Gps测量基础-课件

GPS测量基础陈晓岩南方测绘GPS测量基础陈晓岩1GPS和常规测量定位的区别平面定位的区别宏观和微观的区别概念：椭球、坐标系、投影、我国常用的坐标系统，坐标转换高程定位的区别高程基准、高程异常、我国常用的高程基准GPS和常规测量定位的区别平面定位的区别2平面投影基准—参考椭球体平面投影基准—参考椭球体3空间点位的数学描述参考椭球体

地球自然体大地水准面

旋转椭球体参数参考椭球的形状与大小：

长半径

a

偏率f参考椭球与地球的相关性：定位：X、Y、Z

定向：RX、RY、RZ

空间点位的数学描述参考椭球体4大地基准—1、坐标与坐标系统大地基准—1、坐标与坐标系统5大地基准基准的概念地球的运动目前我国常用的坐标系统常用坐标系间的坐标换算国家平面控制网的布设概况大地基准基准的概念6大地基准—基准的概念坐标：一组有序实数，表示n维欧氏空间中的一个点。坐标系：确定地面点或空间目标的位置所采用的参考系（参照物）。基准：将几何坐标系按一定的关系放入物理坐标系中的一组必要参数。大地基准—基准的概念坐标：一7日心坐标系天球坐标系地心坐标系站心坐标系地心大地坐标系地心坐标系地心直角坐标系地球坐标系

参心坐标系参心大地坐标系参心直角坐标系大地测量常用坐标系大地测量常用坐标系8目前我国常用的坐标系统1980西安坐标系1954年北京坐标系WGS-84大地坐标系新1954年北京坐标系（新54系）独立坐标系（地方坐标系）目前我国常用的坐标系统1980西安坐标系9开始定义为“1980国家大地坐标系”。1982年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。属参心坐标系,IAG-75椭球（IAG—国际大地测量学协会），长半轴a=6378140m;扁率α=1/298.257，原点在陕西省泾阳县。

椭球定位：

1.椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0JYD方向）；

2.起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面；3.椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。1980西安坐标系开始定义为“1980国家大地坐标系”。1982年，经天10大地基准—

目前我国常用的坐标系统大地基准—目前我国常用的坐标系统111954年北京坐标系

50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系,克拉索夫斯基椭球体，长半轴a=6378245m;扁率α=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。主要缺点：1.长半轴约大了108m；2.椭球定位西高东低，东部高程异常达67m；3.不同区域接边处大地点坐标差达1～2m。1954年北京坐标系12WGS-84大地坐标系

美国国防部研制确定的大地坐标系，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向零子午面与CTP赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。长半轴a=6378137m;扁率α=1/298.257223563。属地心坐标系，原点在地球质心。WGS-84大地坐标系13新1954年北京坐标系（新54系）属于参心大地坐标系椭球的几何参数同“54系”

a=6378245m；α=1/298.3大地原点及椭球轴向同“80系”高程基准面为1956年黄海平均高程面点的坐标与“54系”接近，精度同“80系”新1954年北京坐标系（新54系）14独立坐标系（地方坐标系）

为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。独立坐标系（地方坐标系）15目前我国常用的坐标系统大地坐标系平面直角坐标系目前我国常用的坐标系统大地坐标系16大地坐标大地纬度B—过P点的子午面与起始子午面间的夹角。由格林尼治子午线起算，东正西负。大地经度L—在P点的子午面上，P点的法线PKP与赤道面的夹角。由赤道起算，北正南负。大地坐标17大地坐标系：纬度、经度、大地高（椭球高）

大地坐标系纬度经度椭球高大地坐标系：纬度、经度、大地高（椭球高）大地坐标系纬度18平面直角坐标系平面直角坐标系19墨卡托投影

K=0.9996高斯投影

K=1.0000

高斯投影与墨卡托投影墨卡托投影高斯投影高斯投影与墨卡托投影20带区投影直角坐标系带区投影直角坐标：Ni、Ei标准分带：有3带、6带之分，规定中央子午线经度带区投影参数：

中央子午线经度（带号）中央子午线尺度比原点纬度原点北移值原点西移值按投影参数的选定：

有标准带区自定义带区N

E

赤道中央子午线EiI

NiO500km带区投影直角坐标系带区投影直角坐标：Ni、EiN21地平坐标系（假定平面直角坐标系）点的地平坐标描述

：

xi、yi适用于地面假定平面直角坐标系（建筑坐标系、工程坐标系）

O

xy

O地平坐标系（假定平面直角坐标系）点的地平坐标描述：O22大地基准—

目前我国常用的坐标系统高斯平面直角坐标

经高斯—克吕格正形投影，将椭球面上的点转换到平面上，用直角坐标（x,y）表示。中央子午线投影到平面上是一直线，作为纵坐标轴；赤道投影到平面上也是一直线，作为横坐标轴；中央子午线和赤道交点的投影像是坐标原点。xy0XYP（x,y）大地基准—目前我国常用的坐标系统高斯平面直角坐标xy023高斯直角坐标系

高斯正形投影正形（等角）投影变换。中央子午线投影为纵坐标轴。中央子午线投影尺度比为1。中央子午线外存在长度变形，距中央子午线越远变形越大。长度变形尺度比：

m=1+E2/（2R2）分带（带区）投影6度带：0~6，6~12...

