GPS测量数据处理ppt课件.ppt

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1、GPS测量与数据处理武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院卫星应用研究所卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤目录v前言前言v第一章第一章 GPSGPS定位原理概要定位原理概要v第二章第二章 坐标系、基准和参考框架坐标系、基准和参考框架v第三章第三章 GPSGPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用v第四章第四章 技术设计技术设计v第五章第五章 布网和作业方法布网和作业方法v第六章第六章 GPSGPS测量常用数据格式测量常用数据格式v第七章第七章 GPSGPS基线解算基线解算v第八章第八章

2、 GPSGPS基线向量网平差基线向量网平差v第九章第九章 GPSGPS高程测量高程测量v第十章第十章 技术总结技术总结GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤前言vGPSGPS应用概述应用概述v课程目的课程目的 v教学内容教学内容v教学要求及学习方法教学要求及学习方法GPS测量数据处理GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤什么是GPS？GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging

3、 Global Positioning System，简称简称GPS，有时也被称作有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为其意为“导航星测时与导航星测时与测距全球定位系统测距全球定位系统”,或简称全球定位系或简称全球定位系统统。全球定位系统（全球定位系统（GPS）是以卫星为基是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。维坐标

4、、速度和时间。GPS测量数据处理 前言GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤课程目的v了解和掌握利用了解和掌握利用GPS定位技术建立控制网的定位技术建立控制网的基本原理和方法基本原理和方法v了解和掌握了解和掌握GPS数据处理的基本原理和过程数据处理的基本原理和过程v了解商用数据处理软件及其使用了解商用数据处理软件及其使用 如：如：TGO软件（软件（Trimble Geomatics Office）GPS测量数据处理 前言 课程目的GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学

5、院卫星应用研究所朱智勤朱智勤教学内容v教学内容教学内容GPS定位原理概述定位原理概述坐标系、基准和坐标系统坐标系、基准和坐标系统GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用GPS网的技术设计及布网方法网的技术设计及布网方法GPS测量数据处理测量数据处理v基线解算基线解算vGPS高程高程vGPS基线向量网平差基线向量网平差GPS测量数据处理 前言 教学内容GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤v要求要求掌握基本概念、基本理论掌握基本概念、基本理论了解软件的操作使用方法了解软件的操作使用方法v学习方法学习方法注意理

6、论与实践相结合注意理论与实践相结合GPS测量数据处理 前言 教学要求及学习方法教学要求及学习方法GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第一章GPS定位原理概述v第一节第一节 GPS系统的组成系统的组成 v第二节第二节 GPS信号信号 v第三节第三节 SPS和和PPSv第四节第四节 GPS定位的常用观测值定位的常用观测值 v第五节第五节 GPS定位的误差源定位的误差源 v第六节第六节 GPS定位方法定位方法 GPS测量数据处理GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星

7、应用研究所朱智勤朱智勤第一节 GPS的系统组成vGPS系统由系统由三三部分组成部分组成空间部分空间部分（Space Segment）地面部分地面部分（Ground Segment）用户部分用户部分（User Segment）GPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS的系统组成空间部分GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫颗活动的备用卫星星 6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨轨

8、道倾角道倾角55 ，周期，周期11h 58min（顾及地球自顾及地球自转，地球转，地球-卫星的几何关系每天提前卫星的几何关系每天提前4min重重复一次）复一次）保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度高度角角15 以上，能够同时观测到以上，能够同时观测到4颗以上卫颗以上卫星星当前星座：当前星座：28颗颗GPS测量数据处理第一章第一节 GPS的系统组成GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS的系统组成地面控制部分GPS的地面控制部分的地面控制部分组成：组成：主控站（主控站（1个）个）监测站（

9、监测站（5个）个）注入站（注入站（3个）个）作用：作用：监测和控制卫星运行监测和控制卫星运行编算卫星星历（导航编算卫星星历（导航电文）电文）保持系统时间。保持系统时间。GPS测量数据处理第一章第一节 GPS的系统组成GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS系统的用户设备部分v组成组成GPS信号接收机及辅助设备信号接收机及辅助设备v作用作用跟踪、捕获卫星信号跟踪、捕获卫星信号进行信号处理进行信号处理测定位置、速度和时间测定位置、速度和时间vGPS信号接收机的构成信号接收机的构成天线单元天线单元接收单元接收单元GPS

