(附)外观观测仪器简介.ppt

表面变形（外观）观测仪器 1、表面变形观测方法（外观法）概述： 外观法是以被观测物体的表面变形为观测对象的 一种方法。特点：观测点在被观测物体的表面；测点 或仪器具有可接触、可更换、非完全埋入等特点。 外观仪器可分通用仪器和专用仪器 。 通用仪器：光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距 仪、电子全测仪、电子水准仪等。通用仪器主要是工 程测量仪器。 专用仪器：主要应用在精密工程测量领域。其中， 包括机械式、光电式及光机电(子)结合式的仪器或测 量系统。特点是：高精度、自动化、遥测和持续观测 。 如正、倒锤与垂线观测仪、引张线，激光准直仪 、铅直仪、静力水准测量系统等。 1、表面变形观测方法（外观法）概述： 外观法中以精密大地测量技术最为成熟、精度较高，是 目前广泛使用的最有效的外观方法。 精密大地测量技术是从工程测量方法发展起来的。 工程测量的主要功能为定位：测点的三维座标。 精密大地测量的主要功能是：测点三维座标随时间的变 化。其精度要求较高。 对精度要求较高的变形监测，一般应形成变形观测控制网 进行观测，包括水平位移监测网和垂直位移监测网。 变形监测网由三种点（基准点、工作基点、变形监测点 ）和两种等级的网：基准网、次级网（由工作基点、变形监 测点形成）。 观测方法：测距、测角、测水准、准直线等。 视准线、边角网、交会法、导线法等。 第一节 表面变形观测仪器 方 法 监测 仪器 监测方法的特点适用性评价 大地 测量 法 经纬仪 水准仪 测距仪 投入快、精度高、监测范围大、 直观、安全、便于确定滑坡位移 方向及变形速率 适应于不同变形阶段的位移监 测；受地形通视和气候条件影 响，不能连续观测 全站仪 、电子 经纬仪 等 精度高、速度快，自动化程度高 ，易操作，省人力，可跟踪自动 连续观测，监测信息量大 适应于不同变形阶段的位移 监测；适应于变形速率较大的 边坡监测；受地形通视条件的 限制，受气候条件影响较大 近景 摄影 法 陆摄经 纬仪等 监测信息量大，省人力，投入快 ，安全，但精度相对较低 适应变形速率较大的边坡水平 位移及危岩陡壁裂缝变化监测 ；受气候条件影响较大 GPS法 GPS接收 机 精度高投入快，易操作，可全天 候观测，不受地形通视条件限制 ；目前成本较高，发展前景可观 适应于边坡不同变形阶段的地 表三维位移监测 外观法的特点与仪器设备 2、水准仪 水准仪的基本结构及功能 （一）水准测量仪器 水准测量用的仪器、工具： 1.水准仪 水准仪的作用就是提供一条水平视线(视准轴)。 2、水准尺和尺垫 水准尺是水准测量中用于高差量度的标尺，水准尺制 造用材有优质木材、合金材和玻璃钢等几种，有2m，3m， 5m等多种长度和整尺、折尺、塔尺等多种类型。水准尺按 精度高低可分为精密水准尺和普通水准尺。 (1) 普通水准尺 材料：用木料、铝材和玻璃钢制成。 结构：尺长多为3m，两根为一副，且为双面（黑、红 面）刻划的直尺，每隔1cm印刷有黑白或红白相间的分划 。每分米处注有数字，对一对水准尺而言，黑、红面注 记的零点不同。黑面尺的尺底端从零开始注记读数，两 尺的红面尺底端分别从常数4687mm和4787mm开始，称为 尺常数K。即K1=4.687 m， K2=4.787 m。 设尺常数是为了检核用。 2、水准仪 （2）精密水准尺 材料：框架用木料制成，分划部分用镍铁合金做成带状 。 结构：尺长多为3m，两根为一副。在尺带上有左右两排 线状分划，分别称为基本分划和辅助分划，格值1cm。这 种水准尺配合精密水准仪使用。 （3）尺垫（尺台） 水准测量中有许多地方需要设置转点(中间点)，为防 止观测过程中尺子下沉而影响读数的准确性，应在转点处 放一尺垫。尺垫一般由平面为三角形的铸铁制成，下面有 三个尖脚，便于踩入土中，使之稳定。上面有一突起的半 球形小包，立水准尺于球顶，尺底部仅接触球顶最高的一 点，当水准尺转动方向时，尺底的高程不会改变。 2、水准仪 按精度水准仪可分为DS05、DS1、DS3、DS10等几个等级 ： DS05-每千米水准测量的全中误差为0.5 mm，用于 高等级水准测量； DS1-每千米水准测量的全中误差为1.0 mm，用于 高等级水准测量； DS3-每千米水准测量的全中误差为3.0 mm，用于 一般工程测量和地形测量； DS10-每千米水准测量的全中误差为10.0 mm，用 于一般工程测量和地形测量。 DS为“大地”、“水准仪”的汉语拼音缩写。 2、水准仪 水准仪由照准部和基座两部分组成。 1）基座 用于支撑照准部，上有三个脚螺旋，其作用是整平仪器。 2)照准部 照准部由望远镜、水准器和控制螺旋等组成，能绕水准仪的竖轴在 水平面内作全圆转。 望远镜:作用是照准和提供一条水平线(视准轴)，并在水准尺上读数。 水准器：照准部上有两个水准器。