3度带：0~3，3~6...高斯直角坐标系高斯正形投影24高斯投影分带（山东省的经度为114˚45΄～122˚40΄）高斯投影分带25

常用坐标系间的坐标换算严密平差法（用本网的观测数据，另网的起算点）公式严密换算法（80系新54系）转换模型法（七参数法）常用坐标系间的坐标换算严密平差法（用本26大地基准—

国家平面控制网的布设概况大地基准—国家平面控制网的布设概况27国家平面控制网的布设概况一等三角锁的布设国家平面控制网的布设概况一等三角锁的布设28国家平面控制网的布设概况二等三角网的布设国家平面控制网的布设概况二等三角网的布设29国家平面控制网的布设概况二等补充网的布设国家平面控制网的布设概况二等补充网的布设30国家平面控制网的布设概况精密导线网的布设国家平面控制网的布设概况精密导线网的布设31

国家平面控制网的布设概况国家GPSA级网

国家GPSA级网,1992年8月由国家测绘局布测完成，共27点，平均边长800km，基线水平分量精度为2～5cm,相对精度1～3

10-8;垂直分量精度为10cm，相对精度为0.5～1

10-7，ITRF（国际地球参考框架）91框架。2019年5月对A级网进行了复测。由30个主点和22个副点组成，基线水平分量精度优于4mm+310-9，相对精度为210-8；垂直分量精度优于8mm+410-9，相对精度为710-8，ITRF93框架。国家平面控制网的布设概况国家GPSA级网32大地基准—

国家平面控制网的布设概况国家GPSB级网国家GPSB级网,2019年国家测绘局完成布测与平差，共756点，其中重合A级网27点、多普勒网15点、天文大地网150点、水准网456点、验潮站17点，基线水平分量精度优于4

10-7;垂直分量精度优于8

10-7，平均边长：东部70～100km，西部：150～200km，ITRF93框架。

大地基准—国家平面控制网的布设概况国家GPS33高程基准目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即地面点A至似大地水准面的距离。大地高A正高正常高高程异常大地水准面差距自然表面大地水准面似大地水准面椭球表面高程基准目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即34大地高转换为正常高

高程异常大地水准面地面大地高——地面点沿法线方向到参考椭球面的间距（h）正高——地面点重力方向到大地水准面的间距（H）正常高——地面点重力方向到似大地水准面的间距（H）高程异常——似大地水准面到参考椭球面的间距（N）大地高、正常高、高程异常关系式

H=h-N参考椭球大地高转换为正常高

高程异常大地水准面35

GPS水准法——高程拟合

似大地水准面拟合面参考椭球面平面拟合示例(3个<联测点<6个)联测已知高程点建立回归方程：

1=ax1+by1+c2=ax2+by2+c3=ax3+by3+c…...解算方程反求系数a、b、c建立拟合面方程

=ax

+by

+c内插GPS点的高程异常值ii=axi+byi+c计算GPS点的正常高

Hi=hi-iGPS水准法——高程拟合似大地水准面拟合面36地球重力场模型大地水准面模型GPS高程法Hi=hi-i

Hik=hik+ikHk=Hi+Hik

GPS高程法——大地水准面模型地球重力场模型GPS高程法——大地水准面模型37高程基准1956年黄海高程系水准原点设在观象山，采用1950～1956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。1985国家高程基准

水准原点同1956年黄海高程系，采用1952～1979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。高程基准1956年黄海高程系38