10、信号接收机信号接收机天线单元天线单元接收单元接收单元GPS测量数据处理第一章第一节 GPS的系统组成GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS信号的基本组成部分（信号分量）信号的基本组成部分（信号分量）载波（载波（Carrier Phase）测距码（测距码（Ranging Code）导航电文（导航电文（Navigation Message/Data Message）第二节 GPS信号GPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院

11、卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS信号的生成基准频率基准频率卫星电文卫星电文卫星电文卫星电文GPS测量数据处理第一章第二节 GPS信号GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤载波载波作用作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。类型类型目前目前L1：频率：频率：1575.43MHz，波长：波长：19cmL2：频率：频率：1227.60MHz，波长：波长：24cm现代化后现代化后增加增加L5：频率：频率：1176.45MHz，波长：波长：26cmGPS卫星信号结构载波GPS测量数据处理

12、第一章第二节 GPS信号GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS卫星信号结构测距码测距码测距码属于伪随机噪声码属于伪随机噪声码 PRN码（码（Pseudo Random Noise）类型（目前）类型（目前）C/A（C1）码速：码速：1.023MHz码元长度：码元长度：293mP(Y)1、P(Y)2码速：码速：10.23MHz码元长度：码元长度：29.3m现代化后增加现代化后增加C2M1、M2(军用码军用码)GPS测量数据处理第一章第二节 GPS信号GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应

13、用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS卫星信号结构导航电文导航电文导航电文码速：码速：50bps内容：内容：广播星历广播星历（导航信息）（导航信息）卫星钟改正卫星钟改正历书（概略历书（概略星历）星历）电离层信息电离层信息卫星健康状卫星健康状况况GPS测量数据处理第一章第二节 GPS信号GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第三节 SPS和PPSSPS与与PPSSPS 标准定位服务标准定位服务使用使用C/A码，民用码，民用2DRMS水平水平=100 m2DRMS垂直垂直=150-170 m2DRMS时

14、间时间=340 nsPPS 精密定位服务精密定位服务可使用可使用P码，军用码，军用2DRMS水平水平=22 m2DRMS垂直垂直=27.7 m2DRMS时间时间=100 nsGPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第四节 GPS定位的常用观测值v伪距伪距调制在调制在L1载波上的载波上的C/A码伪距码伪距调制在调制在L1、L2载波上的载波上的P码伪距码伪距v载波载波L1载波相位观测值载波相位观测值L2载波相位观测值（半波或全波）载波相位观测值（半波或全波）v多普勒多普勒L1、L

15、2载波上的多普勒频移载波上的多普勒频移GPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第五节 GPS定位的误差源v与与GPS卫星有关的因素卫星有关的因素v与传播途径有关的因素与传播途径有关的因素v与接收机有关的因素与接收机有关的因素v其它因素其它因素GPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤误差的分类（按误差来源）与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫

16、星星历（轨道）误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟误差电离层延迟误差对流层延迟误差对流层延迟误差多路径效应多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接收机钟差接收机钟差接收机天线相位中心偏差接收机天线相位中心偏差其它因素其它因素GPS测量数据处理第一章第五节 GPS定位的误差源GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第六节 GPS定位方法GPS测量定位的分类测量定位的分类依定位时待定物体的运依定位时待定物体的运动状态动状态动态定位动态定位静态定位静态定位依定

17、位模式依定位模式绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位差分定位差分定位 依定位采用的观测值依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）伪距测量（伪距法定位）载波相位测量载波相位测量 依时效依时效实时定位实时定位事后定位事后定位GPS测量数据处理第一章 GPS定位原理概述GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第二章 坐标系、基准和参考框架v第一节第一节 坐标系坐标系 v第二节第二节 基准和参考框架基准和参考框架 v第三节第三节 坐标系变换与基准变换坐标系变换与基准变换v第四节第四节 GPS测量中常用的坐标

18、系统测量中常用的坐标系统 GPS测量与数据处理GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第一节第一节 坐标系坐标系v一、概述v二、参考系v三、基本测量坐标系GPS测量数据处理第二章 坐标系、基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤一、概述一、概述v测量工作的基本任务是确定物体（某一个点）的空间位置。而对位置的描述是建立在某一个特定的空间框架之上的。所谓的空间框架就是通常所说的坐标系统。v一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所

19、构成的。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤v坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。v基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤

