杨程-第5章 坐标测量

1、2022-2-4普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材土木工程测量2022-2-4 5 坐标测量2022-2-4内容提要内容提要能力要求能力要求 本章主要包括本章主要包括直线定向直线定向（直线定向、方位角、象（直线定向、方位角、象限角、坐标的正反算）、限角、坐标的正反算）、地面定位技术地面定位技术（极坐标（极坐标法法 、角度交会法、距离交会法）、角度交会法、距离交会法）、卫星定位技术卫星定位技术（GNSS的组成、的组成、GNSS定位方法、定位方法、GNSS接收机使接收机使用）等相关内容。本章的教学重点为直线定向；教用）等相关内容。本章的教学重点为直线定

2、向；教学难点为地面定位技术。学难点为地面定位技术。 通过本章学习，要求学生通过本章学习，要求学生熟练掌握熟练掌握直线定向的直线定向的概念、坐标方位角的定义和推算、坐标的正反算、概念、坐标方位角的定义和推算、坐标的正反算、极坐标法等测定点位平面坐标的方法，极坐标法等测定点位平面坐标的方法，理解理解三角高三角高程测量原理；结合实践教学，程测量原理；结合实践教学，理解理解GNSSGNSS静态相对定静态相对定位技术和实时动态差分定位位技术和实时动态差分定位RTKRTK技术。技术。2022-2-45 坐标测量5.1 直线定向直线定向5.2 地面定位技术地面定位技术5.3 卫星定位技术卫星定位技术 习题与

3、思考题习题与思考题2022-2-4第一节第一节 直线定向直线定向 1、标准方向的种类，三种标准方向之间的关、标准方向的种类，三种标准方向之间的关系；系； 2、确定地面上两点之间的相对平面位置引出、确定地面上两点之间的相对平面位置引出 直线定向概念直线定向概念 ； 3、表示直线方向的方法、表示直线方向的方法 ； 4、几种方位角之间的关系、几种方位角之间的关系 ； 5、正、反坐标方位角；坐标方位角的推算、正、反坐标方位角；坐标方位角的推算 ；坐标正算与反算；坐标正算与反算；2022-2-4学习目标建立建立直线定向直线定向的概念，能够熟练地进行的概念，能够熟练地进行方位角方位角的有关的有关运算。为三

4、维测量及施工测量计算打好基础。运算。为三维测量及施工测量计算打好基础。学习重点直线定向、坐标方位角的推算方法；直线定向、坐标方位角的推算方法；三种方位角间的换算关系；三种方位角间的换算关系；坐标正算与坐标反算。坐标正算与坐标反算。2022-2-4 有有80%的信息和地理位置有关！的信息和地理位置有关！ 日常生活中我们经常问这几句话日常生活中我们经常问这几句话 在哪儿？静态地理位置静态地理位置 怎么走？ 动态地理位置动态地理位置 某地有什么？ 地理信息分布地理信息分布2022-2-42022-2-4 下图是北京市崇文区的一个街区下图是北京市崇文区的一个街区小胡同变成大马路小胡同变成大马路1999

5、年遥感影像年遥感影像2002年遥感影像年遥感影像2022-2-4北京西站影像2022-2-4直线定向（直线定向（line orientationline orientation） ：确定一条直线与标准方向的关系确定一条直线与标准方向的关系 ( (水平夹水平夹角角) )称为直线定向。称为直线定向。标准方向分类标准方向分类 1 1、真子午线方向（真北方向）：、真子午线方向（真北方向）：地面地面上某点指向地球南北极的方向。上某点指向地球南北极的方向。即过地面某点真子午线的切线方向称为即过地面某点真子午线的切线方向称为该点的真子午线方向，其北端所示方该点的真子午线方向，其北端所示方向。向。 可用可用天

6、文测量天文测量方法测定，也可用方法测定，也可用陀螺经陀螺经纬仪纬仪测定。测定。P2022-2-4 磁北方向磁北方向：磁针自由静止时所指示的方向称为：磁针自由静止时所指示的方向称为磁子午线方向磁子午线方向，其北端所指方向，其北端所指方向,称为磁北方向。称为磁北方向。 磁北方向可用罗盘仪测定。磁北方向可用罗盘仪测定。 坐标北方向坐标北方向：坐标纵轴坐标纵轴 (X轴轴)正向所示方向正向所示方向, 称为称为坐标北方向，也称轴北方向。坐标北方向，也称轴北方向。 实用上常取与高斯平面直角坐标实用上常取与高斯平面直角坐标系中系中X轴平行的方向，因此轴平行的方向，因此各点的坐各点的坐标北方向都是相互平行的标北

