08第五讲海洋定位测量

1、第五讲 海洋定位测量 艾彬 海洋测绘内容 n 海洋测量包括： n海洋大地测量 n水深测量 n海洋定位 n海底地形地貌测量 n海洋工程测量 n海洋重力测量 n海洋磁力测量 n海洋水文测量 n 海洋信息管理包括： n 海洋地理信息的管理、 分析、处理、应用以至数 字海洋（MGIS）。 海洋测绘包括海洋测量、各种海图的编绘及海洋 信息的综合管理和利用。 n 海图绘制包括： n各种海图、海图集、海 洋资料的编制和出版； n 海洋定位测量基准 n 海洋定位坐标系统（重点掌握） n 海洋定位控制测量（理解与掌握） n 水下定位控制测量（理解） n 海面卫星定位 n 信标定位 n GNSS相对定位 n 差分

2、GNSS定位 （重点掌握） n 水下声学定位 n 水下声学定位原理（重点掌握） n 水声定位系统 第五讲 海洋定位测量 基本概述 海洋定位测量是海洋测量中最基本的工作，一般包括海上定位测量和水 下定位测量。 海上定位测量：测定海面上船只实时位置的工作。 常用方法 光学定位仪器（经纬仪、六分仪、全站仪） 岸基无线电定位仪器（电磁波测距仪、双曲线方式定位仪器、圆-圆方式 定位仪器） 水声定位仪器（水下声标和接收基阵组成的水声定位系统） 卫星定位仪器（北斗卫星导航系统，GPS系统，GLONASS系统， GALILEO系统，INMARSAT系统） 组合定位（导航）仪器（MX-200组合导航系统，GIN

3、导航系统， GPS/GLONASS多星接收机） 基本概述 测量任务测量任务平面位置精度平面位置精度/m高程精度高程精度/m 绝对相对绝对相对 海洋大地测量控制点1-1011-51 海岸重力基点10101 海面地形0.51 平均海面0.1 校正无线电定位系统控制点101 声学航标1010 普查性海道测量和地球物理勘探测量100-500100-500 海底地形测量和海洋工程测量50-10015-75 海上的标准台站10150.3 钻井11.51-5 敷设管线101-10 海上划界测量101-2 打捞救生20-10010-20 导航300045-500 海洋测量定位的精度要求 海洋定位测量基准 n

4、海洋定位坐标系统 n 与陆地测量相一致的大地坐标系（一般为参心坐标系） n 与卫星定位系统相一致的地心大地坐标系 n 海面定位控制测量 n 海洋大地控制网（marine geodetic network）：是由一系列布设在 海洋领域的测量控制点构成的大地控制网。包括海面控制网、海底控 制网，由海底控制点，海面控制点，以及海岸（或岛屿）上的控制点 组成 n 为大比例尺海底地形测量和海图测绘提供控制基础； n 对海域地壳运动及地震、火山活动进行有意义的动态监测 n 海面控制网组成：以固定浮标为控制点的控制网，海岸控制网、岛屿 控制网、以及岛屿-陆地控制网 n 海面控制网采用逐级控制的方法，控制点等

5、级由高到低依次为：基本 点、加密点和临时点 n 基本点：与陆地大地控制网直接联结的海洋大地控制点；间距约为 1001000km； n 加密点：在基本点的基础上进一步加密设置的海洋大地控制点。间距约为 230km； n 临时点：在测区内为满足某项工作需求而临时设置的海洋大地控制点；工作 完成后便移至新的测区。间距=2km。 海洋定位测量基准 片形海洋控制网 正方形锁 三角锁 为基本控制点，o为加密点 加密后的海洋控制网 n 沿海无线电指向标/差分全球定位系统 n 无线电指向标/差分全球定位系统（RBN/DGPS）简称定标差分定位系统。 n 信标差分：信标台站-移动站差分，利用两台GPS接收机，一

6、台是信标基 准站GPS，一台是用户端GPS，并且知道基准站的坐标。 n 原理：在已知坐标的固定点上架设一台GPS接收机（信标台站），通过 GPS的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据（RTCM），再通 过数据链将误差修正参数实时播发出去，用户信标接收机端通过数据链 接收修正参数并传给GPS，GPS接收修正参数后和自己的定位数据进行 修正解算，即可将定位精度提高至米级甚至厘米级。 海洋定位测量基准 利用现有的海用无线电信标台，在其所发射的信号中加一个副载波调制，利用现有的海用无线电信标台，在其所发射的信号中加一个副载波调制， 以发射以发射GPSGPS差分修正信号，提供导航定位服务。差分修正信

7、号，提供导航定位服务。 1 1、无线电波分类、无线电波分类 分分 类类符符 号号频频 率率波波 长（长（m） 甚低频甚低频 低低 频频 中中 频频 高高 频频 甚高频甚高频 超高频超高频 特超高频特超高频 极高频极高频 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 330KHZ 30300KHZ 3003000KHZ 330MHZ 30300MHZ 3003000MHZ 330GHZ 30300GHZ 3000010000 100001000 1000100 10010 101 10.1 0.10.01 0.010.001 海洋定位测量基准（补充知识） 低频、中频、高频信号低频、中

