工作的实质 3、点位的数学描述,一、测量定位的基本概念,1、 地球与数字地球 地球自然体,电离层 70km以上,平流层,对流层, 岩石圈 水 圈 大气圈 生物圈,地球自然体, 数字地球虚拟地球 二维地球： 公元前27世纪苏美尔人的陶片地图 中国西晋裴秀的禹贡地域图、地形方丈图 18世纪法国卡西尼父子完成的1：56000地形图 三维地球： 1909年美国W.赖特拍摄的第一张航空照片 1930年中国钱塘江首次航空摄影测量 1957年前苏联第一颗人造卫星上天 二十世纪70年代卫星遥感图象185km185km全球覆盖, 数字地球虚拟地球 虚拟地球: 1981年美国阿尔 . 戈尔提出“信息高速公路”概念 1993年美国将“信息高速公路”定名为“国家信息基础设施” 1994年美国提出“全球信息基础设施” 1998年可获得分辨率 1m的卫星多波段遥感图象 计算计硬软件的发展、海量存储， Internet网络，Web 地理信息系统（GIS），GPS、RS（遥感） 3S技术 空间数据框架、多维信息空间GIS与Web的结合 中国数字地球： 空间数据框架：1：100万地形图，水系、道路、居民地等16个层面 地理空间数据：大地测量控制、正射影像、地形高程、交通水文境界地藉 GPS是建立数字地球的采数工具,2、测量工作的实质,测量学是定位科学 绝对定位和相对定位 绝对定位直接获得点位坐标 相对定位三要素:距离、水平角度、高差 点、线、面、体是三维空间的几何要素 点位是描写位置与几何关系的基本几何要素 测量工作的成果是点的坐标,3、空间点位的数学描述 平面投影基准参考椭球体,参考椭球体,地球自然体 大地水准面,旋转椭球体,参数 参考椭球 的 形状 与 大小： 长半径 a 偏 率 f 参考椭球与地球的相关性： 定位： X、Y、Z 定向： RX、RY、RZ,坐标与坐标系统地心地固（ECEF）直角坐标系,ECEF直角坐标系三轴： X、Y、Z 点位描写： Xi、Yi、Zi,赤道,格林威治子午线,大地坐标系：纬度、经度、大地高（椭球高）, 大地坐标系,纬度,经度,椭球高,带区投影直角坐标系,带区投影直角坐标：Ni 、 Ei 标准分带：有3带、6 带之分， 规定中央子午线经度 带区投影参数： 中央子午线经度（带号） 中央子午线尺度比 原点纬度 原点北移值 原点西移值 按投影参数的选定： 有标准带区 自定义带区,N,E 赤道,中央子午线,Ei I Ni,O,500 km,墨卡托投影 K=0. 9996,高斯投影 K=1. 0000,高斯投影与墨卡托投影,地平坐标系（假定平面直角坐标系）,点的地平坐标描述 ： xi 、yi 适用于地面假定平面直角坐标系 （建筑坐标系、工程坐标系）,O,x,y,O,高程与高程系统大地水准面与似大地水准面高程投影基准, 大 地 水 准 面 不规则几何体 平 均 海 水 面 重 力 等 位 面 正 高 起 算 面 似大地水准面 与大地水准面接近 正 常 高 起 算 面 我国采用正常高系 1956黄海高程系统 1985国家高程基准,大地水准面,地球自然体,地面点的高程,大地高 （h） 地面点沿法线方向到参考椭球的间距 正 高 （H）地面点沿重力方向到大地水准面的间距 正常高 （H）地面点沿重力方向到似大地水准面的间距,地面 大地水准面 参考椭球面,二、三项基本测量工作 1、常规测量之一（光、机式） 2、常规测量之二（光、机、电式） 3、GPS测量（电子式） 4、GPS 技术使测地工作发生重大变革,二、 三项基本测量工作 1、常规测量之一（光、机式） 长度距 离 丈 量钢尺（机械比长） 角度水平角测量经纬仪（光学） 高差水 准 测 量水准仪（光学） 记录手 工 方 式记录手簿 2、常规测量之二（光、机、电式）电子全站仪 长度红外光电测距（光电） 角度编码度盘（光电） 高差测距三角高程（光电） 记录电磁方式,3、GPS测量（电子式） 接收GPS信号基线向量（弦长、方位角、 大地高差） 记录自动,4、GPS 技术使测地工作发生重大变革 电子式（GPS） 光机电式（全站仪） 光机式（经纬仪） 机械式（钢尺）,三、 GPS测地定位原理,1、 空 间 距 离 后方交会 2、 GPS 的 测 距 信 号 3、 GPS 系 统 的 组 成 4、 GPS 的 原 子时系统 5、 精 确 测 时 精 确测距 6、 生产基线向量 的工艺 7、 GPS 测 量 的误差源,1、空间距离后方交会 GPS单点定位原理,空间距离方程 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 测点点位坐标 Xi、Yi、Zi卫星星历（坐标） 1、 1、 1 观测所得伪距,1,2,3,4,S1,S3,S4,S2,（X、Y、Z）,2、 GPS的 测 距 信 号,P 码 军用精密导航定位测距码 （保密） C/A码 捕获 P 码的工具，用于民用导航定位 D 码 数据码 L1载波 频率 1575 MHz，运载工具。 L2载波 频率 1227 MHz，运载工具， 电离层延迟探测工具。,3、 GPS卫星系统组成,星座：29颗 GPS卫星。 