GPS培训讲座

GPS培训讲座GPS测地应用武汉天宝2007.6GPS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185km185km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NE赤道中央子午线EiINiO500km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）•OxyO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4S1S3S4S2（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1575MHz，运载工具。L2载波——频率1227MHz，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t6、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。BA7、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)NN(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（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123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ZP6、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=6378137m短半径b=6356752.310m扁率=1/298.257223563baGPS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=6378245m短半径b=6356863.0188m扁率=1/298.3ba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=6356755.2882m扁率=1/298.257ba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1980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OAoaRH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）/R2、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、Y、ZL、B、hB=arctg[tg(1+ae2sinb/Z/W)]L=arctg(Y/X)h=R(cos/cosB)-N其中：=arctg[Z/(X2+Y2)1/2R=(X2+Y2+Z2)1/2BLZXYXPPYPZP大地坐标系地心地固直角坐标系L、B、hX、Y、ZX=(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）/a2BLZXYXPPYPZP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：0~6，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)•XXoX•Y=Yo+(1+