个是圆水准器，其水准管轴与竖轴 平行，水准器格值82mm，；另一个是管水准器(又称水准管)，格值 为202mm，用于视准轴精密置平。 控制螺旋：制动螺旋，使照准部固定 水平微动螺旋：用于精确瞄准；微倾螺旋，用于精确整平。 2、水准仪 水准仪的使用方法 （一）水准仪的操作步骤 在安置仪器之前，应选择合适的 地点放好仪器的三脚架，其位置应位于两标尺中间。高 度适中，架头大致水平，上架后的仪器要立即用中心螺 丝固定于三脚架上，脚架要踩实。用水准仪进行水准测 量的操作程序如下：粗平瞄准精平读数 1、粗平 转动脚螺旋，使圆水准器气泡居中，称为粗平。 2、水准仪 2、瞄准 松开制动螺旋，先用望远镜的外瞄准器瞄准水准尺， 制动照准部，调焦使水准尺成像清晰，调目镜使十字丝清 晰，消除视差，该过程称粗略瞄准。在望远镜内找到水准 尺像，再用微动螺旋使十字丝的竖丝与水准尺的一边重合 ，称为精确瞄准。 3、精平 调节微倾螺旋，使水准管观察孔中的两半部分气泡精 确吻合，此时望远镜的视准轴精平。 2、水准仪 4、读数 水准仪精平后，应立即用十字丝的中横丝在水准尺上读 数。读数时先看估读的毫米数，然后以毫米为单位报出四位 读数，如2.753米读成2753，这样读数可防止读、记及计算 中的错误和不必要的误会。 2、水准仪 1、水准点位：水准高程的标志，有永久和临时点两类。 2、两水准点间高差测定的基本方法： 当两水准点间的距离较近，可设站一次测定两点间的高 差，此时水准尺应直接立于水准点上。当两水准点相距较远 ，需在两点间设若干站，分别测出各站的高差，各测站高差 之和，即为两水准点AB间的高差hAB。 2、水准仪 索佳自动安平水准仪 DS30 DS32 等(天津欧波) 苏光DSZ3水准仪 高精度水准仪-美国天宝 徕卡精密水准仪 精密水准仪 威尔持N3型精密水准仪 该仪器物镜的有效孔径为 50mm，望远镜放大倍率为40倍， 水准器格值为102mm。倾斜 螺旋上有分划盘，其转动范围约 七周。转动测微螺旋可使水平视 线在厘米范围内平移，测微器 分划尺相应有100格故测微器分 划尺最小格值为0.1mm。 2、水准仪 1望远镜目镜；2照亮水准气泡的 反光镜；3倾斜螺旋；4调焦 螺旋；5平行玻璃板测微螺旋6 平行玻璃板旋转轴；7水平 微动螺旋；8一水平制动螺旋；9 脚螺旋；10脚架 蔡司 Ni004型精密水准仪 主要持点是对热影响的感应 较小，外界温度变化时，水准轴 与视准轴之间的交角i的变化很小 ，这是因为望远镜、管状水准器 和平行玻璃板的倾斜设备等部件 ，都装在一个附有绝热层的金属 套筒内，这样就保证了水准仪上 这些部件的温度迅速达到平衡。 仪器物镜的有效孔径为56mm，望 远镜放大倍率为44倍。水准器格 值为102mm。 2、水准仪 1望远镜目镜；2调焦螺旋；3概 略置平水准器；4倾斜螺旋；5望 远镜物镜；6测微螺旋；7读数放 大镜；8水平微动螺旋；9脚螺旋 国产Sl型精密水淮仪该仪器是北京测绘仪器厂生产 的。物镜的有效孔径为50mm，望远镜放大倍率为 40倍，水准器格值为102mm。 2、水准仪 瑞士Leica公司生产的 DN03精密数字水准仪 数字水准仪 将编码了的水准尺影像进行处理， 由传感器从望远镜中获得在刻有二进 制条码的专用水准尺上的测量信号， 由微处理器自动计算水准尺上的读数 及仪器到水准尺的水平距离，所测数 据可显示，也可存储在PCMCIA卡上 。 3、经纬仪 按测角精度分： DJ07 一测回水平方向中误差0.7:用于一等三角; DJ1 一测回水平方向中误差1.0:用于一、二等三角; DJ2 一测回水平方向中误差2.0:用于三、四等三角; DJ6 一测回水平方向中误差6.0:用于地形测图、一般工程。 DJ为“大地”、“经纬仪”的汉语拼音缩写。 经纬仪用于测角，包 括水平角和竖直角测量 。 经纬仪的分类： 游标经纬仪、 光学经纬仪 电子经纬仪。 2级光学经纬仪 J2型光学经纬仪有我国苏州光学仪器厂 生产的JGJ2经纬仪，与J2型同等精度的由德国 蔡司厂生产的010经纬仪和瑞土威尔持厂生产 的T2经纬仪等。这些仪器的基本结构和读数 测微原理都是相仿的。 威尔特T2经纬仪测微设备的构造原理是采用双平行玻璃板光 学测微器。T2经纬仪水平度盘格值为20，测微器格值为1。 读数方法是使用测微螺旋使度盘对径分划线重合，然后进行读数 ，这种读数方法一般称为重合法读数。 3、经纬仪 光学经纬仪的结构与功能 1、基座部分 基座构成与功能同水准仪。 2、照准部 照准部是经纬仪的主要部件，照准部部分的部件有水 准管、光学对点器、支架、横轴、竖直度盘、望远镜、度 盘读数系统等。 3、度盘部分 光学经纬仪度盘有水平度盘和垂直度盘，均由光学玻 璃制成。水平度盘沿着全圆从0360顺时针刻画，最 小格值一般为1或30。 3、经纬仪 4、度盘读数装置及读数方法 光学经纬仪的读数系统包括 水平和垂直度盘、测微装置、读数显微镜等几个部分。