20、朱智勤二、参考系二、参考系v点的位置是由以相对于一个预先定义的数学表面的坐标值所确定的。在大地测量中，该数学表面被称为基准，而相对于该基准的点位置由其坐标来确定。所以基准就是用作确定点位置的参考的坐标面。这样的参考系可以建立在大地水准面、参考椭球面或一个平面上。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤地球的自然表面地球的自然表面v地球的自然表面：地球的自然表面高低起伏，其形状十分复杂，如珠穆朗玛峰高达8848.13m，马里亚纳海沟深达11022m。海洋的面积占71%，陆地的面积占2

21、9%。可以用静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，得到包围地球的形体来代表地球的形体。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤水准面水准面v水准面：任何静止的液体表面称为水准面，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。铅垂线和水准面是测量工作所依据的线和面。随着高度的不同，水准面有无数个。平均海水面是其中的一个。P离心力地球引力重力垂球铅垂线GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究

22、所朱智勤朱智勤大地水准面大地水准面v大地水准面：平均海水面向陆地、岛屿延伸而形成的封闭曲面。它所包围的形体叫大地体。v由于地球内部质量分布不均匀，使得地面上各点的铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个连续的封闭的但有微小起伏的不规则曲面，无法用数学模型来表示。地球自然表面大地水准面GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤地球形状的认识地球形状的认识v公元前6世纪毕达哥拉斯提出地圆说v公元前4世纪亚里士多德用物理方法验证了地圆说v18世纪证实的扁球说。长半轴a=637

23、8140米短半轴b=6356755米a-b=21385米扁度=方远远古古？圆球圆球扁球现现代代椭椭球球GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤参考椭球面参考椭球面v参考椭球面：一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球体的表面。v椭球体的大小和大地体十分接近。参考椭球面可用数学模型表示。1、代表地球的数学表面；2、大地测量计算的基准面；3、研究大地水准面的参考面；4、地图投影的参考面。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用

24、研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤参考椭球面参考椭球面v参考椭球的定位：为了将以大地水准面为基准的野外观测结果化算到这个表面上，必须将参考椭球面与大地水准面在位置上的关系确定下来，这个工作叫椭球定位。v世界各国都根据本国的地面测量成果选择一种适合本国要求的参考椭球。与各国领域内的局部大地水准面最为接近。定大地原点：定向：短轴平行于地轴定位：大地体与椭球体相切定大小：椭球的基本元素一定ab大地水准面参考椭球面GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤为了准确描述地球椭球的

25、形状，为了准确描述地球椭球的形状，国际上综合了天文、大地、重力、国际上综合了天文、大地、重力、人卫等资料，给出了不同的人卫等资料，给出了不同的参考参考参考参考椭球椭球椭球椭球参数，以适应于各个国家的参数，以适应于各个国家的测量需求。测量需求。地地球球 参参 考考 椭椭 球球克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球19541954年坐标系年坐标系年坐标系年坐标系19801980年坐标系年坐标系年坐标系年坐标系GPSGPS坐标系坐标系坐标系坐标系IAG-75椭球椭球WGS84椭球椭球GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘

26、学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤地球自然表面 地球的形状是一个南北极稍扁的，类似于一个椭圆绕其短轴旋转的椭球体。测量工作的基准面是大地水准面，基准线是铅垂线测量计算的基准面是参考椭球面，基准线是法线大地水准面参考椭球面 地球的形状和大小水 准 面GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤三、基本测量坐标系三、基本测量坐标系1.概要2.大地坐标系3.空间直角坐标系4.平面直角坐标系GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研

27、究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤1.概要概要v坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。v人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。v一个坐标系是由原点位置、轴的指向和定义在坐标系下点位的参数（坐标分量）所确定的。v地面坐标系的指向可以用它们的极、平面和轴来描述。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤2.大地坐标系大地坐标系大地坐标系是以参考椭球面为基准面以起始子午面和赤道面为参考面。NOS子午

28、面起始子午面子午线赤道面纬线GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤*OPLBNSHP赤道面起始子午面大地经度L 大地纬度B 大地高H例：武汉某点的位置是东经114，北纬30。GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤3.空间直角坐标系空间直角坐标系ZYXONS空间直角坐标系的建立起始子午面北极赤道面GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量

29、与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤*空间直角坐标系与大地坐标系的关系ZOYXPLBxzyHPGPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤4.平面直角坐标系平面直角坐标系v当测区范围较小时（小于100km2），常把球面看作平面，这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标系来确定。v正规的平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或大地坐标）通过某种数学变换投影到平面上。这种变换又称为投影变换。v常见的投影变换高斯-克吕格投影

