华测12期升华培训基础知识-2013

1、基础知识基础知识主要内容一、测绘仪器发展一、测绘仪器发展二、二、GNSSGNSS系统介绍系统介绍三、三、GNSSGNSS定位原理定位原理四、坐标系统知识四、坐标系统知识一、一、 测绘仪器的发展测绘仪器的发展（1 1）常规仪器的发展）常规仪器的发展一、一、 测绘仪器的发展测绘仪器的发展X20X20（2）GNSS仪器的发展仪器的发展X91GNSSX91GNSSX60X60X90GNSSX90GNSSX300X300一、一、 测绘仪器的发展测绘仪器的发展 为什么要推荐为什么要推荐GNSS？GNSS与常规测量对比GNSS（华测）常规仪器（经纬仪全站仪）通视要求通视要求不需要通视测站和镜站之间必须通视作

2、业距离作业距离作业距离远，大面积控制3KM超出作业范围必须搬站误差积累误差积累不会积累，单人即可操作会积累，对中整平精度不高独立性独立性完全独立，重点在移动站终端协同作业，测站和镜站须配合作业气候影响气候影响不受天气影响受雾天雨天等天气影响光线影响光线影响全天候作业黄昏和黑夜不能作业精度可靠性精度可靠性靠卫星定位，精度高远距离精度不高数据采集数据采集有码作业配草图记录内业处理内业处理内业成图方便内业工作量大工作效益工作效益平坦/山地/有林区效率较高山地和有林地区进度较慢二、二、GNSSGNSS系统介绍系统介绍1 GNSS的现状及未来2 GNSS的特点3 产业构成4 应用行业5 国内外GNSS产

3、品GNSSGNSS理论部分理论部分 GNSS(Global Navigation Satellite System)是全球导航卫星系统的英文缩写，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目前可供利用的全球卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗以及未来欧洲的Galileo。1. GNSS的现状及未来的现状及未来GNSSGNSS的含义的含义：美国的美国的GPS： GPS是英文Global Positioning System或NAVigation Satellite Timing And Ranging

4、 Global Position System的缩写，即全球定位系统，是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成，分布在6个等间距的轨道平面上。采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分，现有30多颗卫星。 GPS自1973年开始设计、研制，历时20年，于1993年全部建成，GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来 GLONASS: 前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测

5、控制站和用户设备三部分组成。苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，GLONASS 卫星一直处于降效运行状态。采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。 2002年后，随着俄罗斯的经济好转和总统普京试图重振俄罗斯大国雄风的努力，格洛纳斯系统的复兴开始提上日程。 2010年系统在轨卫星总数为23颗，其中21颗正常工作，另外2颗出现技术问题。俄罗斯的俄罗斯的GLONASS：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来Galileo(伽利略）伽利略）: 从从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施

6、论证。年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段频段的频率资源。的频率资源。2002年年3月欧盟月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系国交通部长一致同意伽利略系统的建设。统的建设。 该系统由该系统由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备份卫星组成，卫星采用中颗备份卫星组成，卫星采用中等地球轨道，分布在等地球轨道，分布在3个轨道面上。目前已有个轨道面上。目前已有4颗，颗，预计预计2014年年可投入使用。可投入使用。欧盟的欧盟的Galileo：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的

7、现状及未来的现状及未来中国的北斗：中国的北斗： 北斗导航系统北斗导航系统(COMPASS)，现有，现有 16颗地球同步卫星颗地球同步卫星 ，目前北斗，目前北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件已经发布卫星导航系统空间信号接口控制文件已经发布 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精 度、快速实时定位服务 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以 一次传送超过100个汉字的信息。 精密授时 ： 根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。GNSSGNSS理论

8、部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来增强型系统增强型系统 SBASEGNOS 欧航空局接收卫星导航系统WASS 美国雷声公司的广域增强系统 MSAS 日本的多功能卫星增强系统 SBAS ( Satellite Based Augmentation Systems)是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统：GNSSGNSS理论部分理论部分1. GNSS的现状及未来的现状及未来 定位精度高定位精度高 观测时间短观测时间短 测站间无须通视测站间无须通视 可提供三维坐标可提供三维坐标 操作简便操作简便 全天候作业全天候作业 功能多、应用广功能多、应用广 免费免费 2. GNSS

9、的特点的特点 GNSSGNSS理论部分理论部分军事军事 GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。3. GNSS的应用行业的应用行业测量测量公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量等等 测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。地形测图地形测图RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。放样放样仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，

10、背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，只需一个人操作。3. GNSS的应用行业的应用行业 林业林业 GPS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。在森林中进行常规测量相当困难，而GPS定位技术可以发挥它的优越性，精确测定森林位置和面积，绘制精确的森林分布图。 3. GNSS的应用行业的应用行业 救援救援 利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行

