GPS讲座 GPS水准

1、GPS水准水准GPS测量原理及应用测量原理及应用1. 高程系统高程系统GPS水准水准 高程系统高程系统GPS测量原理及应用测量原理及应用地球表面、参考椭球面与大地水准面地球表面、参考椭球面与大地水准面GPS水准水准 高程系统高程系统 地球表面、参考椭球面与大地水准面地球表面、参考椭球面与大地水准面GPS测量原理及应用测量原理及应用大地高大地高 定义定义 是以参考椭球面为基准面的高程系统。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，也称为椭球高考椭球面的交点间的距离，也称为椭球高 用用

2、H表示。表示。 大地高是一个纯几何量，与参考椭球有关。大地高是一个纯几何量，与参考椭球有关。 测量方法测量方法大地高可以通过将笛卡尔坐标（大地高可以通过将笛卡尔坐标（ ）转换为大地坐标）转换为大地坐标（ ）得出）得出采用采用GPS测量的方法可以直接确定出点在地心地固坐标测量的方法可以直接确定出点在地心地固坐标系下的三维坐标系下的三维坐标, ,X Y Z, ,B L HGPS水准水准 高程系统高程系统 大地高大地高GPS测量原理及应用测量原理及应用正高正高 定义定义是以地球不规则的大地水准面（是以地球不规则的大地水准面（geoid）为基准）为基准面的高程系统。面的高程系统。 某点的正高是基准面（

3、大地水准面）到该点的某点的正高是基准面（大地水准面）到该点的距离，量测沿它们之间每个等位面的垂线进行。距离，量测沿它们之间每个等位面的垂线进行。 用符号用符号 表示。表示。 测量方法测量方法gH0dPPPgeoidWWWg n PgWHgGPS水准水准 高程系统高程系统 正高正高GPS测量原理及应用测量原理及应用正常高正常高 定义定义 正常高系统是以似大地水准面（正常高系统是以似大地水准面（quasi-geoid）为基准的高程系统。为基准的高程系统。 某点的正常高是该点到通过该点的正常重力线某点的正常高是该点到通过该点的正常重力线与似大地水准面的交点之间的距离。与似大地水准面的交点之间的距离。

4、 用符号用符号 表示。表示。 测量方法测量方法 如果在正高定义式中，用正常重力如果在正高定义式中，用正常重力 代替无法精代替无法精密求定的密求定的 值，即为正常高的定义式值，即为正常高的定义式H1dBBm OBHg hGPS水准水准 高程系统高程系统 正常高正常高GPS测量原理及应用测量原理及应用各高程系统间的关系各高程系统间的关系 大地水准面 参考椭球面 似大地水准面 地球表面 Hg H N H ggHHhHHGPS水准水准 高程系统高程系统 各高程系统间的关系各高程系统间的关系GPS测量原理及应用测量原理及应用2. GPS水准水准GPS水准水准 GPS水准水准GPS测量原理及应用测量原理及

5、应用GPS水准概述水准概述 定义定义 采用采用GPS测量的手段，测定正高（正常高）。测量的手段，测定正高（正常高）。 原理原理 关键关键 获得各点的大地高（获得各点的大地高（GPS方法）方法） 获得各点的大地水准面差距获得各点的大地水准面差距N（高程异常（高程异常 ） HHggHHhggNHgggHHHGPS水准水准 GPS水准水准 GPS水准概述水准概述GPS测量原理及应用测量原理及应用GPS水准概述水准概述 大地水准面差距的确定方法大地水准面差距的确定方法 天文大地法天文大地法 地球重力场的重力位模型地球重力场的重力位模型 在诸如在诸如Stokes积分的技术中使用地面重力数据积分的技术中使