7、方向都是相互平行的。 真北方向、磁北方向、坐标北方真北方向、磁北方向、坐标北方向，这三个基本方向合称为向，这三个基本方向合称为三北方向三北方向。2022-2-4 子午线收敛角、磁偏角概念子午线收敛角、磁偏角概念 1、子午线收敛角：、子午线收敛角：两点真子午线方向间的夹角两点真子午线方向间的夹角称为称为子午线收敛角子午线收敛角。子午线收敛角随纬度的增大而增子午线收敛角随纬度的增大而增大，并与两点间的距离成正比。大，并与两点间的距离成正比。 2022-2-4 2、磁偏角、磁偏角：地面上某点真北方向与磁北方向的夹角。用表示表示。PN磁偏角磁偏角 真北磁北磁北+-东西2022-2-4三北方相间的关系三

8、北方相间的关系磁偏角磁偏角：过一点的真北方向与磁北方：过一点的真北方向与磁北方向之间的夹角，用向之间的夹角，用表示。表示。子午线收敛角子午线收敛角：过一点的真北方向与：过一点的真北方向与坐标北方向之间的夹角，用坐标北方向之间的夹角，用表示。表示。 符号规定符号规定 磁北或坐标北方向在真北方向磁北或坐标北方向在真北方向东侧东侧时，时，与与为正；磁北方向或坐为正；磁北方向或坐标北方向在真北方向标北方向在真北方向西侧西侧时，时，与与为负。为负。 2022-2-4一、直线定向的表示方法一、直线定向的表示方法 1.1.方位角方位角 对某一确定起点的直线，由在该起点处的基本对某一确定起点的直线，由在该起点

9、处的基本方向起，顺时针至该直线方向的水平角称为该直线方向起，顺时针至该直线方向的水平角称为该直线的的方位角方位角。 方位角的取值范围是方位角的取值范围是0360。2022-2-4标标准准方方向向真子午线方向真子午线方向磁子午线方向磁子午线方向坐标纵轴方向坐标纵轴方向真方位角（真方位角（A）磁方位角（磁方位角（Am）坐标方位角（坐标方位角（ ）2磁北磁北真北真北坐标北坐标北AmA1由不同的标准方向所得到的方位角，分别为：由不同的标准方向所得到的方位角，分别为： mAA mA AAmu 真真 方方 位角位角:u 磁磁 方方 位角：位角：u 坐标方位角：坐标方位角：2022-2-4 2. 2.象限角

10、象限角 以基本方向线北端或南端起算，顺时针或逆时以基本方向线北端或南端起算，顺时针或逆时针方向量至直线的水平角，称为针方向量至直线的水平角，称为象限角象限角，用，用R表示。表示。 11111RRRROPOPOP 2218022RRROPOP 3318033RRROPOP 4436044RRROPOP 2022-2-4表表5-1 象限角与方位角的关系象限角与方位角的关系象象 限限由方位角由方位角求象限角求象限角R由象限角由象限角R求方位角求方位角编号编号名称名称I北东（北东（NE）R=RII南东（南东（SE）R= 180-=180-RIII南西（南西（SW）R=-180=180+RIV北西（北西

11、（NW）R=360-=360-R2022-2-4 12已知，通过连测求得已知，通过连测求得1212边与边与2323边的连接角为边的连接角为2 （右角）、（右角）、 2323边与边与3434边的连接角为边的连接角为3（左角），现（左角），现推算推算23、34。1234xxx23341223前进方向前进方向2位于推算路线位于推算路线1-2-3前进方向的右侧，故为右角。同前进方向的右侧，故为右角。同理，理， 3为左角。为左角。坐标方位角推算坐标方位角推算2022-2-4正、反坐标方位角正、反坐标方位角 直线直线1-2 1-2 ：点：点1 1是起点，点是起点，点2 2是终点。是终点。1212 正正坐标

12、方位角；坐标方位角；2121 反反坐标方位角。坐标方位角。2112xyoxx1218012211802112180正反直线直线2-12-1：所以一条直线的正、反坐标方位角互差所以一条直线的正、反坐标方位角互差1801802022-2-4212221231801234xx2312221前进方向前进方向x3433232333234180 由图中分析可知：由图中分析可知：2022-2-4推算坐标方位角的通用公式：推算坐标方位角的通用公式：左右后前180注意：注意： 计算中计算中，若若前前360360，减，减360360； 若若前前0360（41720 360） 45=341804 0, y 0 18

13、0R 当当 x 0 = 180+R 当当 x 0, y 0, y 02022-2-4T0 9（ 六 公 寓西 北 侧 ）T0 3（ 毓 秀 园 南门 主 路 拐 角 处 ）T1 0（ 毓 秀 园北 门 前 东 侧 ）T1 1(实 验 楼 西侧 主 路 交 口 处 ）T0 8（ 女 浴 室 东 侧主 路 北 端 ）T0 6（ 花 园 楼 东 侧 主路 拐 角 处 ）T0 4（ 四 公 寓 门前 西 侧 ）T0 2（主 楼 前 主路 东 南 拐 角 处 ）T0 5（ 南 辅 门 主路 花 园 楼 拐 角 处 ）T0 7(青 年 公 寓 东 侧主 路 北 端 ）N0 2(游 泳 池 入口 处 ）N0