水平 度盘和垂直度盘上的度盘刻划的最小格值一般为1或30， 在读取不足一个格值的角值时，必须借助测微装置，光学经 纬仪的读数测微器装置有测微尺和平行玻璃测微器两种。 5、水准器 光学经纬仪上有23个水准器，其作用是使处于工作状态的 经纬仪垂直轴铅垂、水平度盘水平，水准器分管水准器和园 水准器两种。 光学经纬仪的结构与功能 3、经纬仪 34 T2 外形 l垂直度盘照明反光镜；2 望远镜制动螺旋；3望远镜 微动螺旋；4垂直度盘水准 管微动螺旋；5水平度盘照 明反光镜；6测微螺旋；7 读数显微镜目镜；8换像 螺旋；9照准部微动螺旋； 10光学对准器。 3、经纬仪 威尔特T2经纬仪测微设备的构造原理是采用双平行玻璃板光 学测微器。T2经纬仪水平度盘格值为20，测微器格值为1。 读数方法是使用测微螺旋使度盘对径分划线重合，然后进行读数 ，这种读数方法一般称为重合法读数。 图35(a)是威尔特T2经纬仪读数显微镜视场图。最近生产的 T2经纬仪，读数显微镜视场略有改进，旋转测微螺旋使对径分划 线重合后按照三角形标志指示直接读出大数，如图35（b） 所示大数为9420，小宽度盘最小分格值半的尾读数为 244，全部读数为94224。 3、经纬仪 35 T2的读书窗 3、经纬仪 国产JGJ2型光学经纬仪的外形和部件说明；图37是JGJ2型 光学经纬仪读数显微镜的视场图。图38是蔡司010型光学经纬仪 的外形和读数显微镜的视场图。它的度盘分划线是双线。 J2外形 1垂直度盘反光镜；2垂直度盘指标 水准器观察镜；3垂直度盘指标水准微 动螺旋；4光学对中器目镜；5水平 度盘反光镜；6望远镜制动螺旋；7 光学粗照准器；8测微螺旋；9望远 镜微动螺旋；10换像螺旋；11照准 部微动螺旋；12水平度盘变位螺旋； 13纵轴固定螺旋；14照准部制动螺 旋；15照准部水准器；16读书目镜 筒 3、经纬仪 37 J2经纬仪的读数窗 38 010型经纬仪外形及读数窗 1 照准部微动螺旋；2度盘换像轮；3 望远镜微动螺旋；4测微轮； 5望远镜制动钮；6光学照准器；7指 标水准器观察棱镜；8望远镜焦环；9 读数目镜；10照准部制动钮 3、经纬仪 利用激光对中器可以快速地对 中仪器，且可通过调激光亮度获得 最理想的光斑。电子气泡也是一个 非常有用的工具，它使整平变得更 简单、精确。大显示屏增加了数据 的易读性。亲切的图标引导您熟练 地操作仪器，轻轻按键即可轻松进 入各设置界面。内置的电子补偿器 提高了测量精度。水平垂直方向皆 使用先进的无限位微动螺旋，没有 制动螺旋，目标照准更流畅自由。 3、经纬仪 电子经纬仪： 目前电子经纬仪已基本取代了光学经纬仪。 名 称 使 用 区 域 精 度 可 靠 性 修 理 效 率 外 型 用途 方便 程度 自动化 程度 价 格 电 子 经 纬 仪 较 发 达 国 家 人 为 误 差 少 较 高 容 易 高 美 观 应用 面广 可配 成全 站仪 直接 显示 可自动 采集光 经 、 电 经 价 格 一 样 光 学 经 纬 仪 国 内 外 落 后 地 区 人 为 误 差 大 一 般 光 路 调 整 麻 烦 一 般 普 通 常规 测量 人工 判读 手工记 录 3、经纬仪 4、电磁波测距仪 以电磁波(光波或微波)作为载波传输测距 信号测量两点间距离的光电测距技术已成 为距离测量的主要手段。电磁波测距仪测距具有工作轻便、 测距精度高、测程远、作业效率高和不受地形影响等优点。 测距仪的分类 按测程分 ：短程 5km以下；中程 515km；远程15km以上。 按精度分：高精度 5mm/ km；中精度 510 mm/ km； 低精度 1020 mm/ km。 按载波分 ：微波测距仪；红外光测距仪；激光测距仪。 后两者又总称为光电测距仪。远程测距仪器多采用微波和 激光作载波，测程可达数十公里。中、短程测距一般以红外 光作载波。电磁波测距仪按测定电磁波传播时间、方法不同 ，分为脉冲式测距仪和相位式测距仪。 测距原理：在待测距离AB的两端分别放置测距仪和反射 镜，当光束从仪器A处发出开始计时，光束抵达B处反射 镜时被全反射，然后回到A处计时结束，若光束往返时间 为 t2d, 则AB距离为：D= c*t2d/2. c为光速， c c0/n c0为真空中的光速，n为光在 大气中的折射率，与光源的波长、气压和温度有关。 实际测量是以相位法测距。 4、电磁波测距仪 测距仪的一般使用方法 测距仪有组合式、整体式两种。 组合式是指由经纬仪、测距仪主机、 控制键盘、电源及其它附件组成。 距离测量步骤如下： 1、仪器安置：在测站点安置经纬仪，方法同角度测 量，但应比测角时仪器安置高度略低。 2、测前准备：仪器功能及电源状态测试；设置单位 制式，预置常数，包括：仪器加常数、气象改正数等。 3、照准反射棱镜，调节经纬仪的水平和竖直微动螺旋 使回光信号最大。 4、根据测量精度要求测量距离若干测回，同时观测 垂直角，量仪器高，镜高并记录有关气象数据，备成果整 理之用。 