测绘基本知识

测绘基本知识一、测绘名词（摘自国家测绘局）1、大地基准大地基准面是建立国家大地坐标系统和推算国家大地控制网中各点大地坐标的基本依据，它包括一组大地测量参数和一组起算数据，其中，大地测量参数主要包括作为建立大地坐标系依据的地球椭球的四个常数，即地球椭球赤道半径啊，地心引力常数GM，带球谐系数J2（由此导出椭球扁率f）和地球自转角度w，以及用以确定大地坐标系统和大地控制网长度基准的真空光速c；而一组起算数据是指国家大地控制网起算点（成为大地原点）的大地经度、大地纬度、大地高程和至想邻点方向的大地方位角。全国天文大地网共包括三角点、导线点48433个，拉普拉斯点458个，长度起始边467条，由此组成全国范围的参考框架，是国家各部门和全国各行业进行测绘工作的基础2、大地水准面大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面，也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距——大地水准面差距（对于似大地水准面而言，则称为高程异常）来实现的。大地水准面和海拔高程等参数和概念在客观世界中无处不在，在国民经济建设中起着重要的作用。大地水准面是大地测量基准之一，确定大地水准面是国家基础测绘中的一项重要工程。它将几何大地测量与物理大地测量科学地结合起来，使人们在确定空间几何位置的同时，还能获得海拔高度和地球引力场关系等重要信息。大地水准面的形状反映了地球内部物质结构、密度和分布等信息，对海洋学、地震学、地球物理学、地质勘探、石油勘探等相关地球科学领域研究和应用具有重要作用。3、高程基准高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。水准基面，通常理论上采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面，实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测结果计算出来的平均海面。中国以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海面作为中国的水准基面，即零高程面。中国水准原点建立在青岛验潮站附近，并构成原点网。用精密水准测量测定水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，定为全国高程控制网的起算高程。国家第二期一等水准网高程起算点为水准原点。高程系统为“1985国家高程系统”，共有292条线路、19931个水准点，总长度为93341公里，形成了覆盖全国的高程基础控制网（台湾资料暂缺）4、重力基准重力基准是指绝对重力值已知的重力点，作为相对重力测量（两点间重力差的重力测量）的起始点。世界公认的起始重力点称为国际重力基准。各国进行重力测量时都尽量与国际重力基准相联系，以检验其重力测量的精度并保证测量成果的统一。国际通用的重力基准有1909年波茨坦重力测量基准和1971年的国际重力基准网（IGSN—71）。中国于1956~1957年建立了全国范围的第一个国家重力基准，称为1957年国家重力基本网，该网由21个基本点和82个一等点组成。1985年，中国重新建立了国家重力基准。它由6个基准重力点，46个基本重力点和5个因点组成，称为1985年国家重力基本网。国家1985重力基本网，由6个重力基准点、46个重力基本点和5个引点组成。1999年开始重建工作（台湾省资料暂缺）5、54国家坐标系建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。因此，P54可归结为a．属参心大地坐标系；b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；c.大地原点在原苏联的普尔科沃；d．采用多点定位法进行椭球定位；e．高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；f．高程异常以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得。自P54建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。1954北京坐标系参考椭球基本几何参数长半轴a＝6378245m短半轴b＝6356863.0188m扁率α＝1/298.3第一偏心率平方＝0.006693421622966第二偏心率平方＝0.0067385254146836、80国家坐标系采用国际地理联合会（IGU）第十六届大会推荐的椭球参数，大地坐标原点在陕西省泾和县永乐镇的大地坐标系，又称西安坐标系。C80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。根据椭球定位的基本原理，在建立C80坐标系时有以下先决条件：（1）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；（2）C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系；（3）椭球参数采用IUG1975年大会推荐的参数因而可得C80椭球两个最常用的几何参数为：长半轴a＝6378140±5（m）短半轴b＝6356755.2882m扁率α＝1/298.257第一偏心率平方＝0.00669438499959第二偏心率平方＝0.00673950181947椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。（4）多点定位；（5）大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。7、WGS-84大地坐标WGS-84大地坐标系WGS－84（WorldGeodeticSystem，1984年）是美国国防部研制确定的大地坐标系，其坐标系的几何定义是：原点在地球质心,z轴指向BIH1984．0定义的协议地球极(CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点。Y轴与Z、X轴构成右手坐标系（如图所示）。WGs-84椭球及有关常数：对应于WGS-8大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数采用IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值。下面给出WGS-84椭球两个最常用的几何常数：长半轴：6378137±2（m短半轴b＝6356752.3142m扁率α＝1/298.257223563第一偏心率平方＝0.00669437999013第二偏心率平方＝0.006739496742238、高斯-克吕格坐标高斯-克吕格坐标适用于高克吕格投影的一种坐标系统。高斯-克吕格投影是按分带方法各自进行投影，故各带坐标成独立系统。以中央经线投影为纵轴(x),赤道投影为横轴(y),两轴交点即为各带的坐标原点。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球，纵坐标均为正值。横坐标如以中央经线为零起算，中央经线以东为正，以西为负，横坐标出现负值，使用不便，故规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴，凡是带内的横坐标值均加500公里。在地形图上为了区别某一坐标系统属于哪一带，在靠近图廓西边的第一条坐标网纵线和东边的第一条坐标网纵线的坐标值之前，需加注这一图幅所在的带号，例如，第一条纵线的横坐标值是6370公里，设该图幅属于第十四带，则应写成146370。三角测量中大地点的坐标亦应加注带号。