8、频、高频信号 1 1）地面波：）地面波： （1 1）测量分量，沿着地球表面传播。）测量分量，沿着地球表面传播。 （2 2）传播距离随着发射功率的增加而增加，随）传播距离随着发射功率的增加而增加，随 着频率的增大而减少。着频率的增大而减少。 2 2）天）天 波：干扰分量，由电离层反射产生。波：干扰分量，由电离层反射产生。 2 2、地面波、天波、地面波、天波 海洋定位测量基准（补充知识） 1）直接波：测量信号）直接波：测量信号 2）地面反射波：）地面反射波： 干扰分量，由地面反射产生。干扰分量，由地面反射产生。 甚高频、超高频、特超高频甚高频、超高频、特超高频 3 3、直接波、地面反射波、直接波、

9、地面反射波 海洋定位测量基准（补充知识） 无线电定位系统的分类无线电定位系统的分类 1）近程：小于）近程：小于300km 2）中程：）中程： 300km 1000km 3）远程：大于）远程：大于1000km 1 1、按基准站作用距离分、按基准站作用距离分 海洋定位测量基准（补充知识） 2 2、按定位采用的无线电频率分、按定位采用的无线电频率分 1）微波：）微波：330GHZ 2）超高频：）超高频： 3003000MHZ 3）中频：）中频： 3003000KHZ 4）低频：）低频： 30300KHZ 5）甚低频：）甚低频： 1030KHZ 随着频率的降低，无线电波传播的距离加大，但随着频率的降低

10、，无线电波传播的距离加大，但 精度随之降低。精度随之降低。 无线电定位系统的分类无线电定位系统的分类 海洋定位测量基准（补充知识） 连续波、脉冲波连续波、脉冲波 1）连续波：通过相位比较的方法测量无线电）连续波：通过相位比较的方法测量无线电 波传播的时间，但存在整波长数不定解问题波传播的时间，但存在整波长数不定解问题 （载波相位）。（载波相位）。 2）脉冲波：直接测量信号传播的时间延迟，）脉冲波：直接测量信号传播的时间延迟， 但存在抵抗周围噪声能力差，精度低的问题但存在抵抗周围噪声能力差，精度低的问题 （伪距）。（伪距）。 3 3、按发射信号分、按发射信号分 无线电定位系统的分类无线电定位系统

11、的分类 海洋定位测量基准（补充知识） 1 1）单向测距）单向测距 圆曲线定位系统，定位精度相对较低，但可供无限用户使用。圆曲线定位系统，定位精度相对较低，但可供无限用户使用。 2 2）双向测距）双向测距 圆曲线定位系统，定位精度高，但用户数量少。圆曲线定位系统，定位精度高，但用户数量少。 3 3）距离差）距离差 双曲线定位系统，定位精度相对较低，但接收机价格低廉，双曲线定位系统，定位精度相对较低，但接收机价格低廉， 可供无限用户使用。可供无限用户使用。 4 4、按测量方式分、按测量方式分 无线电定位系统的分类无线电定位系统的分类 海洋定位测量基准（补充知识） 典型无线电定位系统典型无线电定位系

12、统 1 1、微波系统、微波系统 1）工作频率：）工作频率：2GHZ10GHZ 2）特点：）特点： （1）采用双向测距，圆曲线定位。）采用双向测距，圆曲线定位。 （2）测量信号是直接波。）测量信号是直接波。 （3）精度一般为：）精度一般为：15m （4）天线小，岸台天线有方向性。）天线小，岸台天线有方向性。 （5）消耗功率低。）消耗功率低。 海洋定位测量基准（补充知识） 系系 统统Trisponder Mihi- ranger Autotape Tellurometer MRD1 Tellurometer MRB210 原原 理理脉冲脉冲脉冲脉冲比相比相比相比相比相比相 工作方式工作方式双向测距

13、双向测距双向测距双向测距双向测距双向测距双向测距双向测距双向测距双向测距 用户数量用户数量4101131 频率（频率（GHZ）95.45.6333 精精 度度3m3m0.5m+1ppm0.5m+3ppm1.5m 测程（测程（km）753710010050 3）典型的微波定位系统）典型的微波定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 1）工作频率：）工作频率：420MHZ450MHZ 2）特点：）特点： （1）采用双向测距，圆或双曲线定位。）采用双向测距，圆或双曲线定位。 （2）测量信号是直接波。）测量信号是直接波。 （3）精度一般为：）精度一般为：15m。 （4）天线小，岸台天线有方向性。）天线小

14、，岸台天线有方向性。 2 2、超高频系统、超高频系统 典型无线电定位系统典型无线电定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 系系 统统SyledisTrigentMaxiran 原原 理理脉冲脉冲脉冲脉冲脉冲脉冲 工作方式工作方式双向测距、距离差双向测距、距离差双向测距双向测距双向测距双向测距 用户数量用户数量4 / 无限无限50622 频率（频率（MHZ）420400或或600420450 精精 度度1m3m3m 测程（测程（km）120250360 3）典型的超高频定位系统）典型的超高频定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 1）工作频率：）工作频率：1.5MHZ5MHZ 2）特点：）特点：

