GNSS卫星导航定位基础.ppt

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1、问 题,你对测量学有多少认知？见过什么样的测量工具?,测量学与你所学专业有何关系?,应 用 实 例,应 用 实 例,地球的自然表面：地球的自然表面高低起伏，其形状十分复杂。海洋的面积占71%,陆地的面积占29%。珠穆朗玛峰高达8844.43m马里亚纳海沟深达11022m,人类认识地球的过程经过了2-3千年的过程,第 5 页,杭州,北纬 30 25 53东经 120 14 88,如何确定空间点的位置,确定一个二维空间点位需要至少两个量确定一个三维空间点位需要至少三个量(上例测量出房子脚比树脚处高或低多少)通常采用(1)一个高程+两个二维坐标量(2)三个三维坐标量,测量坐标系与数学坐标系,x,y,

2、O,O,x,y,测量坐标系,数学坐标系,不同点坐标轴指向不同 2、坐标象限不同 3、表示直线方向的角度定义不同注：把X轴与Y轴互换后，全部三角公式都能在测量计算中应用。,第一节 GNSS坐标系统,测量工作的基本任务是确定点的空间位置。一个点的空间位置，需要三个量来确定。（经度、纬度和高程或X、Y、H）位置的确定离不开坐标系。坐标系三要素：原点位置 坐标轴指向 尺度,GPS测量坐标系的分类,测量坐标系：一、大地坐标系二、空间直角坐标系三、平面直角坐标系,大地经度L：过地面点P的子午面与起始子午面的夹角 起始子午面：向东 为正 0-180 东经，向西 为负 0-180西经，大地纬度B：过地面点P的

3、椭球法线与赤道面的夹角 赤道面：向北 为正 0-90 北纬，向南 为负 0-90 南纬，大地高H：P点沿椭球面法线到椭球面的距离。椭球面：向外为正，向内为负,一、大地坐标系,P,H,B,L,P点坐标：(B，L，H）,子午面,子午线,起始子午面,大地经度,赤道面,大地纬度,一、大地坐标系,例：福州某点的位置是东经119，北纬26。,一、大地坐标系,例：武汉某点的位置是东经114，北纬30。,例：西安某点的位置是东经108，北纬34。,我国的大地坐标系包括：1.1954年北京坐标系（BJ54旧）2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）3.新1954年北京坐标系（BJ54新）4.国家2000坐标系

4、（CGCS2000）,国家大地坐标系 1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在的问题：（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面差距大，不能达最佳拟合，存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）坐标误差累计大（坐标从东北传递到西北和西南的，未进行整体平差，各部分结合点有12米的误差）。（4）定向不明确即X,Y轴的指向不明。（5）属参心坐标系。（和卫星坐标的原点不一致）,2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差

5、。特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）大地高程基准采用1956年黄海高程。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6)其大地点的高程起算面是似大地水准面，是局部基准而 全球基准。,中华人民共和国大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇，是1980年国家大地坐标系起算点。,平面基准,大地原点,3.新1954年北京坐标系（BJ54新）新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球

6、。（2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。（3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定 向于GDZ80相同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。,GPS测量中的常用坐标系统,4.国家2000坐标系（CGCS2000）坐标原点：地球质量中心（包括海洋和大气的整个地球）参考椭球：旋转椭球（等位椭球）国家测绘地理信息局规定2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的

7、过渡期为8-10年。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系；2008年7月1日后新产生的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。,测量坐标系：一、大地坐标系二、空间直角坐标系三、平面直角坐标系,二、空间直角坐标系,Z,Y,X,O,N,S,以椭球体中心o为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴赤道面上与x轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为Z轴，构成右手直角坐标系,世界大地坐标系WGS-84坐标系原点：地球质心,GPS所采用的坐标系。,WGS-84是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统,WGS-84坐标系 World Geodetic System 1984,WGS-84（G73

8、0）,WGS（G873）,USNO站和北京站的改正；东部方向加入了31-39cm 的改正,G表示由GPS测量得到,730表示为GPS时间第730个周,表2 WGS-84坐标系定义,测量坐标系一、大地坐标系二、空间直角坐标系三、平面直角坐标系,三、平面直角坐标系高斯平面直角坐标系独立平面直角坐标系 坐标原点一般是假设的 建筑施工坐标系 坐标轴方向沿建筑物主轴线方向 当测区范围较小时（小于 100km2），常把球面看作平面，这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标系来确定。,坐标系原点一般 选在测区西南角（测区内X、Y均为正值）；原点坐标值可以假定，也可以采用高斯平面直角坐标；规定：X 轴向

9、北为正，Y轴向东为正。,O,X,Y,测区,北,独立的平面直角坐标系,坐标原点有时是假设的，假设的原点位置应使测区内各点的X，Y值为正。,独立的平面直角坐标系,不同平面直角坐标之间坐标转换 xoy 为测量坐标系；AOB 为施工坐标系。,地方坐标系 地方坐标系选自己的地方参考椭球，基准面为当地的平均海拔高程面。地方与国家的参考椭球的关系:中心一致 轴向一致 扁率一致 长半径有一增量,坐标转换,问题由来,坐标转换,同一坐标参照系下,e.g.,不同坐标参照系下,坐标系变换,基准变换,基准变换坐标系变换,e.g.,e.g.,空间直角坐标系与大地坐标系间的转换,B,L,H X,Y,Z,X,Y,Z B,L,

