全站仪及GPS测量原理.ppt

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1、第五章第五章 全站仪及全站仪及GPS测量原理测量原理第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 第二节第二节 GPS测量原理测量原理第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用一、全站仪的主要特点一、全站仪的主要特点 全站仪有以下主要特点全站仪有以下主要特点:(1)采用先进的同轴双速制、微动机构，使照准更加快捷、采用先进的同轴双速制、微动机构，使照准更加快捷、准确。准确。(2)具有完善的人机对话控制面板，由键盘和显示窗组成，除具有完善的人机对话控制面板，由键盘和显示窗组成，除照准目标以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现。照准目标以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现。仪器两侧均有控制面

2、板，操作方便。仪器两侧均有控制面板，操作方便。下一页返回第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 (3)设有双轴倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行设有双轴倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行补偿，以消除竖轴倾斜误差的影响。补偿，以消除竖轴倾斜误差的影响。(4)机内设有测量应用软件，能方便地进行三维坐标测量、放机内设有测量应用软件，能方便地进行三维坐标测量、放样测量、后方交会、悬高测量、对边测量等多项工作。样测量、后方交会、悬高测量、对边测量等多项工作。(5)具有双路通视功能，仪器将测量数据传输给电子手簿式计具有双路通视功能，仪器将测量数据传输给电子手簿式计算机，也可接收电子手簿式计

3、算机的指令和数据。算机，也可接收电子手簿式计算机的指令和数据。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用二、全站仪的主要技术指标二、全站仪的主要技术指标 全站仪的主要技术指标见全站仪的主要技术指标见表表5-1。三、全站仪的基本构造三、全站仪的基本构造 全站仪的种类很多，各种型号仪器的构造基本相同。现以日全站仪的种类很多，各种型号仪器的构造基本相同。现以日本拓普康公司生产的本拓普康公司生产的GTS-310型全站仪为例进行介绍。型全站仪为例进行介绍。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 (一一)仪器结构仪器结构 GTS-310型全站仪的外形和结构如型全站仪的外

4、形和结构如图图5-1所示，其结构与所示，其结构与经纬仪相似。经纬仪相似。(二二)键盘设置键盘设置 仪器的键盘设置情况如仪器的键盘设置情况如图图5-2所示。键盘分为两部分，一部所示。键盘分为两部分，一部分为操作键，在显示屏的右上方，共有分为操作键，在显示屏的右上方，共有6个键。另一部分为功个键。另一部分为功能键能键(软键软键)，在显示屏的下方，共有，在显示屏的下方，共有4个键。个键。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 1.操作键操作键 操作键功能见操作键功能见表表5-2。2.功能键功能键(软键软键)全站仪功能键全站仪功能键(软键软键)信息显示在显示屏的底行，软键功能相信息

5、显示在显示屏的底行，软键功能相当于显示的信息，如当于显示的信息，如图图5-3所示。所示。3.测量模式测量模式 全站仪角度测量模式、坐标测量模式、距离测量模式的功能全站仪角度测量模式、坐标测量模式、距离测量模式的功能分别见分别见表表5-3,表表5-4和和表表5-5。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用四、全站仪的使用四、全站仪的使用 1.仪器的安置仪器的安置 首先安装电力充足的配套电池，也可使用外部电源。然后将首先安装电力充足的配套电池，也可使用外部电源。然后将仪器安置在三脚架上，精确对中和整平。在操作时应使用中仪器安置在三脚架上，精确对中和整平。在操作时应使用中心连接螺旋

6、直径为心连接螺旋直径为5/8英寸英寸(1.5875cm)的拓普康宽框木制三的拓普康宽框木制三脚架。其具体操作方法与光学经纬仪的安置相同。脚架。其具体操作方法与光学经纬仪的安置相同。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 2.仪器的开机仪器的开机 首先确认仪器已经整平，然后打开电源开关首先确认仪器已经整平，然后打开电源开关(POWER键键)，仪器，仪器开机后应确认棱镜常数开机后应确认棱镜常数(PSM)和大气改正值和大气改正值(PPM)并可调节显并可调节显示屏。然后根据需要进行各项测量工作。示屏。然后根据需要进行各项测量工作。3.字母数字输入字母数字输入 这里主要介绍该仪器字母

7、数字的输入方法。这里主要介绍该仪器字母数字的输入方法。4.角度测量角度测量 (1)水平角水平角(右角右角)和垂直角测量。和垂直角测量。(2)水平角水平角(右角右角/左角左角)的切换。的切换。(3)水平角的设置。水平角的设置。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 5.距离测量距离测量 (1)棱镜常数的设置。棱镜常数的设置。(2)距离测量距离测量(连续测量连续测量)。(3)距离测量距离测量(N次测量次测量/单次测量单次测量)。(4)精测模式精测模式/跟踪模式跟踪模式/粗测模式。粗测模式。6.放样测量放样测量 该功能可显示出测量的距离与输人的放样距离之差。该功能可显示出测量的距

