《Gps测量基础》PPT课件.ppt

GPS测量基础,陈晓岩 南方测绘,GPS和常规测量定位的区别,平面定位的区别 宏观和微观的区别 概念：椭球、坐标系、投影、我国常用 的坐标系统，坐标转换 高程定位的区别 高程基准、高程异常、我国常用的高程 基准,平面投影基准参考椭球体,空间点位的数学描述,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,大地基准1、坐标与坐标系统,大地基准,基准的概念 地球的运动 目前我国常用的坐标系统 常用坐标系间的坐标换算 国家平面控制网的布设概况,大地基准 基准的概念,坐标：一组有序实数，表示n维欧氏空间中的一个点。 坐标系：确定地面点或空间目标的位置所采用的参考 系（参照物）。 基准：将几何坐标系按一定的关系放入物理坐标系中的一组必要参数。,日心坐标系 天球坐标系 地心坐标系 站心坐标系 地心大地坐标系 地心坐标系 地心直角坐标系 地球坐标系 参心坐标系 参心大地坐标系 参心直角坐标系,大地测量常用坐标系,目前我国常用的坐标系统,1980西安坐标系 1954年北京坐标系 WGS-84大地坐标系 新1954年北京坐标系（新54系） 独立坐标系（地方坐标系）,开始定义为 “1980国家大地坐标系”。 1982 年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。 属参心坐标系, IAG-75椭球（IAG国际大地测量学协会），长半轴 a=6378140m; 扁率 =1/298.257，原点在陕西省泾阳县。 椭球定位： 1.椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0JYD方向）； 2.起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面； 3.椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。,1980西安坐标系,大地基准 目前我国常用的坐标系统,1954年北京坐标系,50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系, 克拉索夫斯基椭球体，长半轴 a=6378245m; 扁率=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。 主要缺点： 1.长半轴约大了108m ； 2.椭球定位西高东低，东部高程异常达67m； 3.不同区域接边处大地点坐标差达12m。,WGS-84大地坐标系,美国国防部研制确定的大地坐标系，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向零子午面与CTP赤道交点，Y轴与X、 Z轴构成右手坐标系。 长半轴 a=6378137m; 扁率 =1/298.257223563。属地心坐标系，原点在地球质心。,新1954年北京坐标系（新54系）,属于参心大地坐标系 椭球的几何参数同“54系” a=6378245m； =1/ 298.3 大地原点及椭球轴向同“80系” 高程基准面为1956年黄海平均高程面 点的坐标与“54系”接近，精度同“80系”,独立坐标系（地方坐标系）,为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。,目前我国常用的坐标系统,大地坐标系 平面直角坐标系,大地坐标,大地纬度B过P点的子午面与起始子午面间的夹角。由格林尼治子午线起算，东正西负。 大地经度L在P点的子午面上， P点的法线PKP与赤道面的夹角。由赤道起算，北正南负。,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,平面直角坐标系,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,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,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,大地基准 目前我国常用的坐标系统,高斯平面直角坐标 经高斯克吕格正形投影，将椭球面上的点转换到平面上， 用直角坐标（x,y）表示。 中央子午线投影到平面上是一直线，作为纵坐标轴；赤道投影到平面上也是一直线，作为横坐标轴；中央子午线和赤道交点的投影像是坐标原点。,x,y,0,X,Y,P（x,y）,高斯直角坐标系,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 .,高斯投影分带,（山东省的经度为114 45122 40）,常用坐标系间的坐标换算,严密平差法（用本网的观测数据，另网的起算点） 公式严密换算法（80系新54系） 转换模型法（七参数法）,大地基准 国家平面控制网的布设概况,国家平面控制网的布设概况,一等三角锁的布设,国家平面控制网的布设概况,二等三角网的布设,国家平面控制网的布设概况,二等补充网的布设,国家平面控制网的布设概况,精密导线网的布设,国家平面控制网的布设概况,国家GPS A级网 国家GPS A级网, 1992年8月由国家测绘局布测完成，共 27点，平均边长800km，基线水平分量精度为25cm, 相对精度1 3 10-8 ; 垂直分量精度为10cm，相对精度为0.5 1 10-7，ITRF（国际地球参考框架）91框架。 1996年5月对A级网进行了复测。由30个主点和22个副点组成，基线水平分量精度优于 4mm+3 10-9 ，相对精度为2 10-8；垂直分量精度优于 8mm+4 10-9，相对精度为7 10-8 ，ITRF93框架。,大地基准 国家平面控制网的布设概况,国家GPS B级网 国家GPS B级网, 1997年国家测绘局完成布测与平差，共756点，其中重合 A级网27点、多普勒网 15点、天文大地网150点、水准网456点、验潮站17点，基线水平分量精度优于4 10-7; 垂直分量精度优于8 10-7 ，平均边长：东部 70100 km，西部：150200 km ，ITRF93框架。,高程基准,目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即地面点 A至似大地水准面的距离。,大地高,A,正高,正常高,高程异常,大地水准面差距,自然表面,大地水准面,似大地水准面,椭球表面,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） 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 + c 2= a x2 + b y2 + c 3= 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i i= 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 = Hi + Hik, GPS高程法大地水准面模型,高程基准,1956年黄海高程系 水准原点设在观象山，采用19501956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。 1985国家高程基准 水准原点同 1956年黄海高程系，采用19521979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。,高程基准 我国水准网的布测情况,50年来，进行了三期高精度水准测量。 第一期水准网（19511969）：布测了一、二等水准网。一等线路36条，6个闭合环，2.9万km，二等13万km。 第二期水准网（19771984）：一等线路 289条，186 个结点组成100个闭合环，93360 km，标石20190座；二等 1139条，总长度136,368 km，标石33238座。 第二期水准复测网（19911999）：全部一等网和局部二等网。一等线路245条（设计273），77个闭合环（设计99）， 85,452 km（设计9.4万），验潮站45个。,我国高程异常图,我国测绘基准存在的问题,天文大地网 不能满足军事上对地心坐标系的需求。 精度与现代大地测量手段(GPS) 相比不匹配,导致使用GPS时的精度损耗。 1954年北京坐标系及 1980西安坐标系与 ITRF（国际地球参考框架）或WGS-84无明确的对应关系。,我国测绘基准存在的问题,GPS空间网 密度不够，使城市GPS控制网以及工矿独立网难以连接到国家GPS控制网系统。 标石破坏严重，并且这种情况还在继续。 参心坐标系，分量与 ITRF有 100m以上的偏差，54坐标系采用克拉索夫斯基椭球，长半轴 a值也相差1