GNSS在工程测量中的应用.ppt

GNSS在工程测量中应用 一 GPS系统的特点二 我国常用大地坐标系统三 GPS应用四 GPS动态测量五 CORS应用 主要内容 测量精度高选点灵活 不需要造标 费用低全天侯作业观测时间短观测 处理自动化可获得三维坐标 一 GPS系统的特点 一 北京54坐标系 BJZ54 二 西安80坐标系 三 2000国家大地坐标系 四 WGS 84坐标系 五 自定义坐标系 六 坐标系间的转换 二 我国常用大地坐标系统简介 一 北京54坐标系 BJZ54 北京54坐标系为参心大地坐标系 大地上的一点可用经度L54 纬度M54和大地高H54定位 它是以克拉索夫斯基椭球为基础 经局部平差后产生的坐标系 1954年北京坐标系的历史 新中国成立以后 我国大地测量进入了全面发展时期 再全国范围内开展了正规的 全面的大地测量和测图工作 迫切需要建立一个参心大地坐标系 由于当时的 一边倒 政治趋向 故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数 并与前苏联1942年坐标系进行联测 通过计算建立了我国大地坐标系 定名为1954年北京坐标系 因此 1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸 它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃 北京54坐标系 属三心坐标系 长轴6378245m 短轴6356863 扁率1 298 3 二 西安80坐标系 1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据 即IAG75地球椭球体 该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇 位于西安市西北方向约60公里 故称1980年西安坐标系 又简称西安大地原点 基准面采用青岛大港验潮站1952 1979年确定的黄海平均海水面 即1985国家高程基准 西安80坐标系 属三心坐标系 长轴6378140m 短轴6356755 扁率1 298 25722101 三 2000国家大地坐标系 2000国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点 3个坐标轴的指向 尺度以及地球椭球的4个基本常数的定义 2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000 0的地球参考极的方向 该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984 0的初始指向推算 定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转 X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面 历元2000 0 的交点 Y轴与Z轴 X轴构成右手正交坐标系 2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下 长半轴a 6378137m扁率f 1 298 257222101地心引力常数GM 3 986004418 1014m3s 2自转角速度 7 292l15 10 5rads 1 四 WGS 84坐标系 WGS 84坐标系 WorldGeodeticSystem 是一种国际上采用的地心坐标系 坐标原点为地球质心 其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局 BIH 1984 0定义的协议地极 CTP 方向 X轴指向BIH1984 0的协议子午面和CTP赤道的交点 Y轴与Z轴 X轴垂直构成右手坐标系 称为1984年世界大地坐标系 这是一个国际协议地球参考系统 ITRS 是目前国际上统一采用的大地坐标系 GPS广播星历是以WGS 84坐标系为根据的 WGS84坐标系 长轴6378137 000m 短轴6356752 314 扁率1 298 257223563 自定义坐标系也称地方独立坐标系最初在建立坐标系时 由于技术条件的限制 定向 定位精度有限 导致最终所定义的坐标系与国家坐标系在坐标原点和坐标轴的指向上有所差异 出于成果保密等原因 在按国家坐标系进行数据处理后 对所得的成果进行了一定的平移和旋转 得出独立坐标系 为了减少投影变形 进行投影的中央子午线的变换 为了满足工程的要求或工程施工方便而建立独立坐标系 五 自定义坐标系统 平面坐标系 投影面根据工程需要定义 坐标轴指向根据工程需要定义 坐标轴原点根据工程需要定义 地方独立坐标系特点 六 坐标系转换 所谓基准是指为描述空间位置而定义的点线面 而大地测量基准是指用以描述地球形状的地球椭球参数 包含描述地球椭球几何特征的长短半轴和物理特征的有关参数 地球在空间的定位及定向以及描述这些位置所采用的单位长度的定义 经典大地测量基准通常采用的是与区域大地水准面最佳拟合的参考椭球 其中心往往与地心不重合 由于地球表面的不规则性 适合于不同地区的参考椭球的大小 定位和定向都不一样 每个参考椭球都有各自的参数和参考系 参考椭球对于天文大地测量 大地点坐标的推算以及国家测图和区域绘图来说 是十分适宜的 1 大地测量基准的基本概念 坐标转换是测绘实践中经常遇到的重要问题之一 坐标转换通常包含两层含义 坐标系变换和基准变换 坐标系变换 就是在同一地球椭球下 空间点的不同坐标表示形式间进行变换 包括大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 空间直角坐标系与站心坐标系的转换 以及大地坐标系与高斯平面坐标系的转换 即高斯投影正反算 基准变换 是指空间点在不同的地球椭球见的坐标变换 