15、 （1）采用双向测距，也可以双曲线定位和单向测距。）采用双向测距，也可以双曲线定位和单向测距。 （2）测量信号是地面波）测量信号是地面波 （3）用比相法测量。）用比相法测量。 （4）用于中程定位，精度比较高。）用于中程定位，精度比较高。 3 3、中频系统、中频系统 典型无线电定位系统典型无线电定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 系系 统统 ArgoDM- 50/54 Hi-fix6RaydistToran ONI system Hydrotra c Lorac 原原 理理比比 相相比比 相相比比 相相比比 相相比比 相相比比 相相比比 相相 工作方式工作方式 双向测距双向测距 /双曲线双曲

16、线 双向测距双向测距 /双曲线双曲线 双向测距双向测距 /双曲线双曲线 双曲线双曲线双曲线双曲线 双向测距双向测距 /双曲线双曲线 双向测距双向测距 /双曲线双曲线 用户数量用户数量7124/无限无限4/无限无限无限无限无限无限4/无限无限无限无限 频率频率 (MHZ) 1.62.01.65.01.63.31.63.01.61.81.63.01.62.5 精精 度度(m)1.55311215.4 测程测程 (km) 白白 天天 740370480550480460480 夜夜 间间 400370280250280230165 3）典型的中频定位系统）典型的中频定位系统 海洋定位测量基准（补充知

17、识） 1）工作频率：）工作频率：80KHZ150KHZ 2）特点：）特点： （1）广泛应用于导航系统。）广泛应用于导航系统。 （2）测量信号是地面波。）测量信号是地面波。 （3）定位精度较低。）定位精度较低。 （4）用于中远程测量。）用于中远程测量。 4 4、低频系统、低频系统 典型无线电定位系统典型无线电定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 系系 统统Pulse-8Decca12fLoran-C 原原 理理比比 相相比比 相相脉脉 冲冲 工作方式工作方式双曲线双曲线双向双向/单向测距单向测距双曲线双曲线/单向测距单向测距 用户数量用户数量无限无限1 /无限无限无限无限 频率（频率（KHZ）

18、100150100 精精 度（度（m）503610050 测程（测程（km）9006502000 3）典型的低频定位系统）典型的低频定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 1）工作频率：）工作频率：10KHZ20KHZ 2）特点：）特点： （1）不适合海洋定位测量，主要应用于导航系统。）不适合海洋定位测量，主要应用于导航系统。 （2）定位精度较低。）定位精度较低。 （3）采用双曲线定位。）采用双曲线定位。 5 5、甚低频系统、甚低频系统 典型无线电定位系统典型无线电定位系统 海洋定位测量基准（补充知识） 我国东海无线电定位系统我国东海无线电定位系统 1 1、东海测区地理状况、东海测区地理状况

19、1 1）地理状况：）地理状况： 北起长江口，东临琉北起长江口，东临琉 球群岛，南至广东汕头，西为球群岛，南至广东汕头，西为 大陆沿海，面积约大陆沿海，面积约7777万万KM2KM2。 2 2）无线电定位系统：）无线电定位系统： 采用中程、近程相结采用中程、近程相结 合的综合定位系统。合的综合定位系统。 海洋定位测量基准 美国丘比克西方数据美国丘比克西方数据(Cubic)(Cubic)公司生产的一种高精度公司生产的一种高精度 中程无线电导航定位系统，通过测量地波往返传播的相位中程无线电导航定位系统，通过测量地波往返传播的相位 变化来测量船台到变化来测量船台到3-43-4个岸台的距离进行定位。阿戈

20、系统个岸台的距离进行定位。阿戈系统 性能可靠，能为海洋石油勘探、井位调查、海洋水文、近性能可靠，能为海洋石油勘探、井位调查、海洋水文、近 海工程和海洋科学研究等提供精确导航定位。海工程和海洋科学研究等提供精确导航定位。 阿戈系统日间最大作用距离可达阿戈系统日间最大作用距离可达650650公里，夜间作用公里，夜间作用 距离约为距离约为250250公里，定位测量精度士公里，定位测量精度士5 5一一1010米。米。 系统工作频率为：系统工作频率为：1600-2000KHZ1600-2000KHZ。 2 2、东海无线电定位系统子系统、东海无线电定位系统子系统 我国东海无线电定位系统我国东海无线电定位系

21、统 1 1）Argo DM-54Argo DM-54型定位系统型定位系统 海洋定位测量基准 美国美国Maxiran公司生产的一种高精度特高频中近程无公司生产的一种高精度特高频中近程无 线电导航定位系统，是一种重量轻、精度高、具有超视线电导航定位系统，是一种重量轻、精度高、具有超视 距能力的近海定位系统。距能力的近海定位系统。 视距定位精度为士视距定位精度为士2-6米，最远可达米，最远可达250-300公里，但精公里，但精 度随作用距离增加降低为度随作用距离增加降低为30-40米，相当于超出视距每米，相当于超出视距每10 公里，误差增加公里，误差增加1.5米，并明显地与气候条件有关。米，并明显地