14、 1(体 育 场 旗杆 北 侧 ）N0 4(体 育 场 西 南篮 球 场 入 口 处 ）D 1 9 6 1 3(晋元 庄 921车 站 南 侧 ）X:306375.317;Y:487035.375N0 3(体 育 场 主席 台 中 央 ）N0 6(晋 元 庄 十字 路 口 东 南 侧 )N0 5(体 育 场 正 门前 方 主 路 北 侧 边 ）N0 7(南 门 主 路 965车 站)D 1 9 6 1 2(阜 石 路 辅 路 内 侧 )x : 3 0 6 3 7 7 . 2 4 7 ; y : 4 8 6 8 1 8 . 2 7 8T0 1（ 主 楼前 环 岛 东 侧 ）T1 2(第 三 教

15、学 楼圆 形 阶 梯 教 室 前 ）N2022-2-4小小 结结 1.直线定向直线定向确定直线方向与标准方向确定直线方向与标准方向之间的关系。之间的关系。 2.标准方向标准方向真子午线方向；磁子午线真子午线方向；磁子午线方向；坐标纵轴方向。方向；坐标纵轴方向。 3.坐标方位角坐标方位角以坐标纵轴方向为起始以坐标纵轴方向为起始方向顺时针转到该直线的水平夹角。方向顺时针转到该直线的水平夹角。 4. 正、反方位角正、反方位角一条直线的正、反坐一条直线的正、反坐标方位角相差标方位角相差180。2022-2-41 传统测量技术传统测量技术 两维坐标：两维坐标：平面坐标平面坐标x,y极坐标法、角极坐标法、

16、角度交会法、距离交会法。度交会法、距离交会法。 一维坐标：一维坐标：高程高程H水准测量技术、三水准测量技术、三角高程测量技术。角高程测量技术。 特点：测算分离，手动完成特点：测算分离，手动完成第二节第二节 地面定位技术地面定位技术2022-2-42 现代测量技术现代测量技术 三维坐标：三维坐标：x,y, H全站仪技术全站仪技术 特点：测算一体，自动完成特点：测算一体，自动完成2022-2-4 3 测定（测定（x,y）的传统技术）的传统技术 （1）极坐标法）极坐标法 已知已知A、B两点坐标，根据水平角两点坐标，根据水平角 和水平距离和水平距离DAP，经计算求得经计算求得P点坐标。点坐标。2022

17、-2-4计算步骤：计算步骤：1 1、在已知点、在已知点A A安置仪器，观测水平角安置仪器，观测水平角 2 2、测量、测量A A、P P两点的水平距离两点的水平距离D DAPAP3 3、根据已知点、根据已知点A A、B B的坐标，利用反算公式计算其坐标的坐标，利用反算公式计算其坐标方位角方位角ABAB4 4、根据坐标方位角、根据坐标方位角 和水平角和水平角 ，推算未知边推算未知边APAP的坐标方位角：的坐标方位角：=+APAB当未知边位于已知边左侧时，上式取当未知边位于已知边左侧时，上式取5、利用坐标正算公式，计算、利用坐标正算公式，计算P点坐标。点坐标。-2022-2-4 极坐标法扩展极坐标法

18、扩展导线法，测量转折角和导线法，测量转折角和未知边未知边2022-2-4（2）角度交会法）角度交会法导线测量：控制面积大，导线测量：控制面积大，一般要求地势平坦。需一般要求地势平坦。需要测角，量边要测角，量边交会定点：山区或地形交会定点：山区或地形复杂的地区。复杂的地区。分为：分为：前前方交会，侧方交会，后方交会，侧方交会，后方交会，测边交会方交会，测边交会等。等。2022-2-4前方交会法前方交会法作业方式：作业方式：在已知点在已知点A A、B B上分别向新点上分别向新点P P观测水平观测水平角角和和，从而可以计算，从而可以计算P P点的坐标。点的坐标。ABP2022-2-4计算方法计算方法

19、：按照导线计算方法，以按照导线计算方法，以ABAB为起始边计为起始边计算导线算导线检核检核：从三个已知点从三个已知点A A、B B、C C上分别向新点上分别向新点P P进行进行角度观测，由两个三角形分别解算角度观测，由两个三角形分别解算P P点的坐标。点的坐标。ABPCBAABABBAPBAABABBAPctanctan)(ctactanctanctan)(ctanctanXXnYYYYYXXX2022-2-4 （3）距离交会法距离交会法测测量三角形的两条未知边量三角形的两条未知边2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法 （1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量高程的测站传递（转

20、点）高程的测站传递（转点）2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法（1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量外业外业2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法（1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量立尺立尺2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法（1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量观测观测2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法（1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量读数读数2022-2-4 4 测定测定H的传统方法的传统方法（1）水准测量）水准测量 水准测量水准测量读数读数2022-2-4 4测定测定H的传统方法的传统方法（2）三角高程