高斯一克吕格投影平面直角坐标9、高斯投影分带高斯投影分带按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带,这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带,以便分带投影。通常按经差6度或3度分为六度带或三度带。六度带自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，带号依次编为第1、2…60带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合，即自1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，带号依次编为三度带第1、2…120带。我国的经度范围西起73度东至135度，可分成六度带十一带或三度带二十二带。六度带可用于中小比例尺（1：25000以下）测图，三度带可用于大比例尺（如1：10000）测图。在某些特殊情况下，高斯投影也可采用宽带或窄带，如按经差9度或1.5度分带。分带图如下：10、全球定位系统全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）全球定位系统是美国布设的第二代卫星无线电导航系统。它是在地球上空布设24颗GPS专用卫星，卫星轨道即每时刻的精确位置由地面监控站测定，并通过卫星用无线电波向地面发播；地面上用GPS接收机同时接收4颗以上卫星信号，根据卫星的精确位署以求得地面点位置。它能为用户提供全球性、全天候、连续、实时、高精度的三维坐标、三向速度和时间信息。GPS具有精度高、速度快、全天候、距离远等特点，促使大地测量的作用大大向外扩展延伸。其作用可归纳如下一些：（1）为飞机、船舶、运载体提供定位和导航信息；（2）布设城市、矿山、海洋等各类控制网，不需造标观测，可灵活方便又廉价的满足经济建设和国防建设的需要；（3）布设地面监测网，可监测地壳形变、板块运动、固体潮、海平面升降等地球动力学现象；（4）可用于标定国界、海疆和联测沿海岛屿；（5）用于建立以地球质心为坐标系原点的地心坐标系，为建立大地测量参考框架提供资料；（6）利用GPS和水准测量资料精化大地水准面；（7）应用在已知点上的GPS观测资料，可反求大气对流层的气象元素等。1、GPS发展的背景1957年世界上第一颗人造卫星发射成功后，利用卫星导航定位的研究提到了议事日程。1973年12月，美国陆、海、空三军继“海军导航卫星系统”（简称“NNSS”，1958年开始研制，1964年正式运行）后，开始联合研制新一代空间卫星导航定位系统，历时20多年，耗资300亿美元。其目的主要是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。2、GPS的工作原理

GPS是目前世界公认最先进的被动式卫星导航定位系统。即卫星全天时地发射包含自身三维速度、三维坐标和准确时间等信息的导航电文，设在代定点上的接收机通过接受导航电文进行测时、测距，利用空间后方距离交会技术反算出代定点的三维速度和三维坐标，实现导航定位的目的。3、GPS的组成部分（1）空间部分：由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成（21颗工作卫星和三颗备用卫星），卫星上安置了精确的原子钟、发射和接受系统等装置；（2）地面控制部分：由主控站（负责管理、协调整个地面系统的工作）、注入站（即地面天线，在主控站的控制下向卫星注入导航电文和其他命令）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；（3）用户装置部分：由天线、接收机、微处理机和输入输出设备组成。4、SA和AS技术及对策美国为了维护其军事利益和国家安全，分别对GPS实施了AS和SA技术。AS（Anti-Spoofing）技术也叫反电子欺骗技术，他是一种GPS保护技术，是为了防止敌方和黑客对GPS信息的破坏和干扰以及防止非授权用户（民用用户）使用精密导航信息（军用码）。SA（SelectiveAvailability）技术即选择可用技术，是通过在非精密导航信息（民用码）里人为地加入高频干扰信号和降低卫星星历精度，从而降低了普通用户的定位精度，使民用单点定位误差达到100米。SA政策是影响民用定位精度的主要原因。为了应对美国SA政策，提高定位精度，世界各国纷纷采用差分技术。即利用多台接收机同时接受同一颗卫星信号，采用一次或多次求差的方法，抵消同一颗卫星的各种人为干扰误差和大气误差，从而提高定位精度。在此基础上又发展了的广域差分、实时差分等定位技术，有效的减弱了SA和AS政策的影响。5、GPS技术的发展方向为了促进GPS的发展，1998年美国政府提出了GPS现代化计划，总体上可归纳为以下三个方面：①保护。采用各种措施保护GPS不受敌方和黑客的干扰，增加军用讯好的强度，增强抗干扰能力。②阻止。阻止敌方利用GPS军用讯号，设计新的信号结构，将军用频道和民用频道彻底分开。③改善。改善GPS定位和导航精度，增加2个民用频道，提前结束SA政策。为了促进GPS产业发展，2000年5月1日，克林顿总统宣布取消SA干扰，使GPSGPS定位原理概述第1节GPS的组成GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态(FOC[2])。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星[3]。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。第2节GPS信号GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A码C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。P码P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。Y码见P码。导航信息导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。第3节SPS和PPSGPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–StandardPositioningService)，另一种是精密定位服务(PPS–PrecisionPositioningService)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPS–StandardPositioningSystem)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–PrecisionPositioningSystem)提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。第4节GPS定位的常用观测值在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：L1载波相位观测值L2载波相位观测值（半波或全波）调制在L1上的C/A码伪距调制在L1上的P码伪距调制在L2上的P码伪距L1上的多普勒频移L2上的多普勒频移实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane）[4]、窄巷观测值（Narrow-Lane）[5]、消除电离层延迟的观测值（Ion-Free）[6]来进行数据处理。第5节GPS定位的误差源我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：一、与GPS卫星有关的因素SA美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。卫星星历误差在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。二、与传播途径有关的因素电离层延迟由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟

由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应

由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。三、与接收机有关的因素接收机钟差接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差

接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。四、其它GPS控制部分人为或计算机造成的影响由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。第6节GPS定位方法GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：一、根据定位所采用的观测值伪距定位伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。载波相位定位载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。

二、根据定位的模式绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。三、根据获取定位结果的时间实时定位实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

非实时定位非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进