6、用地面重力数据 几何或内插方法几何或内插方法 GPS水准水准 GPS水准水准 GPS水准概述水准概述GPS测量原理及应用测量原理及应用天文大地法天文大地法 方法方法 直接与局部大地网相联系，因为一方面所需数据（垂线直接与局部大地网相联系，因为一方面所需数据（垂线偏差）为天文坐标，而另一方面为相同点的大地坐标。偏差）为天文坐标，而另一方面为相同点的大地坐标。大地水准面差距的剖面是在这些天文大地点间计算的。大地水准面差距的剖面是在这些天文大地点间计算的。 特点特点 所获得的大地水准面差距的信息是相对于局部椭球的所获得的大地水准面差距的信息是相对于局部椭球的 基本数据为垂线偏差基本数据为垂线偏差 仅

7、适合于具有天文坐标的区域仅适合于具有天文坐标的区域 精度差精度差GPS水准水准 GPS水准水准 天文大地法天文大地法GPS测量原理及应用测量原理及应用重力位模型法重力位模型法 方法方法 特点特点 所得到的大地水准面差距信息相对于地心椭球，所得到的大地水准面差距信息相对于地心椭球，所带参数针对特定模型（现代球谐模型的椭球所带参数针对特定模型（现代球谐模型的椭球大小和扁率采用了大小和扁率采用了WGS84参数）参数） 基本数据位模型的球谐或重力位系数基本数据位模型的球谐或重力位系数 适用性广，可在陆地、海洋和近地轨道适用性广，可在陆地、海洋和近地轨道 精度与重力位模型有关精度与重力位模型有关max*

8、20sincossinnnneSHMnmnmnmnmaGMNPCmSmRRGPS水准水准 GPS水准水准 重力位模型法重力位模型法GPS测量原理及应用测量原理及应用重力测量（重力测量（Stokes积分）方法积分）方法 方法方法 特点特点 所得到的大地水准面差距信息是相对于地心椭所得到的大地水准面差距信息是相对于地心椭球的球的 基本数据是计算点附近的地面重力观测值基本数据是计算点附近的地面重力观测值 仅适用于具有良好局部重力覆盖的区域仅适用于具有良好局部重力覆盖的区域 精度与重力数据密度、分布、质量等有关精度与重力数据密度、分布、质量等有关 d4StokeRNfgGPS水准水准 GPS水准水准

9、重力测量（重力测量（Stokes积分）方法积分）方法 GPS测量原理及应用测量原理及应用高程拟合高程拟合 原理原理mmmmmmdLdBdLdBdLdBdLdBdLdBdLdBdLdBdLdBdLdBA2222222222112121111.11iiiiiiidLdBadLadBadLadBaa52423210LAxVTaaaaaax543210TmL.21 PLAPAAxTT1GPS水准水准 GPS水准水准 高程拟合高程拟合GPS测量原理及应用测量原理及应用高程拟合高程拟合 影响拟合精度的因素影响拟合精度的因素 拟合区域内的大地水准面起伏拟合区域内的大地水准面起伏 山区的起伏大于平原地区山区的

10、起伏大于平原地区 水准点的数量与分布水准点的数量与分布 数量多、分布均匀、包围拟合区域则有利于拟合数量多、分布均匀、包围拟合区域则有利于拟合 大地高、正常高的精度大地高、正常高的精度 拟合的方法拟合的方法GPS水准水准 GPS水准水准 高程拟合高程拟合GPS测量原理及应用测量原理及应用结合物理大地测量手段确定点的正常高结合物理大地测量手段确定点的正常高 确定高程异常的物理大地测量方法确定高程异常的物理大地测量方法 纯物理大地测量确定高程异常的缺点纯物理大地测量确定高程异常的缺点 优点：若进行重力加密测量，可较好地获取似优点：若进行重力加密测量，可较好地获取似大地水准面的起伏大地水准面的起伏 缺