21、测量）三角高程测量原理原理2022-2-4 4测定测定H的传统方法的传统方法（2）三角高程测量）三角高程测量原理原理HB=HA+DABtgAB+iA-vB2022-2-4 4测定测定H的传统方法的传统方法（2）三角高程测量）三角高程测量球气差改正球气差改正HB=HA+DABtgAB+iA-vB+f1-f2f=+f1-f2f=(1-k)D2/(2R)2022-2-45 测定（测定（x,y,H）的现代技术）的现代技术全站仪技术全站仪技术全站仪全站仪(total station)是由电子测角、是由电子测角、光电测距、微型机及其软件组合而成光电测距、微型机及其软件组合而成的智能型光电测量仪器。的智能型

22、光电测量仪器。全站仪全站仪 全站型电子速测仪全站型电子速测仪人们把快速测量距离和方位的仪器人们把快速测量距离和方位的仪器称之为速测仪称之为速测仪(Tachymeter)。2022-2-4 全站仪的全站仪的基本功能基本功能是测量水平角、竖直角和斜距。是测量水平角、竖直角和斜距。借助于机内固化的软件，可以组成多种测量功能，借助于机内固化的软件，可以组成多种测量功能，如如可可以计算并显示：平距、高差以及镜站点的三维坐标，进以计算并显示：平距、高差以及镜站点的三维坐标，进行偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等。全站行偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等。全站仪具有如下特点：仪具有如下特点： 2

23、022-2-4全站仪由以下两大部分组成：全站仪由以下两大部分组成： l l）采集数据设备采集数据设备：主要有电子测角系统、电子测距系：主要有电子测角系统、电子测距系统、还有自动补偿设备等。统、还有自动补偿设备等。2 2）微处理器微处理器：微处理器是全站仪的核心装置：微处理器是全站仪的核心装置, ,主要由中主要由中央处理器央处理器, ,随机储存器和只读存储器等构成随机储存器和只读存储器等构成, ,测量时测量时, ,微处理器根据键盘或程序的指令控制各分系统的测量微处理器根据键盘或程序的指令控制各分系统的测量工作工作, ,进行必要的逻辑和数值运算以及数字存储、处进行必要的逻辑和数值运算以及数字存储、

24、处理、管理、传输、显示等。理、管理、传输、显示等。2022-2-4全站仪的特点全站仪的特点（1）仪器操作简单，高效。仪器操作简单，高效。全站仪具有现代测量工作所需的全站仪具有现代测量工作所需的所有功能。所有功能。（2）快速安置快速安置：简单地整平和对中后，仪器一开机后便可工作。简单地整平和对中后，仪器一开机后便可工作。仪器具有专门的动态角扫描系统，因此无需初始化。关机后，仍会保留仪器具有专门的动态角扫描系统，因此无需初始化。关机后，仍会保留水平和垂直度盘的方向值。电子水平和垂直度盘的方向值。电子“气泡气泡”有图示显示并能使仪器始终保有图示显示并能使仪器始终保持精密置平。持精密置平。（3）适应性

25、强。适应性强。全站仪是为适应恶劣环境操作所制造的仪器。全站仪是为适应恶劣环境操作所制造的仪器。（4）全站仪设有双向倾斜补偿器全站仪设有双向倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直可以自动对水平和竖直方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差的影响。还可进行地球曲率改正、方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差的影响。还可进行地球曲率改正、折光误差以及温度、气压改正。折光误差以及温度、气压改正。（5）控制面板具有人机对话功能控制面板具有人机对话功能。控制面板由键盘和主控制面板由键盘和主,副副显示窗组成。除照准以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现显示窗组成。除照准以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现,仪器的两侧

26、均有控制面板仪器的两侧均有控制面板,操作十分方便。操作十分方便。（6）具有双向通讯功能具有双向通讯功能，可将测量数据传输给电子手簿或外部可将测量数据传输给电子手簿或外部计算机，也计算机，也可接受电子手簿和外部计算机的指令和数据。可接受电子手簿和外部计算机的指令和数据。 2022-2-4全站仪与经纬仪相比具有以下优点全站仪与经纬仪相比具有以下优点: : 1 1、测量结果自动记录在、测量结果自动记录在“电子手簿电子手簿”中，减少了读中，减少了读数的错误和记录的粗差，提高了功效；数的错误和记录的粗差，提高了功效； 2 2、利用全站仪中的微处理器，通过传感器可以自动、利用全站仪中的微处理器，通过传感器

27、可以自动的改正仪器轴系误差，提高测量精度的改正仪器轴系误差，提高测量精度; ;3 3、距离改正，高差计算和坐标计算在仪器上自动完、距离改正，高差计算和坐标计算在仪器上自动完成，减少了内业计算工作量成，减少了内业计算工作量; ;4 4、角度测量中自动扫描整个度盘，并求出平均值作、角度测量中自动扫描整个度盘，并求出平均值作为结果，消除了度盘的刻划误差和偏心差。为结果，消除了度盘的刻划误差和偏心差。 2022-2-4（1）全站仪的结构组成）全站仪的结构组成2022-2-4（1）全站仪的结构组成2022-2-4（2）全站仪的功能 测角水平角、竖直角 测距水平距离、倾距、高差主值 测量坐标x,y,H 特

