测量学课件(全站仪和GPS)

一、全站仪(totalstation)的发展

opticaltheodolite—electronictheodoliteSteeltape———EDM(图片)第十二章测量新技术应用§12.1全站仪(totalstation)功能介绍二、全站仪（totalstation）构造简介徕卡TPS700系列卓越中文全站仪拓普康GTS332W全站仪索佳10系列全站仪尼康DTM801系列全站仪宾得全站仪PTSV2南方NTS202205全站仪三、全站仪的功能介绍

A．角度测量(angleobservation)（1）功能：测水平角（horizontalangle）竖直角(verticalangle)（2）方法：与经纬仪相同。若要测出水平角∠AOB，则：aob

AOB当精度要求不高时——只需半测回：瞄准A点——置零（0SET）——瞄准B点，记下水平度盘HR的大小。aob

AOB当精度要求高时：——可用测回法步骤同用经纬仪操作，配置度盘时，可以用“置盘”（HSET）提问：测回法操作步骤？Aaob

BOB．距离测量(distancemeasuring)PSM、PPM设置——测距、坐标、放样前。1）棱镜常数（PSM）的设置。一般：

PRISM=0（原配棱镜），-30mm（国产棱镜）2）大气改正数（PPM）（乘常数）设置。

输入测量时的气温（TEMP）、气压（PRESS），或经计算后，输入PPM的值。（1）功能：可测量平距、高差和斜距（全站仪镜点至棱镜镜点间高差及斜距）（2）方法：照准棱镜点，按MEAS。

全站仪(totalstation)反光棱镜(reflector)S=cΔt/2C．坐标测量(coordinatemeasuring)

（1）功能：测出目标点的(X,Y,H)（2）原理1)平面坐标（X，Y）测量原理

2）高程（Z）测量原理

（3）方法后视点测站点待测量点1)输入测站X，Y，H，仪器高i，棱镜高t。2)瞄准后视点，将水平度盘读数设置为测站至后视点的坐标方位角。3)瞄准目标棱镜点，按MEAS（测量）键。D、点位放样(Layout)（1）功能：

根据设计的待放样点P及已知点的坐标，在实地标出P点的平面位置及填挖高度。XY后视点测站点待放样点P（2）原理

1）先在待放样点的大致位置立棱镜对其进行观测，测出当前棱镜位置的坐标。XY后视点测站点待放样点P位置当前棱镜位置

2）将当前坐标与放样点的坐标相比较，计算出其差值。距离差值dD和角度差dHR或纵向差值ΔX和横向差值ΔY。XY后视点测站点当前棱镜位置待放样点PdDdHR3）根据显示的dD、dHR或ΔX、ΔY，

逐渐找到放样点的位置。XY后视点测站点当前棱镜位置待放样点PdDdHRdHR=0000’00”dHD=0mE．程序测量（1）数据采集（2）坐标放样（3）对边测量、悬高测量、面积测量、导线测量、后方交会等。（4）数据存储管理。包括数据的传输、数据文件的操作（改名、删除、查阅）。

四、拓普康全站仪的使用

见“拓普康全站仪使用简介”讲义附：TOPCON全站仪放样点位的方法

以下介绍的是少量零星点的坐标放样方法：1、按MENU——进入主菜单测量模式。2、按LAYOUT——进入放样程序，再按SKP——略过选择文件。3、按OOC.PT（F1），再按NEZ，输入测站O点的坐标（x0,y0,H0）；并在INS.HT一栏，输入仪器高。4、按BACKSIGHT（F2），再按NE/AZ，输入后视点A的坐标（xA,yA）；若不知A点坐标而已知坐标方位角，则可再按AZ，在HR项输入的值。瞄准A点，按YES。5、按LAYOUT（F3）：输入待放样点B的坐标（xB,yB,HB）及测杆单棱镜的镜高后，按ANGLE（F1）。使用水平制动和水平微动螺旋，使显示的dHR=0，即找到了OB方向，指挥持测杆单棱镜者移动位置，使棱镜位于OB方向上。

6、按DIST，进行测量，根据显示的dHD来指挥持棱镜者沿OB方向移动，若dHD为正，则向O点方向移动；反之若dHD为负，则向远处移动，直至dHD=0时，立棱镜点即为B点的平面位置。其所显示的dZ值即为立棱镜点处的填挖高度，正为挖，负为填。7、按NEXT——放样下一个点C。1、角度模式（左、右角，没零方向，对度盘、水平角、 竖直角等）2、距离测量模式（1）常数设置，气象改正数设置（2）精测、粗测、距离跟踪方式的选择（3）施工放样值设定及测设（4）同时完成角度、距离、高差测量3、坐标测量模式4、特殊模式（菜单模式），又称为“仪器内部程序测量 模式”五、全站仪测量模式悬高测量、对边测量、支导线测量等1、全站仪与棱镜安置2、开机（检查电池电量）3、选择测角、测距模式4、输入棱镜常数5、输入仪器加、乘常数6、输入气象改正参数----自动完成气象改正7、输入仪器高与棱镜高----自动完成倾斜改正六、全站仪操作1、全站仪每年按规定必须送仪器检定中心进行仪器检验主要项目有2、阳光下作业要打伞遮阳3、防止仪器淋雨、进水4、尽可能避开高压线、变电站等强电场干扰源七、全站仪使用注意事项5、搬站一定关机、装箱，不可以带脚架搬站6、运输和存储过程中应防震、防潮、防高温7、电池要注意及时充电，仪器不用时，将电 池分开存放。一、GPS的定义及历史1．定义

全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。

§12.2GPS定位原理及应用简介2．GPS的产生与发展——由TRANSIT到GPS

1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统(TRANSIT)。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。