22、与气候条件有关。 系统工作频率为：系统工作频率为：420-450MHZ。 2 2）MaxiranMaxiran型定位系统型定位系统 2 2、东海无线电定位系统子系统、东海无线电定位系统子系统 我国东海无线电定位系统我国东海无线电定位系统 海洋定位测量基准 美国美国MotorolaMotorola公司生产的一种高精度近程测距仪，其设公司生产的一种高精度近程测距仪，其设 备轻巧、结构可靠、操作简单，可用于近岸港口工程、水备轻巧、结构可靠、操作简单，可用于近岸港口工程、水 文测量、近海地质调查等要求实时高精度定位的工程。文测量、近海地质调查等要求实时高精度定位的工程。 最大作用距离达最大作用距离达3

23、737海里海里( (实测约实测约5050公里公里) )，定位精度士，定位精度士2 2 米米( (实测可达士实测可达士1 1米米) )。 系统工作频率为：系统工作频率为：5400-5600MHZ5400-5600MHZ。 3 3）Falcon 484Falcon 484型微波测距仪型微波测距仪 2 2、东海无线电定位系统子系统、东海无线电定位系统子系统 我国东海无线电定位系统我国东海无线电定位系统 海洋定位测量基准 启启 东东 南南 汇汇 浪浪 岗岗 鱼鱼 山山 北几山北几山 四石霜四石霜 岸台布置方案（岸台布置方案（6 6个）：个）： 3 3、东海高精度无线电定位系统岸台布置、东海高精度无线电

24、定位系统岸台布置 我国东海无线电定位系统我国东海无线电定位系统 海洋定位测量基准 沿海无线电指向标/差分全球定位系统 1）台站配置：基准站+播发台+监控台 基准站：测量并解算差分改正数； 播发台：向用户播发差分改正数； 监控台：实时接收本站的差分改正信息并进行差分定位；定位结果与其坐标 值进行比较。 2）工作频率 采用国际电联（IALA）划分的海上无线电指向标频率，频率范围 283.53.25.0kHz。 3）台站识别码 依据国际航标协会分配给我国的基准站和播发台的差分GPS识别码范围由北 向南按区域进行分配 海洋定位测量基准 沿海无线电指向标/差分全球定位系统 4）差分信息调制方式、播发信号

25、格式、类别和传输率 采用最小频移监控（MSK）方式调分信息，播发类别为调相单信道数据传输 （GID）。信号格式采用RTCMSC-104标准，信息类型为9-3、16，差分数据 传输率为200b/s。 5）坐标系统和基准站精度 采用WGS-84坐标系，基准站在WGS-84坐标系中的绝对定位精度优于0.5m。 6）单站信号作用范围 台站的有效覆盖范围由信号强度和信噪比确定，距差分台300km范围内，海上 用户接收差分修正信息信号强度75V/m。 7）定位精度 海洋定位测量基准 n 交通部海监局从南到北在我国沿海岸线建立了20个信标台站（即差分 系统的基准站） 海洋定位测量基准 辖区辖区序号序号建设顺

26、序建设顺序台站台站台站位置台站位置 RBN 识别号识别号 DGPS 识别号识别号 频率（频率（kHz） 北北 海海 海海 区区 1一期改造一期改造大三山大三山 3852N 12150E DS602 603 601301301.5 2三期改造三期改造老铁山老铁山 3844N 12108E 604 605 602307.5295 3一期改造一期改造秦皇岛秦皇岛 3955N 11937E QH606 607 603287287.5 4一期改造一期改造北塘北塘 3906N 11943E BT608 609 604310310.5 5三期修建三期修建成角山成角山 3724N 12241E 612 613

27、 606317291 6一期改造一期改造王家麦王家麦 3604N 12026E MD614 615 607313313.5 我国沿海我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数系统台站及技术参数 无线电指向标无线电指向标/差分差分GPS定位系统定位系统 海洋定位测量基准 辖区辖区序号序号建设顺序建设顺序台站台站台站位置台站位置 RBN 识别号识别号 DGPS 识别号识别号 频率（频率（kHz） 东东 海海 海海 区区 7二期改造二期改造燕尾港燕尾港 3429N 11947E 620 621 610291317 8三期改造三期改造蒿枝港蒿枝港 3201N 12143E 622 623 611287

28、304 9一期改造一期改造大蕺山大蕺山 3049N 12210E DJ623 625 612307307.5 10三期新建三期新建定海定海 3001N 12204E 626 627 613310 11三期新建三期新建石塘石塘 2816N 12137E 628 629 614295 12三期新建三期新建天达山天达山 2528N 11942E 630 631 615313 13二期改造二期改造镇海角镇海角 2416N 11808E 632 633 616320 我国沿海我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数系统台站及技术参数 无线电指向标无线电指向标/差分差分GPS定位系统定位系统 海洋定位测