28、殊功能对边测量、悬高测量、面积测量、后方交会、偏心测量、放样等2022-2-4 （3）全站仪的操作和使用）全站仪的操作和使用操作面板操作面板2022-2-4 （3）全站仪的操作和使用）全站仪的操作和使用操作面板操作面板2022-2-42022-2-4（3）全站仪的操作和使用）全站仪的操作和使用 操作面板操作面板 仪器安置仪器安置 对中，整平，开机（对中，整平，开机（POWER键）键），打开传感器（星键打开传感器（星键+F2），精确整平，），精确整平，量取仪器高量取仪器高i。 设置仪器常数、棱镜常数、气象参设置仪器常数、棱镜常数、气象参数。调节盘左（盘右）状态。数。调节盘左（盘右）状态。2022

29、-2-42022-2-4安置目标2022-2-4安置目标2022-2-4（3）全站仪的操作和使用）全站仪的操作和使用 基本测量：照准，读数，记录基本测量：照准，读数，记录 平角测量平角测量竖丝竖丝照准照准 竖直角测量竖直角测量横丝横丝照准照准 距离测量距离测量十字丝交点十字丝交点照准照准 x,y,H测量测量十字丝交点十字丝交点照准照准2022-2-4全站仪使用记录表（综合）全站仪使用记录表（综合）日 期： 时 间： 天 气： 组 号： 仪器号： 测站名称： 观测者： 记录者：仪器高测回数目标名目标高竖盘位置水平度盘读数()一测回方向值()竖直度盘读数()竖直角()斜 距(m)平 距(m)高 差

30、(m)盘左盘右盘左盘右盘左盘右盘左盘右2022-2-45 测定（测定（x,y,H）的现代技术）的现代技术全站仪技术全站仪技术全站仪坐标测量就是利用极坐标原理进行的。全全站仪坐标测量就是利用极坐标原理进行的。全站仪坐标测量的工作程序是安置仪器、新建文件、站仪坐标测量的工作程序是安置仪器、新建文件、测站设置、后视定向、坐标测量和数据传输，南测站设置、后视定向、坐标测量和数据传输，南方方NTS 663全站仪坐标测量的具体操作见表全站仪坐标测量的具体操作见表5-2。 2022-2-4第二节第二节 地面定位技术地面定位技术表5-2 NTS 663全站仪坐标测量操作工作程序工作程序操 作 步 骤安置仪器在

31、测站点（控制点）上安置全站仪，包括对中整平、量取仪器高。仪器常数设置：棱镜加常数=-30mm。气象参数设置：如，实测气压 P=673mmHg=897hpa，实测温度t=25。新建文件开机。进入“程序”“标准测量”“设置”“作业”“新建”“文件”打开新建的文件。测站设置进入“记录”选项“侧视测量”，根据仪器提示输入测站点点名和仪器高。按“ENT”键进入下一页，输入测站点坐标（N（北）E（东）Z（高程）。按“ENT”键进入下一页，输入测站点点名和仪器高。 2022-2-4第二节第二节 地面定位技术地面定位技术表5-2 NTS 663全站仪坐标测量操作（续1）工作程序工作程序操 作 步 骤后视定向按

32、“ENT”键，输入后视点坐标。同时把棱镜竖立在后视点上，全站仪盘左照准后视点上的棱镜，按下“设置”键，再按“校核”键，校核。合格后按“ENT”键进入碎部点测量。坐标测量输入待测点点号，全站仪照准待测点上竖立的棱镜，按“ENT”键，测量、记录待测点坐标。选择下一个待测点，循环进行。本站所有需测的待测点测量完成后，在控制点上检测，若检测合格，关机。2022-2-4第二节第二节 地面定位技术地面定位技术表5-2 NTS 663全站仪坐标测量操作（续2）程序程序操 作 步 骤数据传输用数据通信线将全站仪和电脑连接（COM口或USB口）。启动CASS软件，在“数据”菜单中选择“读取全站仪数据”，弹出“全

33、站仪内存数据转换”参数设置界面，打开全站仪“通信参数”对照，将软件参数设置和全站仪一致。指定文件的保存路径和文件名。进入全站仪的“程序”“标准测量”“作业”“打开”“选择作业”“传输”“发送数据”“坐标数据”，出现提示“准备好了吗？” 点击电脑界面上的“转换”，电脑弹出“先在微机上按回车”的提示，依照提示即可完成数据传输。2022-2-4第三节 卫星定位技术GNSS一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (1) 美国美国GPS1957从研究多普勒卫星定位技术开始，到1958.12研制海军卫星导航系统（NNSS），1959.9发射第一颗试验卫星，1964.01投入使用（6颗卫星、20多个地面跟踪