11、点：所确定出的高程异常值的准确度低缺点：所确定出的高程异常值的准确度低T扰动位扰动位正常重力正常重力（由公式计算）（由公式计算）高程异常高程异常TVU正常重力位正常重力位（由公式计算）（由公式计算）实际引力位实际引力位（由重力场模型计（由重力场模型计算）算）GPS水准水准 GPS水准水准 结合物理大地测量手段确定点的正常高结合物理大地测量手段确定点的正常高GPS测量原理及应用测量原理及应用结合物理大地测量手段确定点的正常高结合物理大地测量手段确定点的正常高 结合物理大地测量手段确定点的正常高的步骤结合物理大地测量手段确定点的正常高的步骤 第一步：采用物理大地测量手段确定出所有点的高程异第一步：

12、采用物理大地测量手段确定出所有点的高程异常常 （这里所确定出的高程异常准确度不高）（这里所确定出的高程异常准确度不高） 第二步：利用水准测量资料，确定出部分点的高程异常第二步：利用水准测量资料，确定出部分点的高程异常 （这里所确定出的高程异常准确度高），并将这些值分（这里所确定出的高程异常准确度高），并将这些值分别与别与“第一步第一步”所获得的对应值相减，得到这些点上两所获得的对应值相减，得到这些点上两种不同方法所获高程异常的差值种不同方法所获高程异常的差值 第三步：利用第三步：利用“第二步第二步”所获得的差值进行拟合（插所获得的差值进行拟合（插值），推求其它点上的差值值），推求其它点上的差值

13、 ，并利用这些差值计算出，并利用这些差值计算出这些点上的正常高这些点上的正常高ijjjjkrgHHGPS水准水准 GPS水准水准 结合物理大地测量手段确定点的正常高结合物理大地测量手段确定点的正常高GPS测量原理及应用测量原理及应用提高提高GPS水准质量的方法水准质量的方法 将项目区域保持在控制点将项目区域保持在控制点20 km半径的范围内半径的范围内 在在VDOP小于小于5.0时进行观测时进行观测 使用固定的三角架使用固定的三角架 使用双频接收机使用双频接收机 使用相同的带底盘的大地型天线使用相同的带底盘的大地型天线 对每个点在不同的卫星星座下、在不同天里至少设站观测对每个点在不同的卫星星座

14、下、在不同天里至少设站观测两次两次 采用采用15 的截止高度角的截止高度角 使用精密星历（使用精密星历（Precise Ephemeris）处理）处理GPS数据数据 对于长于对于长于10 km的基线，仅使用无电离层影响的基线固定解的基线，仅使用无电离层影响的基线固定解 使用相对的大地水准面差距使用相对的大地水准面差距GPS水准水准 GPS水准水准 提高提高GPS水准质量的方法水准质量的方法第第7讲讲 GPS应用的最新进展应用的最新进展GPS测量原理及应用测量原理及应用1. GPS现代化现代化GPS应用的最新进展应用的最新进展 GPS现代化现代化GPS测量原理及应用测量原理及应用背景背景 国际局

15、势的变化，世界进入后冷战时代国际局势的变化，世界进入后冷战时代 GPS产业为美国带来大量的经济利益产业为美国带来大量的经济利益 克服美国限制措施的技术日益完善成熟克服美国限制措施的技术日益完善成熟 其它卫星导航定位系统的竞争其它卫星导航定位系统的竞争GPS应用的最新进展应用的最新进展 GPS现代化现代化 背景背景GPS测量原理及应用测量原理及应用内容内容 L2上增加上增加C/A码码 增加第三民用频率增加第三民用频率L5 增加军队专用码增加军队专用码M1，M2 提高提高PPS信号质量信号质量 局部局部SAGPS现代化计划中所采用的现代化计划中所采用的Block IIFGPS应用的最新进展应用的最

16、新进展 GPS现代化现代化 内容内容GPS测量原理及应用测量原理及应用2. 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统GPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统GPS测量原理及应用测量原理及应用美国的美国的CORSGPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 美国的美国的CORSGPS测量原理及应用测量原理及应用加拿大主动式控制系统加拿大主动式控制系统GPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 加拿大主动式控制系统加拿大主动式控制系统GPS测量原理及