29、量基准 辖区辖区序号序号建设顺序建设顺序台站台站台站位置台站位置 RBN 识别号识别号 DGPS 识别号识别号 频率（频率（kHz） 南南 海海 海海 区区 14二期改造二期改造鹿屿鹿屿 2320N 11645E 640 641 620317 15二期新建二期新建三灶三灶 2200N 11324E 642 643 621291307 16二期改造二期改造硇洲岛硇洲岛 2054N 11036E 644 645 622301 17三期新建三期新建防城防城 2135N 10819E 646 647 623287 海海 南南 水水 监监 局局 18一期改造一期改造抱虎角抱虎角 2000N 11056E

30、 BH652 653 626310310.5 19二期新建二期新建三亚三亚 1817N 10922E 654 655 627295 20二期新建二期新建洋浦洋浦 1943N 10912E 656 657 628313 我国沿海我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数系统台站及技术参数 海洋定位测量基准 无线电指向标无线电指向标/差分差分GPS定位系统定位系统 四大GNSS 北北 斗斗 GPSGPS 伽利略伽利略 格洛纳斯格洛纳斯 海洋定位测量基准（补充知识） 格洛纳斯（GLONASS） l由由2424颗卫星组成，分布在颗卫星组成，分布在3 3个轨道平面上，每个轨道平面上，每 个轨道面有个轨道

31、面有8 8颗卫星颗卫星 l轨道高度轨道高度19100Km19100Km，运行周期，运行周期1111小时小时1515分分 l定位精度可达定位精度可达1 1米，速度误差仅为米，速度误差仅为1515厘米厘米/ /秒秒 l前苏联地心坐标系（前苏联地心坐标系（PE-90PE-90） l卫星平均在轨寿命较短卫星平均在轨寿命较短, ,没有开发民用市场没有开发民用市场 伽利略（GALILEO） l由由3030颗卫星组成，分布在颗卫星组成，分布在3 3个轨道，轨道高度个轨道，轨道高度24126Km24126Km l 与与GPSGPS相比：相比： l覆盖面积将是覆盖面积将是GPSGPS系统的两倍系统的两倍 l地面

32、定位误差不超过地面定位误差不超过1 1米，米，GPSGPS只能找到街道，而伽利略系统只能找到街道，而伽利略系统 则能找到车库门则能找到车库门 l伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比GPSGPS更经济、更经济、 更透明、更开放更透明、更开放 北斗（COMPASS） l颗静止轨道卫星+颗非静止轨道卫星 l采用中国2000大地坐标系（CGS2000） l开放服务： l定位精度: 10 m l测速精度: 0.2 m/s l授时精度: 20 ns 北斗现状 l完成时间： 预计2020年完成 全球覆盖 l第一颗北斗导航试验卫星于 2000年发射成功；北斗导航 系

33、统的第一颗组网卫星于 2007年发射； l最新进展：2018年3月30日 01时56分，我国在西昌卫星 发射中心用长征三号乙运载火 箭（及远征一号上面级），以 “一箭双星”方式成功发射第 三十、三十一颗北斗导航卫星 。这两颗卫星属于中圆地球轨 道卫星，是我国北斗三号第七 、八颗组网卫星。 GPS系统组成部分： 空间GPS卫星 地面监控系统 用户接收机 GPS Global Positioning System（全球定位系统） GPS Global Positioning System（全球定位系统） 空间部分空间部分 n 24颗卫星（21+3） n 6个轨道平面 n 55轨道倾角 n 2020

34、0km轨道高度（地面高度） n 12小时（恒星时）轨道周期 n 5个多小时出现在地平线以上（每颗星） GPS Global Positioning System（全球定位系统） 地面控制部分地面控制部分 n一个主控站：科罗拉多斯必灵司 n三个注入站：阿松森（Ascencion) n迭哥伽西亚(DiegoGarcia) n卡瓦加兰(kwajalein) n五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii) 55 Hawaii AscencionDiegoGarcia kwajalein Colorado springs GPS Global Positioning System（全球定位

35、系统） GPS Global Positioning System（全球定位系统） GPS 卫星信号 卫星信号结构 每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率） 两种载波（L1和L2） 两种码信号（C/A码和P码） 一组导航电文（信息码，D码） 基准频率 10.23MHZ L1 1575 . 42 MHZ C/A码 1.023MHZ P码 10 . 23MHZ L2 1227.60 MHZ 154 120 50比特/S卫星信息电文（D码） GPS Global Positioning System（全球定位系统） 用户部分用户部分 通用接收机（定位型）： 导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存

36、储设备 供电信号 信息 命令 数据供电，控制 供电 数据 控制 GPS Global Positioning System（全球定位系统） 对卫星进行测距 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距 地心 Si Pij Pj ri Rj Rj = ri +Pij 有关各观测量及已知数据如下： r 为已知的卫地矢量 P为观测量（伪距） R为未知的测站点位矢量 GPS Global Positioning System（全球定位系统） l 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 l 接收机本身按同一公式复制码信号 l 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t l 传播延迟时间乘以光

37、速就是距离观测值=C t 卫星钟调制的码信号 接收机时钟复制的码信号 t t 距离观测值的计算 GPS Global Positioning System（全球定位系统） GPS Global Positioning System（全球定位系统） 图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备，卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗 卫星；Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间 坐标），已知d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知 Location为要定位的卫星接收器的位置，待求 那么定位的过程，简