二、GPS的组成

GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。

空间部分：24颗卫星等间距分布在ABCDEF六个轨道面上，轨道倾角55度，轨道近圆形，周期11小时58分，卫星重464千克，主体呈圆形，直径1.5米。地面部分：四个监控站一个上行注入站和一个主控站。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将数据传送到主控站；主控站收集各监控站对GPS卫星的全部数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟差改正值;

外推一天以上的卫星星历及钟差并按一定的格式转化成导航电文。上行注入站在每颗卫星运行到上空时把这类导航数据及主控站的指令注入卫星，每天进行一次。用户接收机接收卫星信号获得伪距和导航电文以及接收机本振产生的信号相位与卫星信号的相位之差。1973年始建至1994年结束，历经二十年耗资三百多亿美元，共发射39颗卫星（BlockI15颗，BlockII24颗）保证在世界任何地方至少同时看到4颗卫星。1、空间部分

由21颗工作卫星

和3颗备用卫星。

GPS卫星图片1GPS卫星图片22、地面控制部分。Coloradosprings55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。3、用户接收机部分GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机三、GPS定位方法分类

（1）绝对/单点定位(pointpositioning)——确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。（2）相对定位(relativepositioning)——确定观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标，即相对位置。

四.GPS定位原理(一).伪距导航与定位s1s2s3s4本振信号卫星信号(二)、载波相位法精密定位本振信号卫星信号

1OBS1=2*N1+

1

2本振信号卫星信号OBS2=2*N2+

1(XYZ)基线矢量D1(X1,Y1,Z1)D2(X2,Y2,Z2)+=VRS结构示意图三个站控制北京市区一个70KM北京市区面积900多平方公里，最大跨度30KM。边长的三角形可控制2200多平方公里。

3个站可控整个北京市区10个站可控制整个北京五、GPS的后处理测量方法

1．静态测量(staticsurveying)（1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。（2）用途

是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度

可达到（5mm+1ppm）2．动态测量(kinematicsurveying)（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。（2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度：可达到（10~20mm+1ppm）

图形：相对定位模式静态相对定位模式流动站动态相对定位模式基准站3、GPS实时动态定位（RTK）方法

(1)．RTK(real-timekinematic)工作原理及方法与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。

(2)．RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。

(3)．作业范围：目前一般为10km左右。(4)．精度：可达到（10~20mm+1ppm）

GPS测量工作可分为外业作业和内业两大部分。外业工作主要包括，选点（即观测站址的选择）、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等工作六GPS测量的实施内业工作主要包括，GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。

GPS测量，是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，实施这项工作的原则是，在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下，尽可能地减少经费、时间和人力的消耗。因此，对其各阶段的工作，都要精心设计，精心组织和实施。1.子午仪卫星导航系统定位原理:多普勒效应“单星低轨测速”体制

1964年投入使用，系统由6颗卫星组成,轨道倾角90度，间隔1.5小时定位一次,观测8分钟,二维位置精度优于40米。应用:潜艇,船舶导航;大地测量,石油物探,地球监测,高精度授时等领域。

2.GPS全球定位系统

七其它定位系统

3.GLONASS全球定位系统

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从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、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。

4.“伽俐略”（GNSS）导航卫星定位系统

伽俐略计划是欧盟实施的一项大型综合性卫星导航定位计划，1994年欧盟开始对伽俐略（GNSS）系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽俐略系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽俐略系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资36亿欧元。

5.“北斗”卫星导航定位系统全球定位系统“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进

1)可见卫星数增加一倍

2)缩短解载波相位整周模糊度求解时间,提高生产效率

3)提高观测结果的可靠性

4)提高观测结果的精度八.美国定位系统的政策

1.SPS和PPS的定义及其政策标准定位服务SPS包括定位服务和定时服务,这一服务是全天候,全球性的。对一切用户开放，不直接向用户收费。水平定位精度（实施SA技术）为100米（95

置信度）或300米（99

置信度）。高程精度为140米（95%置信度）；定时精度为340ns（99

置信度）。和平时期SPS的终止,将提前48小时由DOD通知美国海岸警卫队(GPSIC),恢复由GPSIC通告民用用户。高精度定位服务PPS由DOD控制，连续在全球范围内提供定位定时和测速服务，服务对象限于美军以及DOD有专门协定的盟军。未经批准的民用部门不得使用，对美国批准的用户可以获得三维分量上约8米的精度。

2.SAAS技术

SA技术:GPS设计预计C/A码的定位精度为400米,但实测的定位精度达15—40米,测速精度高达每秒零点几米,美DOD认为这样的精度提供给用户危及到美国的安全,不能接受,决定使用所谓的选择使用性(SA)措施来拒绝未经批准的用户使用高的定位精度。(卫星基准频率

技术,导航电文

技术)(克服措施：GPS测轨，DGPS技术，GLONASS卫星）

AS(Anti-Spoofing)抗窃密技术或电子欺骗技术,在P码上采用编码技术,防止敌方播发假的P码信号干扰,将P码变成Y码。在精密测量中，P码的作用很重要，如码的平滑数据的联合处理，实时模糊度解算等。九、GPS定位测量特点及前景(一)、GPS特点：

1、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm。

2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3、测站间无须通视

4、可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。6、全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。(二)、应用前景

1、GPS系统用途广泛

2、多元化空间资源环境的出现（GPS/GLONASS/GNSS）

3、发展GPS产业

4、GPS的应用将进入人们的日常生活

有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就象移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

十、GPS技术应用1、GPS在大地控制测量中的应用

GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里，其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务2、GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。

GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据（如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现，其在测量中的应用立刻受到人们的重视和青睐。

3、GPS在海洋测绘中的应用

海洋测绘主要包括海上定位、海洋大地测量和水下地形测量。海上定位通常指在海上确定船位的工作。主要用