34、站、用户接收机）。1973.12美国防部批准陆海空联合研制第二代卫星导航定位系统（GPS）计划。方案论证（1974-1977）、试验研制（1978-1988）、工程建设（1989-1994）、正式运营（1995-）。现代化计划（2000-）。第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (1) 美国美国GPS现代化计划（2000-）。作为现代化计划的当前成就，雷神公司 的GPS操作控制系统OCX与洛克希德马丁公司GPS卫星的整合取得重大进展，成功地在GPS卫星模拟器与OCX组件之间交换了卫星指令和遥测数据。该整合将有利于OCX系统的开发测试，并能够降低在

35、轨测试地面卫星接口时的风险。 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4第三节 卫星定位技术GNSS一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (1) 美国美国GPS现代化计划（2000-）。 另外，美国军方也开始考虑GPS卫星未来的战略升级 。根据空军关于新一代GPS卫星导航星座的新升级战略，可能从第9颗GPS卫星起，向该系列卫星集成抗干扰能力。前，洛克希德马丁公司航天系统分部正在按照计划建造首批四颗GPS卫星，首颗GPS卫星将在2014年发射。 第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4第三节 卫星定位技术GNSS一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (2

36、) 前苏联前苏联/俄罗斯俄罗斯GLONASS 1982.10.12发射第一颗试验卫星，1995投入使用。 2012.02报道，报道， GLONASS共有共有31颗卫星在轨，其颗卫星在轨，其中中24颗正在运行，颗正在运行，3颗即将投入运行，颗即将投入运行，2颗处于维颗处于维护中，护中，1颗正在试验，颗正在试验，1颗备用。至此，俄罗斯颗备用。至此，俄罗斯GLONASS卫星导航系统研发正式完成。卫星导航系统研发正式完成。 第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (3) 中国中国CAMPASS（BeiDou） 1983提出设想，2000.10.31发射第一

37、颗试验卫星，2012.05在轨组网卫星12颗。2012年10月25日第16颗卫星发射成功。 2011.12.27开始，向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4BeiDou示意图示意图 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (3) 中国中国CAMPASS（BeiDou） Beidou系统是中国独立自主研发的全球卫星定位定位系统。2012年10月25日第16颗北斗导航卫星顺利升空，标志着我国北斗卫星区域导航系统建设全面完成，形成覆盖亚太地区的服

38、务能力。Beidou系统将于2020年建成北斗卫星全球导航系统，届时将有35颗在轨卫星。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4一、概述1 GNSS的产生、发展和现状 (4) 欧盟欧盟GALILEO1999年初推出 GALILEO计划，部署新一代定位卫星。该计划由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，覆盖全球，位置精度达数米，可与美国GPS兼容，总投资35亿欧元。 2005.1228发射第一颗试验卫星。 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4一、概述1 GNSS的产生、发展和现状（5）小结：GNSS的代表系统 美国的GPS：当前

39、健康运营 俄罗斯的GLONASS：当前比较健康运营 中国的Beidou：当前覆盖亚太区域，计划2020年覆盖全球。 *欧盟的Galileo：还没有全面实施第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS一、概述2 GNSS的特点 全球、全天候、高精度、自动化、高效益、三维实时导航（定位、测速、授时）3 GNSS的组成 （1）空间星座部分 （2）地面监控部分 （3）用户接收部分第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息2022-2-4GNSS主要特征比较

40、系统特征GPSGLONASS Beidou GALILEO载波频率GHz1.231.581.611.251561.098 MHz (B1) 1589.742 MHz (B1-2)1207.14 MHz (B2) 1268.52 MHz(B3)卫星高度km20200191002150023616卫星数（设计）21+321+327+3+527+3卫星周期h11:5811:1514:04卫星钟稳定度10-1310-1110-1210-13第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4一、概述 3 GNSS的组成 （ 1 ）空间星座部分卫星功能： 接收、存储和处理地面监控站的控制指令和导航电文等信息

41、与原子钟同步生成测距码和载波，将测距码和导航电文调制在载波上，向接收机用户发送GPS信号。第三节 卫星定位技术GNSS第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS第五章第五章 坐标测量坐标测量一、概述 3 GNSS的组成 （ 1 ）空间星座部分GNSS信号:2022-2-4 GPS卫星信号结构基准频率（原子钟）基准频率（原子钟）10.23MHZ L1L11575.42MHZ 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卫星信息电文卫星

42、信息电文(D(D码码) )每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号( (基准频率基准频率 ) )2 2种载波种载波(L1(L1和和L2) L2) ；2 2种码信号种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码) )1 1组导航电文组导航电文( (信息码，信息码，D D码码) )2022-2-4qL1载波相位观测值载波相位观测值154f0(154倍频倍频)q二进制相位调制技术二进制相位调制技术qL2载波相位观测值载波相位观测值120f0(120倍频倍频)q调制在调制在L1上的上的C/A-code伪距伪距粗码，精度粗码，精度低。可快速捕获卫星。每颗卫星发射的低。可快速捕获卫星。每颗