可用空间的三参数或七参数实现不同椭球间空间直角坐标系或不同椭球见大地坐标系的转换 2 坐标转换的基本概念 3 坐标系转换的模型 1 大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 1 大地坐标系转换为空间直角坐标系 BLH XYZ 在相同的基准下 将大地坐标系转换为空间直角坐标系 公式为 3 坐标系转换的模型 1 大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 2 空间直角坐标系转换为大地坐标系 XYZ BLH 在相同的基准下 将大地坐标系转换为空间直角坐标系 公式为 利用该式计算有一个问题 后两式中有交叉变量 因此必须采用迭代的方法 因此必须采用下面的办法处理 3 坐标系转换的模型 1 大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 2 空间直角坐标系转换为大地坐标系 XYZ BLH 首先用下式求出B的初值 然后 利用B的初值求出H N的初值 再次求定B的值 3 坐标系转换的模型 1 大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 2 空间直角坐标系转换为大地坐标系 XYZ BLH 也可以采用如下的直接算法 公式为 3 坐标系转换的模型 1 大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换 2 空间直角坐标系转换为大地坐标系 XYZ BLH 其中 3 坐标系转换的模型 2 高斯投影坐标正反算空间大地坐标系与平面直角坐标系的转换采用数学投影的方法 我国采用的是高斯投影 1 高斯投影正算公式 BL xy 公式为 3 坐标系转换的模型 2 高斯投影坐标正反算 1 高斯投影正算公式 BL xy 3 坐标系转换的模型 2 高斯投影坐标正反算 1 高斯投影正算公式 BL xy 3 坐标系转换的模型 2 高斯投影坐标正反算空间大地坐标系与平面直角坐标系的转换采用数学投影的方法 我国采用的是高斯投影 2 高斯投影反算公式 xy BL 公式为 3 坐标系转换的模型 2 高斯投影坐标正反算 2 高斯投影反算公式 xy BL 4 基准转换的模型 1 不同地球椭球坐标系的空间三参数或七参数转换不同地球椭球之间的坐标系转换实际上是不同基准之间的转换 不同基准之间的转换方法很多 可以通过空间变换的方法实现 亦可用平面变换方法进行 下面介绍七参数布尔莎模型设两不同地球椭球的对应的两个空间直角坐标系见有7个转换参数 3个平移参数 原点不重合产生 3个旋转参数 坐标轴不平行产生 1个尺度参数 两坐标系间的尺度不一致产生 见下图 4 基准转换的模型 1 不同地球椭球坐标系的空间三参数或七参数转换设 XA YA ZA 为某点在A空间直角坐标系中的三维坐标 XB YB ZB 为某点在B空间直角坐标系中的三维坐标 X0 Y0 Z0 为某点从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的三个平移参数 X Y Z 为某点从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的三个旋转参数 m为某点从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的三个尺度参数 则点从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的模型为 4 基准转换的模型 4 基准转换的模型 2 不同地球椭球坐标系的平面相似转换不同地球椭球坐标系间的平面相似转换是一种二维转换 一般而言 两平面坐标系间的转换需要4个转换参数2个平移参数 原点不重合产生 1个旋转参数 坐标轴不平行产生 1个尺度参数 两坐标系间的尺度不一致产生 设 xA yA 为某点在A空间直角坐标系中的坐标 xB yB 为某点在B空间直角坐标系中的坐标 X0 Y0 为某点从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的2个平移参数 为从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的1个旋转参数 m为从A空间直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的1个尺度参数 则点从A直角坐标系转换到B空间直角坐标系中的模型为 1 先旋转 再平移 最后统一尺度 2 先平移 再旋转 最后统一尺度 GPS动态测量含义RTK测量特点RTK应用范围RTK测量方法分类 GPS动态测量 GPS动态测量含义 GPS动态测量技术 RealTimeKinematic RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术 它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果 并达到厘米级精度 在RTK作业模式下 基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站 流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据 还要采集GPS观测数据 并在系统内组成差分观测值进行实时处理 流动站可处于静止状态 也可处于运动状态 RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术 RTK测量特点 定位精度高 数据安全可靠 没有误差积累 RTK测量标称精度可达到1cm 1ppm 平面 2cm 1ppm 高程 RTK作业自动化 集成化程度高 测绘功能强大作业距离远 操作简便 