38、单来讲就是通过一个函数GetLocation(),从已知的Position1,d1、 Position2,d2、Position3,d3、Position4,d4四对数据中求出Location的值。 单点定位结果的获取单点定位结果的获取 l单点定位解可以理解为一个后方交会问题 l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） l由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差 l所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度 , 经度 , 高程 h , 钟差 t GPS Global Positioning System（全球定位系统） 采用载波相位观测值采用载波相位观测值 发自

39、卫星 的电磁波 信号： l信号量测精度优于波长的1/100 l载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m) 短得多 l所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P 码）定位高得多的成果精度 L1载波 L2载波 C/A码 P-码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m GPS Global Positioning System（全球定位系统） 可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差 Pik Plj Pij Pj Pl k Pk Sl Si 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

40、影响 GPS Global Positioning System（全球定位系统） 解算出初始整周未知数解算出初始整周未知数 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 （1）初始整周未知数n；（2） t0至ti时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，取得总观 测值n+Ci+ i Time(0) Ambiguity Time(i) Ambiguity CountedCycles PhaseMeasurement GPS Global Positioning System（全球定位系统）

41、 GPS 静态定位在测量中的应用 GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方 面是利用GPS建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本 上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS在布设控 制网方面具有以下一些特点： 测量精度高：GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向 量的相对精度一般在10-510-9之间，这是普通测量方法很难达到的。 选点灵活、不需要造标、费用低：GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建 造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。 全天侯作业：在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大

42、方便 了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。 观测时间短：采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一 般在12个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。观测、处理 自动化采用GPS布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。 GPS Global Positioning System（全球定位系统） GPS基本原理二维三边测量法 北京北京 西安西安 广州广州 武汉武汉 GPS基本原理三维三边测量法 我们处在以我们处在以 RI 为半径的一个球面上为半径的一个球面上 R1 2 个球面相交得出一条曲线个球面相交得出一条曲线 R2 3 个球面相交于一个点个球面

43、相交于一个点 3 个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程个距离观测值可以解算出一个点的纬度、经度与高程 R3 GPS基本原理定位过程 空 间 距 离 的空 间 距 离 的 量 测 为 定 位量 测 为 定 位 的基本的基本 1 参数改正参数改正 5 观测卫星至观测卫星至 地面点位的地面点位的 距离距离 2 利用接收卫星利用接收卫星 星历资料决定星历资料决定 点位位置点位位置 4 3 观测观测4 4颗以上卫星颗以上卫星 才能解算点位的才能解算点位的 空间距离空间距离 GPSGPS的测量应用即时动态测量（RTKRTK） 定位精度为厘米级定位精度为厘米级 RTK 基准站基准站 即时传递改正值

44、 移动站移动站 近海全球导航连续运行参考站网 连续运行参考站系统（Continuous Operational Reference System，简称CORS系统）定义为一个或若干个固 定的、连续运行的GPS/GNSS参考站，利用现代计算机、数据 通信和互联网技术（LAN/WLAN）组成的网络，实时地向不同 类型、不同需求、不同层次的用户自动的提供经过检验的不同 类型的GPS观测值（载波相位、伪距），各种改正数、状态信息， 以及其它有关GPS服务项目的系统。 海洋定位测量基准 海洋定位测量基准 CORS的分类 适用对象适用对象应用领域应用领域作业范围作业范围作业模式作业模式建设成本建设成本建设

45、周期建设周期 单基站单基站 CORS 小区域（中小市小区域（中小市 区或县）、固定区或县）、固定 区域的大型工程区域的大型工程 地形测量、加密地形测量、加密 控制、施工放样、控制、施工放样、 港口测量、矿区港口测量、矿区 测量测量 20-70公里（范公里（范 围与当地环境有围与当地环境有 关）关） 单一的参考站单一的参考站不到不到20万万1-2周周 多基站多基站 CORS 小区域（中小市小区域（中小市 区或县）、固定区或县）、固定 区域的大型工程区域的大型工程 地形测量、加密地形测量、加密 控制、施工放样、控制、施工放样、 港口测量、矿区港口测量、矿区 测量测量 40-100公里公里多个参考站

46、多个参考站成本参照单基站成本参照单基站2-6周周 网络网络 CORS 大区域（大中市大区域（大中市 区或地级市）区或地级市） 作为城市的基础作为城市的基础 设施对不同的行设施对不同的行 业和领域提供不业和领域提供不 间断的服务，包间断的服务，包 括测量、导航、括测量、导航、 监测等监测等 基站间距：基站间距： 50-100公里；公里； 网外：网外： 30公里公里 采用多参考站区采用多参考站区 域综合误差改正域综合误差改正 技术技术 和参考站数量和参考站数量 及应用需求相关及应用需求相关 1-3月月 海洋定位测量基准 n 单基站CORS：就是只有一个连续运行站。类似于一加一 的RTK,只不过基准

