1、,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
2、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
3、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,
4、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 INi,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
5、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
6、、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（
7、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)2X、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
8、,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
9、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
10、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
11、、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)/2n=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
12、（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
13、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
14、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,ba,GPS所采用的定位坐标系, 1954北京坐标系, 1
15、954北京坐标标系 克拉索夫斯基椭球几何参数长半径 a = 6378245m 短半径 b = 6356863.0188 m 扁 率 = 1 / 298. 3,ba,我国当前的实用坐标系, 1980西安坐标系, 1980西安坐标系IAG-75 椭球的几何参数长半径 a = 6378140m 短半径 b = 6356755.2882 m 扁 率 = 1 / 298.257,ba,我国采用的坐标系,新1954北京坐标系,原 1954北京坐标系的成果属分区局部平差成果。1980西安坐标系的成果是经整体平差后的成果。原54北京系与80西安系定位基准与平差不同，大地控制点坐标差异较大，最大达 2米。将19
16、80西安坐标系的成果换算到克拉索夫斯基椭球上形成 “新 1954北京坐标系 ” ，此系与原系只有参考椭球一致，而椭球的定位、定向与80西安系相同。,与北京54有联系的自定义坐标系,测区高程面,参考椭球面,O A o a,R,H,参考椭球及其定位、定向与标准 BJ54系一致。自定义投影参数： 中央子午线 、原点纬度 投影高程面(或中央子午线尺度比) 坐标原点西移 、北（南）移值取一个坐标参考点，其坐标与标准BJ54一致.No=NO；Eo=EO自定义坐标与标准BJ54坐标的关系：Na=k NA；Ea=k EAK= （R+H）/R,2、同系统下不同坐标形式的变换 地心地固直角坐标系 大地坐标系,X、
17、Y、Z L、B、hB =arc tg tg(1+a e2 sin b/Z/W)L = arc tg(Y/X) h = R (cos / cosB) - N其中： = arc tg Z / ( X2 + Y2 ) 1/2 R= ( X2 + Y2 + Z2 ) 1/2,BL,Z,X,Y,XP,P,YP,ZP,大地坐标系地心地固直角坐标系,L、B、h X、Y、Z X = ( N+h) cosB cosLY = ( N+h) cosB sinLZ = N(1 - e2) + h sinB其中：N= a / WW=（1 - e2 sin2B）1/2e2=（a2 - b2）/ a2,BL,Z,X,Y,X
18、P,P,YP,ZP,高斯直角坐标系大地坐标系 Ni、Ei Li、Bi,高斯正形投影 正形（等角）投影变换。 中央子午线投影为纵坐标轴。 中央子午线投影尺度比为 1。 中央子午线外存在长度变形，距中央子午线越远变形越大。 长度变形尺度比：m= 1 + E2 /（ 2 R2） 分带（带区）投影6度带：06 ，6 12 .3度带：0 3 ，3 6 .,3、坐标系之间转换的数学模型 布尔沙模型 ( 7参数 ),X Xo X Y = Yo +(1+m) R() Y Z 54 Zo 54 Z 84,WGS84 BJ54 （或 XA80）,Z54 Z84 PO84X84 Y84 Y54O54X54,54坐标
19、 尺度因子 84坐标平移量 旋转矩阵,求解空间直角坐标转换参数的考虑,GPS的定位测量结果是基于 WGS-84系下某参考点的坐标。 欲将所测点的 WGS-84坐标直接转换为地方坐标，必须提供坐标转换参数采用大地联测的方法，根据公共点（至少三个）的坐标差反求转换参数。转换参数的质量取决于： 联测点数量 已知点精度 联 测 精 度 联测点分布 解 算 方 法,4、大地高转换为正常高 高程异常,大地水准面 地面, 大地高地面点沿法线方向到参考椭球面的间距（h） 正 高地面点重力方向 到大地水准面的间距（H） 正常高地面点重力方向 到似大地水准面的间距（H） 高程异常似大地水准面到参考椭球面的间距（N