效率高实时快速提供三维坐标 RTK应用范围 控制测量碎部测量点放样直线放样线路放样断面测量 RTK测量方法分类 根据RTK发展历程我们可以将其划分为 传统RTK 按工作模式可分为电台模式和网络模式 此处就不再一一详细介绍 现在广泛应用的CORS系统模式 传统RTK技术有着一定局限性 使得其在应用中受到限制 主要表现为 1 用户需要架设本地的参考站 2 误差随距离增长 3 误差增长使流动站和参考站距离受到限制 距离越远初始化时间越长 4 可靠性和可行性随距离降低 传统RTK技术局限性 一 CORS是什么 二 CORS优缺点 三 SDCORS简介 四 SDCORS的接入 五 CORS应用 网络RTK技术实际上是一种多基站技术 它在处理上利用了多个参考站的联合数据 该系统不仅仅是GPS产品 而是集internet技术 无线通讯技术 计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统 包括 通讯控制中心 固定站 用户部分 网络RTK技术 无需架设参考站 省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间 降低了作业成本 提高了生产效率 传统 1 1 GNSS接收机真正等于2 生产效率双倍提高 不需要在四处找控制点 扩大了作业半径 网络覆盖范围内能够得到均等的精度 在CORS覆盖区域内 能够实现测绘系统和定位精度的统一 便于测量成果的系统转换和多用途处理 网络RTK技术优势 ContinuousOperationalReferenceSystem字面意思 连续运行参考站系统 CORS是什么 区别 参考站软件1 软件对参考站的数据不进行整网计算 仅还是依靠独立某一个参考站与流动站做单基线解 这还是常规RTK 不涉及算法问题 2 网络RTK 有以下几种算法VRS 虚拟参考站技术 FKP 区域改正数法 MAC 主辅站技术 CORS简单原理 以VRS为例 各个参考站向数据控制中心传输观测数据 控制中心实时在线解算各基准站网内的载波相位整周模糊度值和建立误差模型 流动站将单点定位坐标传送给数据控制中心 控制中心在移动站附近位置创建一个虚拟参考站 VRS 通过内插得到VRS上各误差源影响的改正值 并按RTCM格式通过NTRIP协议发给流动站用户 流动站与VRS构成短基线 流动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值 进行差分解算得到用户的精确位置 CORS的优缺点 电台模式 作业半径小 携带操作不方便 精度随距离增大而降低 频率安全性 效率比较低 网络模式 精度随距离增大而降低 效率比较低 单基站模式 精度随距离增大而降低 CORS模式 无缝覆盖 精度均匀 统一基准 CORS系统优势 1 提高仪器利用率 原来的1 1两台接收机才能作业 现在1台接收机就能正常作业 仪器利用率提高1倍 2 提高工作效率 省去架设和设置基准站的时间和麻烦 开机就可以作业 3 节约人力资源 不用架设基站 省去看基站人员 真正实现单人作业 4 全网覆盖 精度均匀 避免了常规RTK随着距离增大误差增大的麻烦 常规RTK 网络RTK 5 常规RTK随着距离的增大 初始化速度会越来越慢 而CORS系统下没有了RTK距离的限制 从而可以明显提高初始化速度 CORS的局限性 1 网络局限性2 卫星局限性3 高程精度局限性 山东省CORS系统 一 基准站子系统 SDCORS的组成 土层型墩标 基岩型墩标 楼顶型墩标 参考站室内实景 新建48 1 江苏省7 烟台规划局3 省气象局14 淄博国土局12 济南规划局7 青岛国土局13 日照国土局4 国家陆态网1 二 网络通讯子系统 三 控制中心子系统 四 用户子系统 截止到目前 SDCORS入网流动站达到1000多台 已经广泛应用到国土 规划 交通 电力 水利等行业 SDCORS系统提供服务 一 接入SDCORS的必备要素 1 接收机支持VRS2 具有无线通讯功能3 已开通CORS账户4 已办理专用数据卡 四 SDCORS的接入 在确保设备能够接入CORS 无线通讯正常后 可以到SDCORS中心申请使用账户 账户信息包括 用户名 密码 APN接入点 IP地址 端口 源列表 登陆网站 下载 介绍信 SDCORS用户开通申请表 SDCORS系统用户保密协议 申请SDCORS入网流程 接入方式分类 接收机内置通讯模块手簿内置通讯模块接收机外置通讯模块手簿外接蓝牙手机 流动站接入SDCORS说明 接收机内置通讯模块方式 基本上国产的设备都具有内置通讯模块功能 厂家在手簿测量软件里面已经添加了拨号参数的设置功能 用户只需要在里面修改由SDCORS中心提供的各项参数 然后登陆就可以了 针对某些品牌或型号的接收机连不上网络的情况 可能需要升级接收机固件或者GPRS固件予以解决 测量中常见问题解答 SDCORS系统采用的坐标系统是国家CGCS2000坐标系统 我中心暂不对外提供转换参数 之前使用过的参数要看求解参数时所使用的起算数据 只要是使用约束的WGS 84坐标所求的参数是可以正常使用的 一般C级网以上的WGS 84都是约束的 D级网的可能没有做约束 SDCORS采用的坐标系统 能否提供参数 之前的参数能否继续使用 a 移动网络信号b 移动站周围环境c PDOPd 卫星信噪比e 参考站距离f 接收机性能 网络RTK在作业过程中 受哪些因素的影响 在作业前要检查仪器本身的状态 通信模块的工作状态 检查软硬件的设置 检查配置集 用户名的状态 SIM卡的状态 查看作业区域的星历预报成果等 对于长时间未使用网络RTK的 需要进行实测检查 网络RTK在作业前需要做哪些准备工作 网络RTK长时间处于浮动解或单点解时 一般受到点位观测环境 如遮挡 干扰 多路径 通讯网络 包括延迟大 不稳定 GPS卫星状况 PDOP值大 公共卫星数少 仪器设备 固件版本过低 差分数据格式选择错误 操作不正确 等因素影响