30、（也称高斯投影）UTM投影Lambuda投影GPS测量数据处理第二章第一节 坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第二节第二节 基准和参考框架基准和参考框架 v一、基准v二、参考框架GPS测量数据处理第二章 坐标系、基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤一、一、基准基准v基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面。v在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭球的长短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定

31、向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。v平面和垂直基准都广泛应用于测量中。GPS测量数据处理第二章第二节 基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤v水平基准大地基准定义一个基于椭球的基准需要5个元素。项目基准常见于工程项目，即独立坐标系。v垂直基准是一个用于确定高程的参考系。GPS测量数据处理第二章第二节 基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤二、参考框架二、参考框架v虽然坐标系的定义非常明确，但在实践中

32、却无法直接使用定义坐标系（或基准）的要素（如原点、坐标轴指向、参考面等），而是通过一些高等级的控制点来与相应坐标系产生联系的，也就是说这些控制点实际上是其对应的坐标系（或基准）的外在表现，它们实际上就是一种朴实的坐标参考框架。GPS测量数据处理第二章第二节 基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第三节第三节 坐标转换基准变换坐标转换基准变换v坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换。v基准变换是指在不同的参考基准间进行变换。v一、坐标系的变换方法坐标系的变换方法v二、基准转换方法二、基准转换方法GP

33、S测量数据处理第二章 坐标系、基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤一、坐标系的变换方法一、坐标系的变换方法v相同基准下的坐标转换是指在不同坐标形式间进行变换。1.空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换2.空间直角坐标系与站心地平坐标系间的转换3.空间坐标系与平面直角坐标系间的转换GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤1.1.空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换空间直角坐标系与

34、空间大地坐标系间的转换GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤2.空间直角坐标系与站心地平坐标系间的转换空间直角坐标系与站心地平坐标系间的转换GPS

35、测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤3.空间坐标系与平面直角坐标系间的转换空间坐标系与平面直角坐标系间的转换v正规的平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或大地坐标）通过某种数学变换投影到平面上。这种变换又称为投影变换。v通常，在测量和测图中采用的是正形投影。常用的正形投影类有：圆锥投影，如：Lambert投影方位投影，如：球面投影圆柱投影，如：通用横轴默卡托投影（UTM）v在我国一般采用的是高斯投影。GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS

36、GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤高斯高斯克吕格投影克吕格投影v椭圆柱面：可展面椭圆柱面：可展面v将一个椭圆柱面横向切将一个椭圆柱面横向切于一条子午线于一条子午线(称中央称中央子午线子午线)上，椭球赤道上，椭球赤道与柱面相交成直线。与柱面相交成直线。我国国家基本地形图法定为我国国家基本地形图法定为高斯高斯克吕格投影克吕格投影GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系

37、/高斯平面直角坐标系的建立是采用横轴椭圆柱等角投影方法。如图，投影时设想把一个横椭圆柱，套在椭圆球的外面，使横椭圆柱的中心轴通过椭圆球的中心，与椭圆球的某一子午线相切，这条子午线称为中央子午线。NS中央子午线oGPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤v中央子午线投影到投影面上；扩大赤道面与横椭圆柱相交，这条交线必与中央子午线相垂直。沿过N或S的母线切开并展平后，这两条直线是正交的。所以，把交点作为原点，中央子午线作为纵坐标轴X轴，把赤道的投影作为横坐标轴Y轴。这样就构成了

38、高斯平面直角坐标系。（如图）XYOGPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤二、基准转换方法二、基准转换方法v不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换。转换方法最为常用的有布尔沙模型，又称为七参数转换法。v七参数转换法是：设两空间直角坐标系间有七个转换参数3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS测量数据

39、处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤北京-54大地坐标（B、L、H）北京-54空间直角坐标（X、Y、Z）参数转换计算七参数计算三参数三个已知点一个已知点投影平面坐标（X、Y、H）坐标投影投影参数设置WGS84大地坐标（B、L、H）WGS84空间直角坐标（X、Y、Z）投影平面坐标（X、Y、H）坐标投影坐标转换过程图坐标转换

40、过程图GPS测量数据处理第二章第三节 坐标转换基准变换GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第四节第四节 GPS测量中常用的坐标系测量中常用的坐标系v一、WGS84坐标系v二、国际地球参考框架v三、1954年北京坐标系v四、1980年西安大地坐标系GPS测量数据处理第二章 坐标系、基准和参考框架GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤一、一、WGS84坐标系坐标系（World Geodetic System-1984）v目前GPS采用的坐标系