4、电磁波测距仪 5、全站仪 全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器， 是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于 一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该测站上 全部测量工作，所以称之为全站仪。全站仪的发展经历了从 组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合，或光电测距仪与电 子经纬仪组合，到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系 统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几 个阶段 全站仪几乎可以用在所有的测量领域。 电子全站仪由电源部分、测角系统、 测距系统、数据处理部分、通讯接口、 及显示屏、键盘等组成。 同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多 特殊部件，因此而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器 更多的功能，使用也更方便。这些特殊部件构成了全站仪 在结构方面独树一帜的特点。 全站仪具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量 、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等 多种用途。内置专用软件后，功能还可进一步拓展。 5、全站仪 全站仪的数据通讯 全站仪的数据通讯是指全站仪与电子计算机之间进 行的双向数据交换。全站仪与计算机之间的数据通讯的 方式主要有两种，一种是利用全站仪配置的PCMCIA（ personal computer memory card internation association，简称PC卡，也称存储卡）卡进行数字通 讯，特点是通用性强，各种电子产品间均可互换使用； 另一种是利用全站仪的通讯接口，通过电缆进行数据传 输。 丰富的机载程序 开放的用户自编程序平台 5、全站仪 1SET2100电子全站仪的外部构件及名称 图216所示为SET100 2级电全子站仪(测距精度：2mm+2ppM)的外形、各 部分构件及其名称。 39 SET2100 全站仪外形 1提柄；2提柄固定螺丝；3仪 器高标志；4电池；5键盘；6 三角基座制动控制杆；7底版；8 脚螺旋；9圆水准器校正螺丝；10 圆水准器；11显示窗；12物 镜；13管式罗盘插口；14光学 对中器调焦环；15光学对中器分划 板护盖；16光学对中器目镜；17 水平制动钮；18水平微动手轮； 19数据输出插口；20外接电源 插口；21照准部水准器；22照 准部水准器校正螺丝；23垂直制动 钮；27粗照准器；28仪器中心 标志 5、全站仪 2SET2100电子全站仪的功能 (1)全站仪功能 SET2100电子全站仪为一种智能型电子全站仪，它具有下列一些功能 ： 1)角度、距离、高差测量功能： 可测定垂直角、水平角、斜距、平距和高差。 2)特殊测量功能： 可进行放样测量、三维坐标测量、悬高测量、对边测量、目标偏心测 量、支导线测量等 3)倾斜角补偿功能： 设有双轴倾斜传感器，可测定仪器纵轴在视准轴方向和横轴方向的倾 角；对于垂直角的指标差，可自行消除。 5、全站仪 4)视准差改正功能： 在高精度测角中，可计算出现准差并自动 对方向监测值进行改正。 5)后方交会平差功能： 对具有多余观测的边、角后方交会，能用 最小二乘法计算测站坐标。 6)数据存储和调出(输入/助出)功能： 可记录(存储)和调出下列数据：仪器数据 ，测量数据、测站数据、坐标数据和特 征码等。 5、全站仪 5、全站仪 测量机器人：能学习、会判断，自动识别、照准、跟踪目标 ，自动记录与计算，可实现全自动化无人值守的全站仪。 特点：1、观测工作的自动化 2、数据分析处理自动化 3、自动生成数据库 4、可有线或无线传输数据。 GPS全球定位系统及其在变形监测中的应用 全球定位系统GPS，于1973年由美国政府组织研制，耗费巨资，历 经约20年，于1993年全部建成。该系统是伴随现代科学技术的迅速发 展而建立起来的新一代精密卫星导航和定位系统，不仅具有全球性、 全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力，而且具有良好的 抗干扰性和保密性。该系统的研制成功已成为美国导航技术现代化的 重要标志，被视为20世纪继阿波罗登月计划和航天飞行计划之后的又 一重大科技成就。 