11、报警、定位，将损失降到最低。 有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。汶川地震 农业农业 当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的精准农业耕作。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对

12、环境造成的污染。军事军事 测绘测绘 林业林业 农业农业 地质地质 电力电力 水利水利 交通交通 环保环保 气象气象 地震地震 石油石油 通讯通讯 海洋海洋 城建城建 科研院所科研院所 院校院校 医疗医疗 消防消防 国土国土 GPS的应用是受到人的想象力的限制，的应用是受到人的想象力的限制，GPS无所不在无所不在3. GNSS的应用行业的应用行业GNSSGNSS理论部分理论部分 OEMOEM板卡板卡 Trimble （美国天宝） 天宝 Leica（瑞士莱卡） NovAtel Magellan( 美国麦哲伦） Ashtech TOPCON（日本拓普康） Javad SOKKIA(日本索佳) Nav

13、COM 4. 国内外国内外GNSS产品产品 GNSSGNSS理论部分理论部分华测华测 南方南方中海达中海达易测易测（合众思壮） 4. 国内外国内外GNSS产品产品 GNSSGNSS理论部分理论部分光谱中纬博飞苏光中翰（励精科技）用户部分：用户部分： 接收并测卫星信号接收并测卫星信号 记录处理数据记录处理数据 提供导航定位信息提供导航定位信息空间部分：空间部分：基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575 . 42 MHZ C/AC/A码码 1.023MHZ P P码码 10 . 23MHZL2L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S/S卫星信

14、息电文（卫星信息电文（D D码）码） 每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率 ） 两种载波（两种载波（L1L1和和L2L2） 两种码信号（两种码信号（C/AC/A码和码和P P码）码） 一组导航电文（信息码，一组导航电文（信息码，D D码）码）单点定位可以理解为一个后方交会问题：卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 , 经度 , 高程 h , 钟差 t另外从也可以从几何球面角度来理解v 与卫星有关的误差SA技术 人为地降低广播星历精度（

15、技术）卫星星历误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差地球自转和相对论效应-高精度定位考虑v 与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应v 观测误差与接收机设备的误差接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差直接信号直接信号多路径信号多路径信号v GPS定位的精度还取决于空间后方交会的几何图形强度。 通常用图形强度因子DOP来表示几何图形强度。平面位置图形强度因子HDOP及其相应的平面位置精度 高程图形强度因子VDOP及相应的高程精度空间位置的图形强度因子PDOP及其相应的三维定位精度接收机钟差图形强度因子TDOP及其钟差精度几何图形强度因子GDOP及其三维坐标和时间误

16、差的综合影响 图形强度因子GDOP与该六面体体积成反比。意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大，GDOP值越小，图形越坚强，定位精度越高。可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差可以消去轨道（星历）误差的影响可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响差分差分GPS定位是将一台定位是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站的接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站的精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数，并

17、由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时，也接收到基准发送出去。用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时，也接收到基准站的改正数对其定位结果进行改正，从而提高用户站的定位精度站的改正数对其定位结果进行改正，从而提高用户站的定位精度伪距差分伪距差分 在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。 这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”载波相位差分（载波相位差分（RTK） Real Time Kinemat

18、ic 技术，是实时处理两个测站载波相位载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。 载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。四、坐标系统知识四、坐标系统知识WGS84北京54 西安80 国家2000 长半轴6378137637824563781406378137扁率257223563.298/13 .298/1257.298/1常用的坐标系统257222101.298/11、1954年北京坐标系年北京坐标系 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=

19、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。 1各种坐标系统各种坐标系统2、1980西安坐标系西安坐标系 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：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

20、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。1各种坐标系统各种坐标系统3、WGS-84大地坐标系大地坐标系 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。1各种坐标系统各种坐标系统4、国家、国家2000大地坐标系大地坐标系 为了适应空间技术应用的需要，而建立的地心三维的高精度大地坐标系。椭球的几何参数： a=6378137.0m； =1/

21、298.2575、独立坐标系（地方坐标系）、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当地平均高程面。1各种坐标系统各种坐标系统高程基准高程基准 1、1956年黄海高程系年黄海高程系 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。 2、1985国家高程基准国家高程基准 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

22、为72.260m。1各种坐标系统各种坐标系统 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统 。 大地高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 高程系统高程系统 正高系统正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号H。 正常高系统正常高系统是以似似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂

23、线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用HY ，我国采用似大地水准面。1各种坐标系统各种坐标系统大地水准面差距大地水准面差距，即大地水准面到参考椭球面的距离，记为 hg hg= H Hg高程异常高程异常，即似大地水准面到参考椭球面的距离，记为 = H - HY 高程系统高程系统1各种坐标系统各种坐标系统坐标投影： 椭球参数(长半轴和扁率) 中央子午线 投影面如何求解中央子午线？ 3度带 L中= 3n 6度带 L中 = 6n-3 当地自定义中央子午线1各种坐标系统各种坐标系统七参数七参数 在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1