分布： 6 轨道。 运行周期： 11 小时 58 分。 主要功能：播发 GPS信号。 L1载波C/A码、P1码、D码 L2载波P2码、D码 监控站 . 主控站 监控站 注入站,4、 GPS的原子时系统,GPS是基于精密测时的定位系统。 精密的时间系统是GPS的基础。 时间系统包含时间尺度、时间原点与计时方式。 GPS采用原子时为尺度、以1980年1月6日0时为原点、以周与周秒的方式计时。 时刻是时间坐标点。 UTC是协调世界时，其时间尺度为原子时、其时间原点（格林威治）、计时方式（年月日、时分秒）与世界时一致。 世界时与UTC时是GPS的实用参考。,5、 GPS以精确测时实现精确测距,C/A 码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符。 在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A 码，比对测时。,复 制,来自卫星,t, 复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。 码相位测距类似于脉冲式光电测距。 P 码测距与 C/A 码测距原理相同码相位式。,t 信号传播时间 站星距离 = c t,6、同步观测是生产基线向量的工艺,相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是基线向量。 观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步的体现。,B A,7、 GPS 测量的误差源,卫 星 钟 差某时刻原子钟与GPS时之差 星 历 误 差卫 星 轨 道 误 差 接收机钟差某时刻石英钟与GPS时之差 操 作 误 差对 中 、 整 平、量 天 线 高 电离层、对流层延迟群 折射路径延长 多 路 径 效 应 影 响多 路 反 射 波,四、GPS 测地作业模式,1、什 么 是 整 周 模 糊 度 2、静态 与 快 速 静态模式 3、准 动 态 与 动 态 模 式 4、实时动态（RTK）模式 5、基 线 向 量 的 数学描述 6、GPS 基 线 向 量 的解算 7、基 线 质 量 可 靠性检核,1、什么是整周模糊度,载波相位观测量 (t0) = (t0)/(2)+N (t1) = (t1) /(2)+ I(t1)+N 波长 N整周模糊度,S(t0),S(t1),N N (整周模糊度),(t0),(t1),I(t1),2、静态与快速静态模式 同步图形,两台 接收机 n=2 三台 n=3 五台 n=5 全组合基线数 四台 N=n(n-1)/2 n=4,静态与快速静态模式的特点,静态模式 整周模糊度作为未知数的经典算法 用于各等级控制测量，高精度测量 快速静态 整周模糊度快速逼近技术（FARA） 适宜于短基线，一般控制测量,3、准动态与动态模式 作业模式,基准站 已知点,1,2,3,流动站,已知基线反求 整周模糊度,准动态与动态模式的特点,准动态与动态 利用已知基线反求整周模糊度 流动站 对环境条件要求较高 准动态属走走停停式，用于碎部测量 动态属连续运动式，用于路线连续采点, RTK 的特点,基 准 站 连续观测 数据链电台 传送观测数据 OTF 算 法 行进过程中初始化 实 时 获取坐标监视精度 电 子 手 簿 用户界面 智能化水平 电子手簿应用软件 用 途 碎部测量、细部放样、 界址点测量.,5、基线向量的数学描述,基线向量的几何原型是两观测站点之间的直线（弦线）。 基线向量在地心地固直角坐标系下的数学描述： 坐标差 X、 Y、 Z 基线向量在大地坐标系下的数学描述： 大地线长度 S、大地方位角 A、大地高差 h 或， L、 B、 h 基线向量在高斯投影直角坐标下的数学描述： 平距 D、坐标方位角 基线向量在地平坐标系下的的数学描述： 平距 DP、坐标方位角P、天顶距 ZP,6、GPS基线向量的解算,相对定位的原始观测量主体是载波相位数据。 具有同步观测时间段是获得基线解的先决条件。 基线向量一般由厂商提供的专用软件解算。 基线向量解是 GPS 相对定位几何三要素。 GPS测地型接收机是定位三要素数据采集器。,7、基线质量可靠性检核,静态模式基线向量以求差法解算。 基线固定解可靠性高，可大胆取用。 基线浮动解约有 1/3 可靠。 同步环闭合差检核是判定基线可靠性的参考，闭合差超限的同步环中可能有合格的基线。 异步环闭合差检核是判定基线向量的有效手段。,五、坐标、高程转换,1、实用定位 坐 标 系统 2、同 系 统 下 的 变 换 3、坐 标 系 之 间的转换 4、求 解 坐 标 转换参数 5、大地高转换为正常高,1、实用定位坐标系 世界大地坐标系 WGS-84, WGS-84系： 椭球几何参数 长半径 a = 6378137 m 短半径 b = 6356752.310 m 扁 率 = 1/298.257223563,b a,GPS所采用的定位坐标系, 1954北京坐标系, 1954北京坐标标系 克拉索夫斯基椭球几何参数 长半径 a = 63782