目前GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的 许多领域，尤其是在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、 海洋大地测量学、天文学、地球物理和资源勘探、航空与卫星遥感、 精密工程测量、变形监测、城市控制测量等方面的广泛应用，充分显 示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。这预示测绘界将面临一场 意义深远的变革，从而使测绘领域步入一个崭新的时代。 6、全球定位系统GPS 在我国测绘行业，GPS的应用起步较晚，但发展速度很快。测绘工作者们 在GPS应用基础研究和实用软件开发等方而取得了大量的成果，从而为GPS技 术在我国全面推广提供了技术保证。同时，还对GPS测量在适合我国国情的可 行性研究方而做了大量的试验。实践证明，GPS测量技术在许多工作中，比传 统的测量技术更具有竞争力，有着操作简便、观测时间短、定位精度高、能 全天候作业等优点。 近年来，GPS技术的发展主要表现在接收机体积的减小、观测精度的提高 及功耗的减少上，接收机价格也有明显的下降并且操作更加方便。另外数据 处理技术也有了很大的发展，从而为GPS技术的推广和应用奠定了基础。 6、全球定位系统GPS 以往，大型工程建筑物(如：码头、大坝等)变形监测经常采用传统的方 法即建立高精度的监测网。由于受到地形等条件的影响，这种监测网往往网 形较差，从而使监测点的位置精度受到较大的影响。另外传统方法通常观测 时问长、劳动强度大、难以实现自动化监测。利用GPS及计算机技术，可实现 从数据采集、平差计算及变形分析的连续自动化，实践证明，利用GPS进行变 形观测可获得+0.52mm的精度。 一、GPS定位系统的特点 (1) 不受时间、地点的限制 GPS卫星能够覆盖整个地球，即在地球上任 一位置、任一时间都至少能同时见到四颗卫星，因此，不论白天还是夜晚， 不论是在海上、天空还是在陆地均可随时进行定位、授时等服务。 (2) 不受天气限制 无论刮风、下雨、下雪、下雾均可进行GPS定位服 务，因此，在恶劣的气候环境下也能进行定位，可以保证GPS用户按时顺利地 完成任务。 6、全球定位系统GPS (3) 实时定位 对导航用户而言，需实时刻知道自己所处位置。利用 子午卫星系统要观测若干段时间后才能获得定位结果；而GPS利用每 秒钟的观测数据均能马上获得定位结果，具有实时性。 (4) 不需通视 对于测量而言，点之间只有通视才能进行测量，而 GPS用于测量的一个显著优点是点之间不需通视，即只要各点能接受 到卫星信号，就可以进行定位，因此，可以避免许多过渡点，不仅给 测量工作带来许多方便、节省许多费用，而且能提高测量精度。 (5) 定位精度高、速度快、自动化程度高 在导航及测量领域，GPS 与常规方法相比，具有精度高、速度快、操作简单、自动化程度高等 优点，由此带来了很好的经济和社会效益。 6、全球定位系统GPS Your location is: 37o 23.323 N 122o 02.162 W 卫星导航定位系统，应用无 线电测距交会的原理，便可 由三个以上地面已知点(控 制站)交会出卫星的位置， 反之利用三个以上卫星的已 知空间位置又可交会出地面 未知点(用户接收机)的位置 6、全球定位系统GPS GPS定位原理 二、GPS定位系统的组成 GPS全球定位系统主要由三大部分组成， 即空间部分、控制部分和用户部分。 GPS系统的空间部分，由24颗卫星组成， 均匀地分布在6个近圆形轨道上，每一轨道 上有4颗卫星。这些卫星的分布，能保证地球上任何地方、任何时间都能 观测到511颗卫星，从而为全球提供全天候服务。 空间部分： GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些 GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫 星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道 上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都 发出用于导航定位的信号。 GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。 