47、站由一个连续运行的基准站代替，基 准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态，存储和发送 相关数据。 海洋定位测量基准 n 多基站CORS：分布在一定区域内的多台连续观测站，每 一个观测站都是一个单基站，由控制软件自动计算流动站 与基站间的距离，将距离近的基站差分数据发送给流动站。 海洋定位测量基准 单基站CORS精度指标 项目项目内内 容容技技 术术 指指 标标 系统精度系统精度 实施方式实施方式水平精度水平精度高程精度高程精度 RTK实实 时时 定位定位 20KM以内以内10mm+1ppm20mm+1ppm 20KM40KM20mm+1ppm40mm+1ppm 40KM50KM50mm+1pp

48、m80mm+1ppm 50KM100KM亚米级亚米级亚米级亚米级 静态事后差分定位静态事后差分定位5mm10mm 变形观测变形观测35mm610mm 导航导航5M10M 服务领域服务领域 导航导航提供高精度导航定位的信息提供高精度导航定位的信息 测量测量提供静态、后差分、提供静态、后差分、RTK的数据服务的数据服务 兼容性兼容性 导航导航RTCM-SC104V2.X 差分差分RTCA、RTCM 2.X、RTCM3.0、CMR等等 n 网络CORS：利用分布在一定区域内的多台基准站的坐标 和实时观测数据对覆盖区域进行系统综合误差建模，尽可 能消除区域内流动站观测数据的系统综合误差，获得高精 度的

49、实时定位结果。 海洋定位测量基准 IGS GPS永久跟踪站 全球或者局部的DGPS和WADGPS网 区域多功能GNSS连续跟踪网 上海、昆明、武汉、拉萨 提供差分GNSS精密星历服务 G G N N S S S S 类类 别别 虚拟参考站法VRS模型 主辅站正数法MAX模型 区域该正数法FKP模型 形变监测的GNSS连续跟踪站点 海洋定位测量基准 网络网络CORS技术算法分类技术算法分类 何谓VRS测量技术？ l移动站并非接受某个实际基准站的实际观测资料，而是 经过定位误差修正的虚拟观测数据，也就是RTK主站，并 不是实际存在的实体主站，而是在移动站附近产生一个 经过人为加工的虚拟化主站，这种

50、网络化的定位技术称 为虚拟参考站动态定位技术，简称VRS-RTK + GPS卫星定位技术卫星定位技术 Mobile Phone 行动式数据传输技行动式数据传输技 术术 + 宽频网络数据宽频网络数据 通讯技术通讯技术 VRSVRS测量技术 控制中心 固定站 用户部分 整个系统的核心 固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个 网络中，一个VRS网络可包括无数个站 用户部分就是用户的接收 机，加上无线通讯的调制 解调器。 系系 统统 构构 成成 GPS设备上网模块 无线上网设备及上网账号 VRS的接入账号 VRSVRS测量技术原理与流程 GPS基准站基准站 GPS基准站基准站 GPS基准站基准站

51、 BS1 BS2 BS4 BS3 超短基线超短基线 VRS-RTK 解算解算 Rove r VRS 虚拟基准站虚拟基准站 GPS基准站基准站 GPS基准站基准站 BS5 BS6 基准站间距約基准站间距約 50公里公里 基基 准准 站站 间间 距距 約約 50 公公 里里 控控 制制 及及 计计 算算 中中 心心 GSM/GPRS & NTRIP 通讯协通讯协 定定 ADSL ADSL 待测点位待测点位 GPS 原始观测资料原始观测资料 GPS 原始观测资料原始观测资料 计计 算算 区区 域域 改改 正正 參參 数数 內內 插插 计计 算算 組組 成成 虚虚 拟拟 观观 测测 量量 控控 制制

52、及及 计计 算算 中中 心心 GPS基准站基准站 n 主辅站概念（MAC），是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关 的，代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分 改正数，作为网络的改正数据播发给流动站。主辅站概念需要流动站 用户能够对网络改正数进行简单的、有效的内插，或取决于它的处理 能力，进行更严格的计算。 海洋定位测量基准 海洋定位测量基准 区域该正数法区域该正数法FKPFKP模型模型 n FKP是指利用GPS基准站观测数据（相位观测值和伪距观 测值等）及基准站已知坐标等信息，计算得到基准网范围 内与时间或者空间相关的误差改正数模型，然后利用测量 点的近似坐标内插出测量点

53、的误差改正数，将它应用到观 测值中，从而消除各种与时间或空间有关的误差，获得高 精度的定位结果。 n 用户与中心处理软件建立连接 n 汇报流动站单点定位值 n 中心给出综合后的差分改正数 n 用户定位 海洋定位测量基准 网络CORS精度指标 项目内容技术指标 覆盖领域定位 常规RTK距中心基准站15km以内 网络RTK距参考站网20km以内 服务范围 导航陆上和海上导航，地理信息采集、更新 定位 测绘，地籍，规划，工程建设，变形监测，地壳形变监 测 系统精度 快速或实时 定位 水平2cm垂直5cm 事后相对精 密定位 水平5mm垂直10mm 导航水平5m垂直7m 可用性 导航95.0%(1天内