41、统，广播星历基于此坐标系v现在的NIMA（U.S.NationalMapping&ImagingAgency）建立和维持，以前称DMA（DefenseMappingAgency）v有三个实现的版本WGS84WGS84（G730）WGS84（G873）GPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤vWGS-84大地坐标系的几何定义：原点：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轴，

42、X轴构成右手坐标系v对应的WGS-84椭球的四个基本常数：参考椭球长半轴（a)：6378137m扁率(f)：1/298.257223563（导出自地球重力场模型正常化二阶带谐系数：-484.16685x10-6）地心引力常数（GM）：3986005x10-8m3/sec2地球自转角速度（）：7292115x10-11rad/secGPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤二、国际地球参考框架二、国际地球参考框架v国际地球参考框架（ITRF-International

43、TerrestrialReferenceFrame）是由IERS中心局(CB-CentralBureau)的地球参考框架部所建立并维护的，它代表的是国际地球参考系统(ITRS-InternationalTerrestrialReferenceSystem)。的原点位于包含海洋和大气在内的整个地球的质心，ITRS是通过一组IERS观测站的坐标和速度估值来实现的。ITRS使用国际标准米作为使用引力相对论定义的局部框架下长度单位。根据IAU和IUGG的决议，ITRS轴的指向与1984.0时的BIH系统轴的一致性在3毫弧秒(mas)之内，而ITRF定向中的时间演进相对于地壳没有残余的旋转。GPS测量数

44、据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤vITRF的实现最初是建立在由诸如甚长基线干涉测量(VLBI)、激光测月（LLR）和激光测卫（SLR）等空间测地技术的观测值所导出的一组测站坐标(SSC)和速度之上的。后来，IERS对方法进行了扩充，在1991年，包含进了GPS，1994年，又包含进了与卫星集成的多普勒轨道和无线电定位（DORIS）。IERS按时求取ITRF的年度解，从1988年起，IERS已经演化出了许多ITRF解，即ITRF-97、96和94到88。目前正在使用的I

45、TRF成果被称为ITRF-2000。GPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤三、三、1954年北京坐标系年北京坐标系v我国目前采用的两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年西安大地坐标系。v1954年北京坐标系源自前苏联1942大地坐标系。v1954年北京坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，椭球参数为:va=6378245m，f=1/298.3v该坐标系是与前苏联的坐标系进行联测，通过计算而建立的。GPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的

46、坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤1954年北京坐标系存在着很多缺点，主要表现在以下几个方面：1.克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。2.椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。3.该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区

47、之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。GPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤四、四、1980年西安大地坐标系年西安大地坐标系v1978年以后，建立了1980年国家大地坐标系，其大地原点设在我国中部：陕西省泾阳县永乐镇。v1980年国家大地坐标系是采用了新的椭球元素进行定位定向，所采用的地球椭球参数

48、的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值，它们是v根据上面所给的参数，可算出1980年西安大地坐标系所采用的参考椭球的扁率为：GPS测量数据处理第二章第四节 GPS测量中常用的坐标系GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第三章第三章 GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用 v第一节 GPS静态定位在测量中的应用v第二节 布设GPS基线向量网的工作步骤 GPS测量数据处理GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤第一节第一节

49、GPS静态定位在测量中的应用静态定位在测量中的应用v一、GPS测量的特点v二、GPS测量所涉及的主要问题v三、GPS数据处理所涉及的主要问题GPS测量数据处理第三章 GPS静态定位在测量中的应用GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤一、一、GPS测量的特点测量的特点v测量精度高v选点灵活、不需要造标、费用低v全天侯作业v观测时间短v观测、处理自动化v可获得三维坐标GPS测量数据处理第三章第一节 GPS静态定位在测量中的应用GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应

50、用研究所朱智勤朱智勤二、二、GPS测量所涉及的主要问题测量所涉及的主要问题v测量计划需要考虑的问题v出测前硬件和软件的准备v外业操作的具体要求v采集的外业数据的确认和检核v室内计算GPS测量数据处理第三章第一节 GPS静态定位在测量中的应用GPS GPS 测量与数据处理测量与数据处理武汉大学测绘学院卫星应用研究所武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤朱智勤三、三、GPS数据处理所涉及的主要问题数据处理所涉及的主要问题v采用什么样的软件进行求解v计算出来的结果是什么v结果的精度、可靠性如何v如何提高基线向量解的精度v在WGS-84坐标系下进行无约束网平差v约束平差v质量控制GPS测量数据处理第三章