6、全球定位系统GPS 控制部分： GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成 的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站 、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado） Springs的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对 GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这 些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向 卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的 工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个， 除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（ Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein ），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有 三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出 的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 6、全球定位系统GPS 由于GPS是全球性的定位系统，则其坐标也必须 是全球性的；为了使用方便，它是通过国际协议确定 的，通常称为协议地球坐标系(Coventional Terrestrial SystemCTS)。目前，GPS测量中所使用的协议地球 坐标系称为WGS84世界大地坐标系(Word Geodetic System)。WGS84世界大地坐标系的几何定义是： 原点是地球质心，z轴指向BIHl984.0定义的协议地球 极(CTS)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTS 赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系 用户部分：GPS的用户部分由GPS 接收机、数据处理软件及相应的用 户设备如计算机、气象仪器等所组 成。它的作用是接收GPS卫星所发 出的信号，利用这些信号进行导航 定位等工作。 以上三部分共同组 成了一个完整的GPS系统。 6、全球定位系统GPS 上述CTS是协议地球极(Coventional Terrestrial Pole)的简称；由 于极移现象的存在，地极的位置在地极平面坐标系中是一个连续的变 量，其瞬时坐标(Xp，Yp)由国际时间局(Bureau International deI Heure简称BIH)定期向用户公布。WGS84世界大地坐标系就是以国 际时间局1984年第一次公布的瞬时地极(BIHl984.0作为基准，建立的 地球瞬时坐标系，严格来讲属准协议地球坐标系。 除上述几何定义外，WGS84还有它严格的物理定义，它拥 有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS84椭 球的大地水准面差距。现将WGS84世界大地坐标系与我国1980年 国家大地坐标系的基本大地参数列入表33，以便比较。 6、全球定位系统GPS 表33国家大地坐标系的基本大地参数（1980年） 注：1. a为地球椭球长半径； 2. 为地球自转角速度； 3. GM为地球总质量与万有引力常数 的乘积 4. f为地球椭球极扁率。 311 协议地球坐标 6、全球定位系统GPS 在实际测量定位工作中，虽然GPS卫星的信号依据于WGS84坐 标系，但求解结果则是测站之间的基线向量或三维坐标差。在数据处 理时，根据上述结果，并以现有已知点(三点以上)的坐标值作为约束 条件，进行整体平差计算，得到各GPS测站点在当地现有坐标系中的 实用坐标，从面完成GPS测量结果向C80或当地独立坐标系的转换。 四、GPS定位 GPS进行定位的方法，根据用户接收机天线在测量中所处的状态 来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果进行分类，则可 分为绝对定位和相对定位。 所谓绝对定位，是在WGS-84坐标系中，独立确定观测站相对地 球质心绝对位置的方法。相对定位同样在WGS84坐标系中，确定的 则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对 位置的方法。 6、全球定位系统GPS 所谓静态定位，即在定位过程中，接收机天线(待定点)的位置相对 于周围地面点而言，处于静止状态：而动态定位正好与之相反，即在 定位过程中，接收机大线处于运动状态，也就是说定位结果是连续变 化的，如用于飞机、轮船导航定位的方法就属于动态定位。 各种定位方法还可有不同的组合如静态绝对定位、静态相对定位 、动态绝对定位、动态相对定位等。