20、） 大地高、正常高、高程异常关系式H= h - N,参考椭球, GPS水准法高程拟合,似大地水准面 拟合面 参考椭球面,平面拟合示例( 3个 联测点 6个 ),联测已知高程点建立回归方程：1= a x1 + b y1 + c2= a x2 + b y2 + c3= a x3 + b y3 + c. 解算方程反求系数 a、 b 、 c 建立拟合面方程 = a x + b y + c 内插GPS点的高程异常值ii= a xi + b yi + c 计算GPS点的正常高Hi=hi - i,地球重力场模型 大地水准面模型 GPS 高 程 法Hi = hi - i Hik= hik + ik Hk =
21、Hi + Hik, GPS高程法大地水准面模型,六、GPS测量网施测,1、控制测量网 2、布 网 原 则 3、连 网 方 式 4、已知点配置 5、外 业 观 测 6、施 测 调 度 7、GPS 网 评 论,1、常规控制网与GPS测量网常规控制网导线网测量全部转角和导线边长三角网测量全部三角形内角和部分起算边长三边网测量全部三角形边长边角网测量全部或部分内角和边长混合网三角、导线组合 GPS静态测量网组网构件是基线向量边、角，高差全部实测的网 GPS（准）动态、RTK测量网由若干辐射基线组成的支导线网,纯导线型网,纯点连式网,辐射支导线网,1,混连式网,2、静态网布 网 原 则等级与精度：A、B
22、、C、D、E 构网自由：网边无固定连法、图形强度与网形无关 形成闭合环路：整网由若干闭合环组成、无支导线 同步图形连网方式：点连式、边连式、网连式 有一定量的多余基线且分布均衡 选点要求：点位牢固便于操作便于保存、对空通视、回避强电干扰、回避多路径反射源、交通便利 已知点配置合理 顾及到常规仪器要求通视的问题 顾及便于设置RTK基准站问题（若有RTK设备）,3、连 网 方 式,GPS 同步观测是生产基线向量的工艺 同步图形为一个工艺单元 点连式、边连式、网连式，混合使用,点连式,边连式,网连式,4、已知点配置 控制点配置情况,WGS-84 系 地方系的坐标转换“一点”约束：只有平移变换；能保持
23、原 GPS 网精度 “一点 + 一方向”约束：有平移、旋转变换；基本保持原 GPS 网精度。 “两点”约束：有平移、旋转变换、缩放变换；尺度上发生了均匀变异。 “多点”约束：存在多余约束条件，由最小二乘法处理后，使原 GPS 网在位置、形状、大小发生了不均匀性畸变。,已知点配置要素,已知点配置要素：数量、精度及匹配度、分布。已知点数量：不一定越多越好，联测工作量、用途、匹配度、分布、检核。精度及匹配度：精度等级、精度一致性。分布：均衡、测区外围、长定向边。,分布不佳分布颇好,5、外业观测观测参数各接收机观测参数一致性采样率：10s 15s 20s截止高度角：10 15 20最小卫星数：4 颗P
24、DOP 限值：4 7时 段 长：20 60 min观测记录机号、点号、天线高对应量天线高重视天线高量测的正确性,6、施 测 调 度作业流程方式（1） 三机点连推进式（2） 三机边连推进式,A,B,C,A,B,（3）三机交替推进式,A,B,C,A,B,C,（4）三（双）机点连推磨式,1,2,3 迁移中,1 迁移中,（5）三机旋轴式,A,B,C,A,B,C,（6）双机点连追鱼式,（7）双机点连蛙跳式,1,2,2,1,1,2,1,2,2,1,1,2,作业条件交通条件：道路、水路状况道路等级、路面、通航状况交通工具与数量汽车、摩托车、自行车.转站里程与时间选点时注意测定记录 通信条件：对 讲 机通话覆
25、盖域 5 10 km+ 车载台中继站，可加大覆盖域手 机开 通 地 区 效 果 较 好约定时间留出富余时间，只约定关机时间,优化调度原则作业流程方式与网图图形分布的适应性作业流程方式对作业条件的适应性投入机子(GPS) 一般四台可达到投资、生产效率、作业调度有效性的较佳匹配投入机子越多，外业组织调度越复杂,7、GPS测量网评论 静态测量网结构的强度因素,基 线 向 量 构 网 元 件网 形 强 度 与网形无关基线解质量 网强度基础多 余 基 线 改善网强度均 匀 分 布 均衡网精度,自由网平差结果是GPS观测质量的真实写照,测量网存在环路闭合差矛盾，具有几何多义性自由网平差消除了闭合差矛盾，具
26、有几何唯一性自由网平差结果反映了网内部精度，表征了GPS 观测成果的质量,约束平差成果质量取决于已知点的配置,GPS网经自由网平差，具有几何唯一性约束平差的目的： 消除外部约束产生的新矛盾 将测点的 WGS-84坐标转换为地方坐标点位坐标是工程实用坐标成果质量取决于已知点的配置,七、 GPS的局限性,1、期望值与环境条件2、电离层与太阳黑子3、多 路 径 效 应4、遮 挡 条 件5、AS 与 S A 政 策,1、期望值与环境条件,GPS定位技术的兴起引发测地技术的重大变革 GPS接收设备基于无线电通信、电子技术 GPS接收机是测地采数工具（仪器） 测量精度取决于设备状况、环境条件、操作技术 电
27、离层、多路径效应是 GPS 测量的天灾 SA / AS 政策的启用是 GPS 定位的人祸 不能期望GPS测量完美无缺 GPS应用重视技术观念与技术措施,2、电离层与太阳黑子,电离层延迟可引起最大 50 m（天顶方向） 150 m （地平方向） 双频观测可消减电离层延迟的 95 %以上 太阳黑子活动使电离层电子密度倍增，严重影响测距精度 1999 2001是太阳黑子活动周期年，对GPS 测量产生不定期影响 太阳黑子活动期，通信受阻; 静态可能产生 0.1- 0.3m的误差; RTK不能有效初始化。,3、多路径效应,GPS 电磁波经地面物体反射 水域、建筑物有强反射作用 对GPS相对定位影响达分米级 硬件措施有扼流圈天线、抑径盘 软件措施有边缘相关技术、窄相关技术 选好点位，减少多路径影响,4、遮挡条件,接收来自天空卫星的信号，要求对空通视 而常规测量则要求横向通视 越接近天顶方向的卫星信号质量越好 高大建筑物、山体、树干是GPS信号的硬遮挡，无法穿透 能否收到足够的卫星是GPS定位的原理要求 隐蔽地段定位条件的改善有赖于多星座系统 GPS在城区与密林区的应用有一定局限性,谢 谢 合 作,武汉天宝2006.8,