43、卫星发射的C/A码码不同，利用卫星编号不同，利用卫星编号PRN区分。区分。q调制在调制在L2上的上的P-code伪距伪距精码，测距精精码，测距精度度0.3mq导航电文导航电文(信息码，信息码，D码码)广播星历、卫星广播星历、卫星钟差改正、电离层延迟改正钟差改正、电离层延迟改正2022-2-4 对卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij观测量及已知数据如下：观测量及已知数据如下：r 已知的卫地矢量P观测量(伪距)R未知的测站点位矢量第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4距离观测值的计算v 接收机至卫星

44、的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到v 接收机本身按同一公式复制码信号v 比较本机码信号及到达的码信号，确定传播时间tv 传播时间乘以光速就得到距离观测值=C t卫星钟调制的码信号接收机时钟复制的码信号tt第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4采用载波相位观测值采用载波相位观测值卫星传播卫星传播的电磁波的电磁波信号：信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长(L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，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)定位高得多的测距精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3

45、m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS第五章第五章 坐标测量坐标测量一、概述 3 GNSS的组成 （1）空间星座部分 （2）地面监控部分2022-2-4（2 2）地面监控部分）地面监控部分一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego Garciakwaj

46、aleinColorado springs第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4（2 2）地面监控部分）地面监控部分第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS第五章第五章 坐标测量坐标测量一、概述一、概述 3 GNSS的组成的组成 （1）空间星座部分）空间星座部分 （2）地面监控部分）地面监控部分 （3）用户接收部分）用户接收部分GNSS接收机接收机 测量型、双频、多通道、多系统2022-2-4（3）用户接收部分测量型测量型GPS接收机接收机供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4GNS

47、S用户设备分类(1)测量型GNSS接收机(2)导航型GNSS接收机(3)授时型GNSS接收机2022-2-4第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4第五章第五章 坐标测量坐标测量2022-2-4测量型GNSS接收机南方灵锐S82T静态（快速静态）平面精度3mm+1ppm 静态（快速静态）高程精度5mm+1ppm RTK平面精度1cm+1ppmRTK高程精度2cm+1ppm单机定位精度1.5m220通道，L1，L2载波 GPS/GLONASS双系统 2022-2-4测量型GNSS接收机南方灵锐S82C静态（快速静态）水平精度2.5mm+1ppm 静态（快速静态）高程精度5mm+1ppm R

48、TK水平精度1cm+1ppmRTK高程精度2cm+1ppm单机定位精度1.5m28-54通道，L1，L2载波 GPS/Beidou/GLONASS/预留Galileo多系统 2022-2-4测量型GNSS接收机2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 坐标系统：WGS84世界大地坐标系 第三节 卫星定位技术GNSS第五章第五章 坐标测量坐标测量赤道赤道首首子子午午线线ZXY地球质心地球质心IERS IRMIERS IRP参考椭球面参考椭球面第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 坐标系统：WGS

49、84世界大地坐标系 2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 GPS时间系统是以国际原子时ATI的秒长为基准，时间原点定义在1980.0106协调世界时UTC的00点，连续不跳秒。 GPS时与UTC时的整秒差及其不足秒的差异由国际时间服务机构定期发布。卫星星历中的卫星钟差信息是相对于GPS时间系统的。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4 二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 坐标系统：用户坐标系 大地坐标系大地坐标系我国常用大地坐标系我国常用大地坐标系 1954年北京坐标系（参心系） 我国的我国

50、的5454坐标系实际上是属于坐标系实际上是属于苏联苏联19421942年大地坐标系年大地坐标系，其坐，其坐标原点不在北京，而是在苏联普尔科沃。对我国东部地区标原点不在北京，而是在苏联普尔科沃。对我国东部地区的大地水准面差距（或高程异常）达的大地水准面差距（或高程异常）达+68+68米，对距离的影响米，对距离的影响约为约为1/101/10万，对东部地区测绘大比例尺地形图产生一定影万，对东部地区测绘大比例尺地形图产生一定影响。响。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节 卫星定位技术GNSS2022-2-4 二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 坐标系统：用户坐标系 大地坐标系大地坐标

51、系我国常用大地坐标系我国常用大地坐标系 1980国家大地坐标系（局部参心系，地球质心系） 20世纪70年代末，将大地原点选在陕西泾阳县永乐镇北泾阳县永乐镇北洪流村洪流村，椭球面与我国境内的大地准面密合最佳。全国全国范围内大地水准面差距（或高程异常）约在范围内大地水准面差距（或高程异常）约在2020米内。米内。它对距离的影响小于它对距离的影响小于1/301/30万，对较大的比例尺测图来说万，对较大的比例尺测图来说不产生影响。不产生影响。是目前仍在使用的坐标系。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4 二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和

52、时间系统 坐标系统：用户坐标系 大地坐标系大地坐标系我国常用大地坐标系我国常用大地坐标系 CGCS2000坐标系（中国坐标系（中国2000大地坐标系，地球质大地坐标系，地球质心系）心系） 第一层次：第一层次：连续运行参考站，连续运行参考站，28个点，构成个点，构成CGCS2000基本骨架，精度基本骨架，精度mm级，速度为级，速度为1mm/y。 第二层次：第二层次：空间大地网，包括全国空间大地网，包括全国GPS一、二级网、一、二级网、GPS A、B级网、地壳运动观测网，共约级网、地壳运动观测网，共约2500多点，简多点，简称称“2000国家国家GPS大地控制网大地控制网”。精度为。精度为cm级，