10、H,空间直角坐标系与大地坐标系间的转换,坐标系统之间的转换,不同平面直角坐标系之间的转换（四参数法）适用于高斯平面坐标间的转换,七参数法-需要三个点在两个坐标系中的坐标四参数法-需要两个点在两个坐标系中的坐标,第二节 GNSS测量的时间系统,GNSSS测量中，时间的意义：确定GPS卫星的在轨位置 确定测站的位置 确定地球坐标系与天球坐标系的关系,（1）恒星时ST 定义：以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。(岁差和章动)（2）平太阳时M

11、T 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。（3）世界时UT 定义：以子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。,时间系统(按尺度、起始历元),第二节 GPS测量的时间系统,原子时IAT 原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。协调世界时UTC 为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷

12、的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。协调时与国际原子时之间的关系，GNSS时间系统GNSST GNSST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GNSST的 原点与国际原子时LAT相差19s。有关系式:IAT-GNSST=19（s）,区时,1884年国际经度会议决定，全世界按统一标准划分时区、实行分区计时。按这种方法，每隔经度15为一个时区，全球共划分成24个时区。我国西起东经72，东至东经135，共跨有5个时区，我国采用东8区 的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。,第三节 GNSS测量的高程系统,根据已

13、知点高程，测定该点与未知点的高差，然后计算出未知点的高程的方法。,高程测量的方法分类,1、水准测量2、三角高程测量 3、GNSS测量,水准测量原理,基本原理：利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。,地球自然表面,大地水准面,参考椭球面,图 地球的形状和大小,水 准 面,图2-14,高程（绝对高程、海拔）：地面点到大地水准面的铅垂距离。假定（相对）高程：地面点到假定水准面的铅垂距离。高差：两点间的 高程之差。,第 49 页,假定水准面,大地水准面,高差,绝对高程 大地水准面 HA相对高程 任意水准面H/A大 地 高 参考椭球面,高 差 两点高程之差 h

14、与起算水准面无关,验潮站,高程基准面的确定是通过验潮站多年验潮资料求定的。我国验潮站设在青岛。高程起算点（水准原点）设在青岛的观象山上。验潮站设施：验潮室、验潮井、验潮仪、验潮杆及一系列水准点。中国高程系统（常用）：黄海高程系 1956年的水准原点高程为72.289m；1985国家高程基准 1985年的水准原点高程为72.260m；,1985国家高程基准高程数据=1956年黄海高程数据-0.029m,验潮室中国85黄海高程系统 示意图,国家水准原点位于青岛观象山高程不等于零,罗零高程,在福建省福州市马尾镇对岸的长乐县营前设立海关，建立码头。在离码头台阶1m多的岩石斜坡处刻有标志，作为高程零点，

15、称为罗星塔零点。因该点经常浸水，甚至泥沙埋没，不便使用。后在该零点附近较高岩石上另刻一标志，称为罗星塔基点，其罗星塔高程为2.743m（即9ft）。此高程系统直到20世纪50年代仍为福建省水利水文系统广泛应用。经1956年中国东南部地区精密水准网平差，罗星塔基点的1956年黄海高程为0.564m 换算关系为罗星塔高程2.179m1956年黄海高程,吴淞高程,光绪九年（1883年）巡工司根据咸丰十年至光绪九年在张华浜信号站测得的最低水位作为水尺零点。后又于光绪二十六年，根据同治十年至光绪二十六年（18711900年）在该站观测的水位资料，制定了比实测最低水位略低的高程作为水尺零点，并正式确定为吴

16、淞零点（）。以吴淞零点计算高程的称为吴淞高程系，上海历来采用这个系统。民国11年（1922年），扬子江水利委员会技术委员会确定长江流域均采用吴淞高程系。1951年，华东水利部规定，华东区水准测量暂时以吴淞零点为高程起算基准。吴淞高程系与国家1956年黄海高程系的差值，在上海市境内为1.6297米。,高 程 转 换,大地测量高程系统,大地水准面,椭球面,似大地水准面,高 程 参 考 面 不 同,正高,大地高,正常高,大地水准面差距N,高程异常,垂线,法线,垂线,各种高程面和参考面的关系图：,高程系统,一、正高（海拔高）H正 1、定义：指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离 2、特点：（1）正高高程是

17、唯一的；（2）一点在不同深度处的重力加速度的平均值二、正常高H常 1、定义：指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面,高程系统,三、大地高（椭球高）H 1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的大地高 2、特点：大地高是纯几何量，不具物理意义。同一个点在不同基准下有不同的大地高大地水准面差距：椭球面与大地水准面之间的距离。高程异常：椭球面与似大地水准面之间的距离。,高程系统的转换,GNSS测得的高程是以WGS-84椭球面为高程起算面的即为大地高，我国的1956年黄海高程系统和1985年国家高程基准是以似大地水准面作为高程起算面的即为正常高，所以GPS测量要

18、进行高程系统的转换。常用的转换方法有四种：高程拟合法 1）斜面拟合法 2）二次曲面拟合法 区域似大地水准面精化法,GPS 高程的方法 由于采用GPS观测所得到的是大地高，为了确定出正高或正常高，需要有大地水准面差距N或高程异常数据。一、等值线图法：从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距N，然后分别采用下面两式可计算出正常高Hr和正高Hg。,高程系统的转换,提高GNSS高程精度的措施,1.提高大地高（高差）测定的精度2.提高联测几何水准的精度3.提高转换参数的精度4.提高拟合精度的办法,思考题,1、确定地面上一点的位置，常采用的测量坐标系有哪几种？2、大地坐标系和高斯平面坐标系分别是怎样建立的？3、何谓绝对高程？何谓相对高程？4、两点之间的绝对高程之差与相对高程之差是否相同？为什么？5、地面点到大地水准面的铅垂距离为该点的_，目前我国采用_为高程基准，青岛水准原点的_为72.260m。,