高程基准—

我国水准网的布测情况50年来，进行了三期高精度水准测量。第一期水准网（1951～1969）：布测了一、二等水准网。一等线路36条，6个闭合环，2.9万km，二等13万km。第二期水准网（1977～1984）：一等线路289条，186个结点组成100个闭合环，93360km，标石20190座；二等1139条，总长度136,368km，标石33238座。第二期水准复测网（1991～2019）：全部一等网和局部二等网。一等线路245条（设计273），77个闭合环（设计99），85,452km（设计9.4万），验潮站45个。高程基准—我国水准网的布测情况39我国高程异常图我国高程异常图40我国测绘基准存在的问题天文大地网不能满足军事上对地心坐标系的需求。精度与现代大地测量手段(GPS)相比不匹配,导致使用GPS时的精度损耗。1954年北京坐标系及1980西安坐标系与ITRF（国际地球参考框架）或WGS-84无明确的对应关系。我国测绘基准存在的问题41我国测绘基准存在的问题GPS空间网密度不够，使城市GPS控制网以及工矿独立网难以连接到国家GPS控制网系统。标石破坏严重，并且这种情况还在继续。参心坐标系，分量与ITRF有100m以上的偏差，54坐标系采用克拉索夫斯基椭球，长半轴a值也相差100m以上。以上原因直接影响到GPS在我国的推广应用（包括范围、规模）。我国测绘基准存在的问题42我国测绘基准存在的问题高程基准复测周期过长（7～10年），现势性不强，由于地壳运动、地下水过量开采引起的地面下沉，使许多国家高精度水准点无法在实际生产中起到高程控制的作用（如：苏、杭、无锡的例子，以及浙江的跨海大桥工程）。以单站（青岛验潮站）为高程起算点，而我国海岸线数千公里。标石破坏严重（主要由于公路建设等）。我国测绘基准存在的问题43END谢谢END谢谢44GPS测量基础陈晓岩南方测绘GPS测量基础陈晓岩45GPS和常规测量定位的区别平面定位的区别宏观和微观的区别概念：椭球、坐标系、投影、我国常用的坐标系统，坐标转换高程定位的区别高程基准、高程异常、我国常用的高程基准GPS和常规测量定位的区别平面定位的区别46平面投影基准—参考椭球体平面投影基准—参考椭球体47空间点位的数学描述参考椭球体

地球自然体大地水准面

旋转椭球体参数参考椭球的形状与大小：

长半径

a

偏率f参考椭球与地球的相关性：定位：X、Y、Z

定向：RX、RY、RZ

空间点位的数学描述参考椭球体48大地基准—1、坐标与坐标系统大地基准—1、坐标与坐标系统49大地基准基准的概念地球的运动目前我国常用的坐标系统常用坐标系间的坐标换算国家平面控制网的布设概况大地基准基准的概念50大地基准—基准的概念坐标：一组有序实数，表示n维欧氏空间中的一个点。坐标系：确定地面点或空间目标的位置所采用的参考系（参照物）。基准：将几何坐标系按一定的关系放入物理坐标系中的一组必要参数。大地基准—基准的概念坐标：一51日心坐标系天球坐标系地心坐标系站心坐标系地心大地坐标系地心坐标系地心直角坐标系地球坐标系

参心坐标系参心大地坐标系参心直角坐标系大地测量常用坐标系大地测量常用坐标系52目前我国常用的坐标系统1980西安坐标系1954年北京坐标系WGS-84大地坐标系新1954年北京坐标系（新54系）独立坐标系（地方坐标系）目前我国常用的坐标系统1980西安坐标系53开始定义为“1980国家大地坐标系”。1982年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。属参心坐标系,IAG-75椭球（IAG—国际大地测量学协会），长半轴a=6378140m;扁率α=1/298.257，原点在陕西省泾阳县。

椭球定位：

1.椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0JYD方向）；

2.起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面；3.椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。1980西安坐标系开始定义为“1980国家大地坐标系”。1982年，经天54大地基准—

目前我国常用的坐标系统大地基准—目前我国常用的坐标系统551954年北京坐标系

50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系,克拉索夫斯基椭球体，长半轴a=6378245m;扁率α=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。主要缺点：1.长半轴约大了108m；2.椭球定位西高东低，东部高程异常达67m；3.不同区域接边处大地点坐标差达1～2m。1954年北京坐标系56WGS-84大地坐标系

美国国防部研制确定的大地坐标系，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向零子午面与CTP赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。长半轴a=6378137m;扁率α=1/298.257223563。属地心坐标系，原点在地球质心。WGS-84大地坐标系57新1954年北京坐标系（新54系）属于参心大地坐标系椭球的几何参数同“54系”

a=6378245m；α=1/298.3大地原点及椭球轴向同“80系”高程基准面为1956年黄海平均高程面点的坐标与“54系”接近，精度同“80系”新1954年北京坐标系（新54系）58独立坐标系（地方坐标系）

为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。独立坐标系（地方坐标系）59目前我国常用的坐标系统大地坐标系平面直角坐标系目前我国常用的坐标系统大地坐标系60大地坐标大地纬度B—过P点的子午面与起始子午面间的夹角。由格林尼治子午线起算，东正西负。大地经度L—在P点的子午面上，P点的法线PKP与赤道面的夹角。由赤道起算，北正南负。大地坐标61大地坐标系：纬度、经度、大地高（椭球高）