53、速度级，速度精度为精度为2-3cm/y。 第三层次：第三层次：天文大地网，约天文大地网，约5万个点。其大地经纬度精万个点。其大地经纬度精度：度：0.3m，大地高误差优于，大地高误差优于0.5m。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4椭球名称椭球名称长半轴长半轴a（m）短半轴短半轴b（m）扁率扁率计算年代计算年代/国家国家备注备注贝塞尔贝塞尔637739763560791:299.1521841/德国德国 海福特海福特637838863569121:297.01910/美国美国1942年国际年国际第第1个推荐个推荐值值克拉索夫克拉索夫斯基斯基

54、637824563568631:298.31940/苏联苏联1954北京坐北京坐标系采用标系采用1975国际国际椭球椭球637814063567551:298.2571975/国际国际第第3个推荐个推荐值值1980西安坐西安坐标系采用标系采用WGS-84637813763567521:298.2571979/国际国际第第4个推荐个推荐值值美国美国GPS采采用用2022-2-4二、二、 GNSS定位的基本原理定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 不同坐标系的坐标可以相互转换，前提是在一定的空间区域内有一定数量的公共点。使用GNSS技术，就需要将GNSS坐标系的测量成果转换为用

55、户坐标系。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 1 坐标系统和时间系统 GPS时间系统是以国际原子时ATI的秒长为基准，时间原点定义在1980.0106协调世界时UTC的00点，连续不跳秒。 GPS时与UTC时的整秒差及其不足秒的差异由国际时间服务机构定期发布。卫星星历中的卫星钟差信息是相对于GPS时间系统的。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 2 单点定位（绝对定位）空间距离后方交会 卫星相当于轨道上运动的控制点，(xs,y

56、s,zs)已知，观测值是星站距离（测站至卫星的伪距，没考虑接收机钟差） 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差 t，所以要求同步观测最少4颗卫星，解算四个未知参数：测站坐标(x,y,z)和接收机钟差 t。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 2 单点定位（绝对定位）空间距离后方交会第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4同步观测卫星数少于4个，无解；同步观测卫星数等于4个，有解，但不可靠；同步观测卫星数多于4个，有多余观测，有解可靠。第五章第五章 坐标测量坐标测量

57、第三节 卫星定位技术GNSS2 单点定位（绝对定位）空间距离后方交会2022-2-4二、 GNSS定位的基本原理 3 GNSS定位的主要误差（1）与卫星有关的误差 卫星星历误差；卫星钟误差（2）与信号传播有关的误差 电离层延迟误差；对流层延迟误差；多路径效应（3）与接收机及其安置有关的误差 接收机天线相位中心偏离；对中误差；量取天线高的误差。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4三、GNSS相对定位 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4三、GNSS相对定位1静态相对定位2台以上的接收机

58、，同步观测。 第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4三、GNSS相对定位1静态相对定位2台以上的接收机，同步观测。2台同步观测，可解算1条基线向量；3台同步观测，可解算3条基线向量，构成1个三角形（同步环）；4台同步观测，可解算6条基线向量，构成3个独立的三角形（同步环）。第五章第五章 坐标测量坐标测量第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS表5-6 S82T接收机静态相对测量操作工作程序操 作 步 骤开、关机 按住ON/OFF响1声=开机。按住ON/OFF响3声=关机切换

59、动态/静态/蓝牙初始化开机，刚开机的主机需要等一段时间，使接收机完成初始化过程，再进行操作。切换动态：长按ON/OFF，响3声，再响1声，松开ON/OFF，再开机=动态。切换静态：长按ON/OFF，响3声，再响2声，松开ON/OFF，再开机=静态。注：若基准站无法使用。用移动站作基准站的方法，开机长按ON/OFF响7声后（此时为关机状态）再开机，即可把移动站调为基准站（此时不加小天线）。2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS表5-6 S82T接收机静态相对测量操作（续1）工作程序操 作 步 骤静态观测切换为静态，关机。安置仪器=对中、整平，量取天线高，开机。在记录表中记

60、录点名、开机时间、天线高。到计划关机时间，关机。在记录表中记录关机时间。传输数据和数据处理。数据传输传输数据前，需确定电脑是否安装USB驱动，可在南方Gps数据处理软件里找9600USB、9800USB驱动程序并安装，之后才可进行数据传输。连接传输线，一端接收机（9针口），另一端计算机（COM口或USB口）。打开接收机。启动传输软件（如南方Gps数据处理软件），工具南方接收机数据下载连接在U盘中复制观测数据至工作文件夹。2022-2-4第三节第三节 卫星定位技术卫星定位技术GNSS表5-6 S82T接收机静态相对测量操作（续2）工作程序操 作 步 骤数据处理启动数据处理软件（如南方 Gps数据