54、) 定位95.0%(1天内) 海底控制网的布设主要采用三角形和正方形图形结构。海底控制网的布设主要采用三角形和正方形图形结构。 海洋定位测量基准 以三角形构成的海底控制网 P1、P2 和P3为配置在以半径为r的 圆周上的声标位置，D为声标的有效 水平距离，为以D为边线的交会角， d为声标之间的距离。AB、AC和BC 是以三个声标为圆心，以D为半径的 圆弧 。圆弧AB,AC和BC所包围的区 域就是三个声标的有效面积场。 P1 图3-8海底三角网网 B A C P3 P2 O r dD sin 2 sin60 D r 2 sin2 Dd 海洋定位测量基准 如果布设成网，那么如图所示 海底控制网 为

55、了确保三角形的三个声标具有较大的有效 面积场，边线的长度不应超过声标的有效距 离，在三角形边长为D的情况下，可同时有三 至七个声标可供使用。 三角形构成的菱形面积=D2sin60=0.866D2； 海洋定位测量基准 以正方形构成的海底控制网 海底四边形控制网 P1、P2 、P3和P4为配置在以边长为d 的正方形角顶处的声标位置 ，E 、F 、G 、 H所包围的区域即为四个声标的有效面积 场。若采用其中的三个声标，则斜线所表 示的区域，即为相应的有效面积场。 若采用四个声标时，声标之间的距离为： 当采用三个声标时，声标之间的距离为： 2 1 2 1 ctg D d 2 sin2 2 Dd 海洋定

56、位测量基准 如果布设成网，声标均设置在正方形的角顶处。若 船从声标P1沿边线移到P2时，能够在同声标P2取 得有效距离之后，不失与声标P3、P4的有效距离， 这只能在声标P3和P4到P1P2连线中点处的距离 为D才能做到。因此，正方形边长应为： 图3-10海底四边形控制网 P4 P1 P3 P2 d D 2 0.894 5 dDD 在此情况下，在网内任何地方可保证有46个 声标可供使用。 正方形构成的菱形面积=0.799D2 海洋定位测量基准 海底控制网的控制点海底控制网的控制点 为海底中心标石。声波在为海底中心标石。声波在 海水中具有很好的传播特海水中具有很好的传播特 性，因而，观测目标的照

57、性，因而，观测目标的照 准标志通常采用水声照准准标志通常采用水声照准 标志（如水听器或应答标志（如水听器或应答 器），而观测手段采用声器），而观测手段采用声 学测距技术。学测距技术。 负荷负荷 声标声标 锚锚 浮标浮标 水听器水听器 应答器应答器 水下定位控制测量 海洋定位测量基准 图3-11海洋控制点的中心标石 主动式水声照准标志 实际上是一种水声声标。它能主动发射出强度足以保证测量船上的水声设 备能在其有效作用距离内接收到该信号；或者当接收到船台发射出的询问声信 号后，能转发应答声信号被船台接收。 海洋定位测量基准 浮标 负荷 声标 锚 水声应答器及其组成 被动式水声照准标志 以自身表面反

58、射来自船上水声设备所发射的声信号再被船台接收，这 种水声照准标志称为被动式照准标志。 海洋定位测量基准 目标强度 离目标（如被动式照准标志）1m处， 从目标反射回的反射信号的声强和 入射到目标的入射信号的声强之比 取对数乘10 )lgI(lg10lg10 0 0 I I I TS n 入射声信号所具有的声功率； n 入射声信号的方向性，当位于入射声波波阵面的法线方向时，显然它 具有最大的声能； n 被动式水声照准标志的材料结构和形状。 材料的选择 对不同性质结构的界面，通常以反射系数和透射系数来区分。 反射系数： 2 22 11 2 22 11 )1 ( )1 ( C C C C 透射系数：

59、2 22 11 22 11 1 4 C C C C 1C1表示第一种介质的声阻；2C2表示第二种介质的 声阻；为密度；C为声速 海洋定位测量基准 用不同材料制成的被动式照准标志所具有的各种形状，其中最具均匀 反射声能特点的是球体或半球体形状的照准标志。 (1)钢质正方形反射体；(2)铝质角形反射体；(3)铝质，用于垂直面上的角 形反射体；(4)玻璃球反射体；(5)串形玻璃球反射体。 海洋定位测量基准 不同介质的反射系数和透射系数 水声声标的有效距离 即声信号的最大传播距离。这里的有效距离，指的是有效水平距离 影响水声声标有效距离的因素 （1）声信号的发射强度和频率； （2）声信号传播路径中噪声

60、的掩盖作用； （3）声信号传播过程中的衰减； （4）声射线的折射特性。 海洋定位测量基准 水声声标有效距离的计算 通常用于海区声速梯度Gc为常数的情况 。此时声射线 是一条以半径为 方法图解法 0 0 R cos c C G 的圆弧，求出该圆弧中心的坐标，以R为半径，在方格纸上划 出该声线（圆弧），从而在图上直接量取相应的有效水平距离。 海洋定位测量基准 方法计算法 计算法的基础，是将海水根据具体情况分层（水平层）， 每一分层中的声射线视为直线。 那么整个声线所相应的有效水平距离为 iii DZ ctg 1 n i i DD 在每一分层有： Zi 是人为划分的，i为声射线与海平面（或平行 于海