17、应用测量原理及应用德国的卫星定位与导航服务计划德国的卫星定位与导航服务计划(SAPOS) 目的是把当前德国各部门的差分目的是把当前德国各部门的差分GPS计划协调统一计划协调统一起来，建立一个长期运行的、覆盖全国的多功能起来，建立一个长期运行的、覆盖全国的多功能差分差分GPS定位导航服务体系，作为国家的空间数据定位导航服务体系，作为国家的空间数据基础设施。基础设施。 由由200个左右永久性个左右永久性GPS跟踪站组成，构成了德国跟踪站组成，构成了德国国家动态大地测量框架。代表了当今国家级大地国家动态大地测量框架。代表了当今国家级大地测量系统的新概念。测量系统的新概念。 按精度、时间响应和目的分成

18、了实时定位服务按精度、时间响应和目的分成了实时定位服务（EPS），高精度实时定位服务（），高精度实时定位服务（HEPS），精密），精密大地定位服务（大地定位服务（GPPS），高精度大地定位服务），高精度大地定位服务（GHPS）四个级别。）四个级别。GPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 德国的德国的 SAPOSGPS测量原理及应用测量原理及应用日本的日本的GPS连续应变监测系统连续应变监测系统(COSMOS) 由一个格网式的由一个格网式的GPS永久站阵列构成，是日本国家永久站阵列构成，是日本国家的重要基础设施，系统提供的重要基础设施，系统提供G

19、PS数据作为定位服务，数据作为定位服务，具有实时动态定位（具有实时动态定位（RTK）能力，目的是完全取）能力，目的是完全取代传统的包括代传统的包括GPS静态网的控制网测量和建立模式。静态网的控制网测量和建立模式。 主要任务：主要任务： 建成超高精度的地壳运动监测网络系统建成超高精度的地壳运动监测网络系统 建成国家范围内的现代建成国家范围内的现代“电子大地控制网点电子大地控制网点” 主要应用：主要应用： 地震监测和预报地震监测和预报 控制测量、测图和地理信息系统更新控制测量、测图和地理信息系统更新 建筑、工程控制和监测建筑、工程控制和监测 气象监测和天气预报气象监测和天气预报GPS应用的最新进展

20、应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 日本的日本的 COSMOSGPS测量原理及应用测量原理及应用中国分布式中国分布式WADGPS（方案）（方案） 方案方案 5-6个跟踪站，个跟踪站，1-2个主控站个主控站 7-9个地区差分基准站和差分信息播发站个地区差分基准站和差分信息播发站GPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 中国分布式中国分布式WADGPS（方案）（方案）GPS测量原理及应用测量原理及应用深圳市连续运行卫星定位导航服务系统深圳市连续运行卫星定位导航服务系统市话网市话网市话网市话网市话网市电信局监控分析中心

21、卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线ModemGPS应用的最新进展应用的最新进展 连续运行的卫星导航服务系统连续运行的卫星导航服务系统 深圳市连续运行卫星定位导航服务系统深圳市连续运行卫星定位导航服务系统GPS测量原理及应用测量原理及应用高精度变形和形变监测高精度变形和形变监测GPS应用的最新进展应用的最新进展 高精度变形和形变监测高精度变形和形变监测GPS测量原理及应用测量原理及应用大桥安全监测大桥安全监测GPS应用的最新进展应用的最新进展 高精度变形和形变监测高精度变形和形变监测 大桥安全监测大桥安全监测GPS测量原理及应用测量原理及应用大型水利设施的安全监测大型水利设施的安全监测GPS应用的最新进展应用的最新进展 高精度变形和形变监测高精度变形和形变监测 大型水利设施的安全监测大型水利设施的安全监测GPS测量原理及应用测量原理及应用其它其它 高层建筑的安全监测高层建筑的安全监测 滑坡监测滑坡监测 地面沉降监测地面沉降监测GPS应用的最新进展应