现就测绘领域中，最常用的静态 定位方法的原理作一简介。 利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之 间距离(或距离差)的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定 用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标(X，Y，Z)。 6、全球定位系统GPS 1 伪距法单点绝对定位 GPS卫星能够按照星载时钟发射某一结构为“伪随机噪声码”的信 号，称为测距码信号(即粗码C/A码或精码P码)。该信号从卫星发射经 时间t后，到达接收机天线；用上述信号传播时间t乘以电磁波在真 空中的速度C，就是卫星至接收机的空间几何距离，即： =tC 31 实际上，由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的 误差，测距码在大气中传播的延迟误差等等，由此求得的距离值并非 真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距”，用表示，与之相对应 的定位方法称为伪距法定位。 6、全球定位系统GPS 为了测定上述测距码的时间延迟，即GPS卫星信号的传播时间， 需要在用户接收机内复制测距码信号，并通过接收机内的可调延时器 进行相移，使得复制的码信号与接收到的相应码信号到达接收机天线 的传播时间，即时间延迟。 假设在某一标准时问Ta卫星发出个信号，该瞬时卫星钟的时刻为ta ；该信号在标准时刻Ta到达接收机，此时相应接收机时钟的读数为tb ；于是伪距测量测得的时间延迟，即为tb与ta之差。即： 32 由于卫星钟和接收机时钟与标准时间存在着误差，设信号发射和接 受时刻的卫星和接收机钟差改正数分别为V a和V b，则有： 33 6、全球定位系统GPS 将式33代入32，可得： 34 式中TbTd测距码从卫星到接收机的实际传播时间T。 由上述分析可知，在T中已对钟差进行了改正；但由TC所计算出 的距离中，仍包含有测距码在大气中传播的延迟误差，必须加以改正 。设定位测量时，大气中电离层折射改正数为I，对流层折射改正 数为T，则所求GPS卫星至接收机的真正空间几何距离应为： =TC+I+T 35 将式34代入式35，就得到实际距离与伪距之间的关系式： =+I+TCVa+CVb 36 上式即为伪距测量的基本观测方程。 6、全球定位系统GPS 在伪距测量的观测方程中，若卫星钟和接收机时钟改正数Va和 Vb已知；且电离层折射改正和对流层折射改正均可精确求得；那么测 定伪距就等于测定了站垦之间的真正几何距离，而与卫星坐标(xs ，ys，zs)和接收机天线中心坐标(z，y，z)之间有如下关系： 37 卫星的瞬时坐标(xs，ys，zs)可根据接收到的卫星导航电文求得， 故在(37)式中仅有三个未知数，即待求点三维坐标(x，y，z)。如果 接收机同时对三颗卫星进行伪距测量，从理论上说，就可解算出接收 机天线相位中心的位置。因此GPS单点定位的实质，就是空间距离后 方交会，如图312所示。 6、全球定位系统GPS 实际上，在伪距测量观测方程中，由 于卫星上配有高精度的原子钟，且信号发 射瞬间的卫星钟差改正数Va可由导航电文 中给出的有关时间信息求得。但用户接收 机中仅配备一般的石英钟，在接收信号的 瞬间，接收机的钟差改正数不可能预先精 确求得。 因此，在伪距法定位中，把接收机钟 差Vb也当作未知数，与待定点坐标在数据 处理时一并求解。由此可见，在实际单点 定位工作中，在一个观测站上为了实时求 解四个未知数x、y、z和Vb，便至少需要四 个同步伪观测值i(i=14)。也就是说，至 少必须同时观测四颗卫星。 312 GPS单点定位原理 6、全球定位系统GPS 2载波相位测量法 利用载波相位进行单点定位可以达到比伪距定位更高的精度。载波 相位测量的最主要的应用是进行相对定位。相对定位是目前GPS测量 中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度测量工作中。由于 GPS测量结果中不可避免地存在着种种误差；但这些误差对观测量的 影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同线性组合进行相 对定位，便可能有效地消除或减弱上述误差的影响，提高GPS定位的 精度，同时消除了相关的多余参数，也大大方便了GPS的整体平差工 作。实践表明，以载波相位测量为基础，在中等长度的基线上对卫星 连续观测13h，其静态相对定位的精度可达 1010 。 -6-7 6、全球定位系统GPS 静态相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机分别安置在基线 的两端，固定不动；同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在 WGS84以坐标系中的相对位量或基线向量，参见图313。由于在 测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了 GPS定位的精度。 考虑到GPS定位时的误差来 源，当前普遍采用的观测量线性组 合力法称之为差分法，其具体形式 有三种，即所谓的单差法、双差法 和三差法，现分述如下。 313 GPS相对定位原理 6、全球定位系统GPS (1)单差法 所谓单差，即不同观测站(测站i和j)同步观测相同卫星p所得到的观 测量差。也就是原于两台接收机之间求一次差。它是GPS相对定位中 观测量组合的最基本形式，具体表达式可简写为： 38 单差法并不能提高GPS绝对定位的精度，但由于基线长度与卫星 高度相比，是一个微小量，因而两测站的大气折光影响和卫星星历误 差的影响，具有良好的相关性。因此，当求一次差时，必然削弱了这 些误差的影响；同时消除了卫星钟的误差(因两台接收机在同一时刻 接收同一颗卫星的信号，则卫星钟差改正数Va相等)。由此可见，单 差法只能有效地提高相对定位的精度，其求算结果应为两测站点间的 坐标差，或称基线向量。 6、全球定位系统GPS (2)双差法 双差就是在不同测地上同步观测一组卫星所得到的单差之差，即 在接收机和卫星间求二次差。仍以图313为例，在K时刻测站i和j两 台接收机同时观测卫星P和q；对于卫星q同样可得形同式(38)的单 差观测方程，两式相减使得双差法模型表达式： 39 前已叙及，在单差模型中仍包含有接收机时钟误差，其钟差改正 数仍是一个未知量。但是由于进行连续的相关观测，求二次差后，便 可有效地消除两测站接收机的相对钟差改正数，这是双差模型的主要 优点；同时也大大地减小了其它误差的影响。因此在GPS相对定位中 ，广泛采用双差法进行平差计算和数据处理。 6、全球定位系统GPS (3)三差法 三差法就是不同历元(tk和tk+1)同步观测同一组卫星所得观测量的 双差之差，即在接收机、卫星和历元间求三次差，表达式为： 310 引人三差法的目的，就在于解决前两种方法中存在的整周未知数NO 和整周跳变待定的问题，这是三差法的主要优点。但由于三差法模型 中未知参数的数目较少，则独立的观测量方程的数目也明显减少这 对未知数的解算将会产生不良的影响，使精度降低正是由于这个原因 ，通常将消除了整周未知数的三差法结果仅用作前两种方法的初次 解(近似值)，而在实际工作中采用双差法结果更加适合。 6、全球定位系统GPS 6、全球定位系统GPS GPS测量实施过程与常规测量一样，包括方案设计、 外业测量和内业数据处理三部分。以载波相观测值为主的 相对定位法是当前GPS精密测量中普遍采用的方法。 GPS控制网设计设计 GPS控制网的技术设计是进行GPS测 量的基础。它应根据用户提交的任务书或 测量合同所规定的测量任务进行设计。其 内容包括测区范围、测量精度、提交成果 方式、完成时间等。设计的技术依据是国 家测绘局颁发的全球定位系统(GPS)测 量规范及建设部颁发的全球定位系统 城市测量技术规程。 1、外业观测计业观测计 划设计设计 编编制GPS卫卫星可见见性预报图预报图 。 编编制作业调业调 度表。应应根据仪仪器数量，交通工具状况， 测测区交通环环境及卫卫星预报预报 状况制定作业调业调 度表。 2、野外观测观测 野外观测应严观测应严 格按照技术设计术设计 要求进进行。 安置天线线:天线线安置是GPS精密测测量的重要保证证。要仔细对细对 中、整平、量取 仪仪器高。仪仪器高要用钢钢尺在互为为120方向量三次，互差小于3 mm。取平均 值值后输输入GPS接收机。 安置GPS接收机:GPS接收机应应安置在距天线线不远远的安全处处，连连接天线线及电电 源电缆电缆 ，并确保无误误。 按规规定时间时间 打开GPS接收机，输输入测测站名，卫卫星截止高度角，卫卫星信号采 样间样间 隔等。 一个时时段测测量结结束后要查查看仪仪器高和测测站名是否输输入，确保无误误再关机、 关电电源、迁站。 GPS接收机记录的数据有：GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时 刻及伪距观测值和载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。 6、全球定位系统GPS 3观测观测 数据下载载及数据预处预处 理 观测成果的外业检核是确保外业观测质量和实现定位精度的重要环节。外业观测 数据在测区时就要及时进行严格检查，对外业预处理成果，按规范要求进行严格检 查、分析，根据情况进行必要的重测和补测，确保外业成果无误后方可离开测区。 内业业数据处处理 1基线线解算 对对于两台及两台以上接收机同步观测值进观测