24、954年北京坐标系或是地方（任意|当地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。2坐标系统转换坐标系统转换三参数三参数点校正（四参数点校正（四参数+高程拟合）高程拟合）七参数七参数2坐标系统转换坐标系统转换 两个椭球间的坐标转换一般而言比较严密的是用七参数法（包括布尔莎模型，一步法模型，海尔曼特等），要求得七参数就需要在一个地区需要3个以上的已知点， 3个平移参数（原点不重合产生）；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）；个旋转参数（坐标轴不平行产生）； 1个尺度参数（尺度不一致产生）。个尺度参数（尺度不一

25、致产生）。7 参数七参数七参数2坐标系统转换坐标系统转换常州常州徐州徐州2坐标系统转换坐标系统转换三参数三参数如果区域范围不大，最远点间的距离不大于如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km(经验值经验值)，可，可以用三参数（莫洛登斯基模型），即以用三参数（莫洛登斯基模型），即X平移，平移，Y平移，平移，Z平移，平移，而将而将X旋转，旋转，Y旋转，旋转，Z旋转，尺度变化旋转，尺度变化K视为视为0，所以三参数只，所以三参数只是七参数的一种特例。七参数是七参数的一种特例。七参数50平方公里以上，大到一个地区，平方公里以上，大到一个地区，一个市，如上海、北京等。一个市，如上海、北京等。3 参数2

26、坐标系统转换坐标系统转换三参数三参数全国全国北京北京2坐标系统转换坐标系统转换点校正点校正-求求“四参数四参数+高程拟合高程拟合”水平平差：水平平差：北原点：东原点：北平移量：东平移量：旋转：比例因子：垂直平差：垂直平差：北原点：东原点：北斜坡：东斜坡：平差常数：水准面模型：从理论上而言，平面坐标从理论上而言，平面坐标XY使用四参数是最精使用四参数是最精确的方法，高程使用高程拟合是最精确的方法确的方法，高程使用高程拟合是最精确的方法 。 要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标系统下坐标的地面点。因此，就需要一组WGS-84坐标和一组当地平面坐标：北, 东和高程。WGS

27、-84当地平面坐标 点校正点校正一、水平平差至少2个水平控制点 下面以5个点为例= GPS 观测值观测值= 控制点控制点点校正点校正旋转旋转点校正点校正平移平移点校正点校正比例系数比例系数点校正点校正 残差：残差： 校正执行后的格网平面坐标和GPS坐标的差值。 残差越小，说明校正的参数越精确残差越小，说明校正的参数越精确-GPS (WGS-84 co-ordinates)和当地平面坐标之间的相对关系越好。和当地平面坐标之间的相对关系越好。残差残差校正结果（水平残差）校正结果（水平残差） 理想的残差应该小于理想的残差应该小于 20mm，残差将被残差将被均匀的分布在各个校正点之间。均匀的分布在各个

28、校正点之间。 因此，我们最终坐标的最小精度应因此，我们最终坐标的最小精度应该是：该是： 标准标准RTK 测量的误差加上最大的测量的误差加上最大的校正残差。校正残差。点校正点校正二、垂直平差二、垂直平差点校正点校正二、垂直平差二、垂直平差椭球面椭球面似大地水准面似大地水准面地球表面地球表面HHYHHYHHYHHYHHY = H - HY = 高程异常高程异常点校正点校正HYHH地球表面地球表面似大地水准面似大地水准面椭球面椭球面 = H - Hg HHYHY斜面或曲面斜面或曲面二、垂直平差二、垂直平差点校正点校正1 1、加权均值法、加权均值法2 2、多项式曲线拟合、多项式曲线拟合3 3、多项式曲

29、面拟合、多项式曲面拟合4 4、多面函数曲面拟合、多面函数曲面拟合5 5、线性移动拟合法、线性移动拟合法6 6、神经网络法、神经网络法 高程拟合计算的方法：高程拟合计算的方法：其中其中GPS 水准利用水准利用多项式曲面拟合法多项式曲面拟合法应用最广。应用最广。点校正点校正1单点的高程异常与坐标( x，y) 之间函数关系如下： = f ( x，y) + 其中, f ( x , y) 为中趋势值，似大地水准面；为模型误差2 当有多个点时， 写成矩阵形式如下： = XB+ f ( x , y) = a 0 + a 1 x + a 2 y + a 3 x2 + a 4 xy + a 5 y2 + 对于每个已知点， 在最小二乘准则条件下，解出各a i , 求出测区范围内任何插值点的高程异常值，进而计算出GPS 点的正常高。 注：两个已知点以下即为加权