大地坐标系纬度经度椭球高大地坐标系：纬度、经度、大地高（椭球高）大地坐标系纬度62平面直角坐标系平面直角坐标系63墨卡托投影

K=0.9996高斯投影

K=1.0000

高斯投影与墨卡托投影墨卡托投影高斯投影高斯投影与墨卡托投影64带区投影直角坐标系带区投影直角坐标：Ni、Ei标准分带：有3带、6带之分，规定中央子午线经度带区投影参数：

中央子午线经度（带号）中央子午线尺度比原点纬度原点北移值原点西移值按投影参数的选定：

有标准带区自定义带区N

E

赤道中央子午线EiI

NiO500km带区投影直角坐标系带区投影直角坐标：Ni、EiN65地平坐标系（假定平面直角坐标系）点的地平坐标描述

：

xi、yi适用于地面假定平面直角坐标系（建筑坐标系、工程坐标系）

O

xy

O地平坐标系（假定平面直角坐标系）点的地平坐标描述：O66大地基准—

目前我国常用的坐标系统高斯平面直角坐标

经高斯—克吕格正形投影，将椭球面上的点转换到平面上，用直角坐标（x,y）表示。中央子午线投影到平面上是一直线，作为纵坐标轴；赤道投影到平面上也是一直线，作为横坐标轴；中央子午线和赤道交点的投影像是坐标原点。xy0XYP（x,y）大地基准—目前我国常用的坐标系统高斯平面直角坐标xy067高斯直角坐标系

高斯正形投影正形（等角）投影变换。中央子午线投影为纵坐标轴。中央子午线投影尺度比为1。中央子午线外存在长度变形，距中央子午线越远变形越大。长度变形尺度比：

m=1+E2/（2R2）分带（带区）投影6度带：0~6，6~12...

3度带：0~3，3~6...高斯直角坐标系高斯正形投影68高斯投影分带（山东省的经度为114˚45΄～122˚40΄）高斯投影分带69

常用坐标系间的坐标换算严密平差法（用本网的观测数据，另网的起算点）公式严密换算法（80系新54系）转换模型法（七参数法）常用坐标系间的坐标换算严密平差法（用本70大地基准—

国家平面控制网的布设概况大地基准—国家平面控制网的布设概况71国家平面控制网的布设概况一等三角锁的布设国家平面控制网的布设概况一等三角锁的布设72国家平面控制网的布设概况二等三角网的布设国家平面控制网的布设概况二等三角网的布设73国家平面控制网的布设概况二等补充网的布设国家平面控制网的布设概况二等补充网的布设74国家平面控制网的布设概况精密导线网的布设国家平面控制网的布设概况精密导线网的布设75

国家平面控制网的布设概况国家GPSA级网

国家GPSA级网,1992年8月由国家测绘局布测完成，共27点，平均边长800km，基线水平分量精度为2～5cm,相对精度1～3

10-8;垂直分量精度为10cm，相对精度为0.5～1

10-7，ITRF（国际地球参考框架）91框架。2019年5月对A级网进行了复测。由30个主点和22个副点组成，基线水平分量精度优于4mm+310-9，相对精度为210-8；垂直分量精度优于8mm+410-9，相对精度为710-8，ITRF93框架。国家平面控制网的布设概况国家GPSA级网76大地基准—

国家平面控制网的布设概况国家GPSB级网国家GPSB级网,2019年国家测绘局完成布测与平差，共756点，其中重合A级网27点、多普勒网15点、天文大地网150点、水准网456点、验潮站17点，基线水平分量精度优于4

10-7;垂直分量精度优于8

10-7，平均边长：东部70～100km，西部：150～200km，ITRF93框架。

大地基准—国家平面控制网的布设概况国家GPS77高程基准目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即地面点A至似大地水准面的距离。大地高A正高正常高高程异常大地水准面差距自然表面大地水准面似大地水准面椭球表面高程基准目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即78大地高转换为正常高

高程异常大地水准面地面大地高——地面点沿法线方向到参考椭球面的间距（h）正高——地面点重力方向到大地水准面的间距（H）正常高——地面点重力方向到似大地水准面的间距（H）高程异常——似大地水准面到参考椭球面的间距（N）大地高、正常高、高程异常关系式

H=h-N参考椭球大地高转换为正常高

高程异常大地水准面79

GPS水准法——高程拟合

似大地水准面拟合面参考椭球面平面拟合示例(3个<联测点<6个)联测已知高程点建立回归方程：

1=ax1+by1+c2=ax2+by2+c3=ax3+by3+c…...解算方程反求系数a、b、c建立拟合面方程

=ax

+by

+c内插GPS点的高程异常值ii=axi+byi+