8、离与输人的放样距离之差。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 7.坐标测量坐标测量 (1)测站点坐标的设置测站点坐标的设置 (2)仪器高的设置。仪器高的设置。(3)目标高目标高(棱镜高棱镜高)的设置。的设置。(4)坐标测量的过程。坐标测量的过程。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用五、全站仪使用注意事项五、全站仪使用注意事项 全站仪一般操作注意事项包括以下儿个方面全站仪一般操作注意事项包括以下儿个方面:(1)使用前应结合仪器，仔细阅读使用说明书。熟悉仪器各使用前应结合仪器，仔细阅读使用说明书。熟悉仪器各功能和实际操作方法。功能和实际操作方法。(2)望

9、远镜的物镜不能直接对准太阳，以避免损坏测距部的发望远镜的物镜不能直接对准太阳，以避免损坏测距部的发光二极管。光二极管。(3)在阳光下作业时，必须打伞，防止阳光直射仪器。在阳光下作业时，必须打伞，防止阳光直射仪器。上一页返回下一页第一节第一节 全站仪及其使用全站仪及其使用 (4)迁站时即使距离很近，也应取下仪器装箱后方可移动。迁站时即使距离很近，也应取下仪器装箱后方可移动。(5)仪器安置在三脚架上之前，应旋紧三脚架的三个伸缩螺旋。仪器安置在三脚架上之前，应旋紧三脚架的三个伸缩螺旋。仪器安置在三脚架上时，应旋紧中心连接螺旋。仪器安置在三脚架上时，应旋紧中心连接螺旋。(6)运输过程中必须注意防震。运

10、输过程中必须注意防震。(7)仪器和棱镜在温度的突变中会降低测程，影响测量精度。仪器和棱镜在温度的突变中会降低测程，影响测量精度。要使仪器和棱镜逐渐适应周围温度后方可使用。要使仪器和棱镜逐渐适应周围温度后方可使用。(8)作业前检查电压是否满足工作要求。作业前检查电压是否满足工作要求。上一页 返回第二节第二节 GPS测量原理测量原理一、一、GPS的组成的组成 全球定位系统全球定位系统(GPS)由空间星座、地面监控和用户设备三部分由空间星座、地面监控和用户设备三部分组成。组成。1.空间星座部分空间星座部分 GPS空间星座部分由空间星座部分由24颗卫星组成，另有颗卫星组成，另有3颗备用卫星，卫颗备用卫

11、星，卫星分布在星分布在6个轨道面内，每个轨道面上有个轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。卫星运行颗卫星。卫星运行周期为周期为11小时小时58分，轨道平均高度分，轨道平均高度20200km。24颗卫颗卫星在空间上如此分布，可以保证在地球上任何地点、任何时星在空间上如此分布，可以保证在地球上任何地点、任何时刻至少可观测到刻至少可观测到4颗卫星，如颗卫星，如图图5一一4所示。所示。返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 2.地面监控部分地面监控部分 GPS地面监控部分包括一个主控站设在美国的科罗拉多的斯地面监控部分包括一个主控站设在美国的科罗拉多的斯普林斯，负责对地面监控站的全面监控。四个监控

12、站分别设普林斯，负责对地面监控站的全面监控。四个监控站分别设在夏威夷、大西洋的阿松森岛、印度洋的迭哥伽西亚和南太在夏威夷、大西洋的阿松森岛、印度洋的迭哥伽西亚和南太平洋的卡瓦加共，如平洋的卡瓦加共，如图图5-5所示。监控站内装有用户接收机、所示。监控站内装有用户接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机。主控站根据各监测原子钟、气象传感器及数据处理计算机。主控站根据各监测站观测到的数据推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和站观测到的数据推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令，通过监控站注人到相应卫星的存储系统。各其他控制指令，通过监控站注人到相应卫星的存储系统。各站间用现代化的通信

13、网络联系起来，各项工作实现厂高度的站间用现代化的通信网络联系起来，各项工作实现厂高度的自动化和标准化。自动化和标准化。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 3.用户设备部分用户设备部分 GPS用户设备部分包括用户设备部分包括GPS接收机和相应的数据处理软件。接收机和相应的数据处理软件。GPS接收机由接收天线、主机和电源组成。接收机由接收天线、主机和电源组成。GPS接收机的任接收机的任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的信号务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号，对接收到的信号进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机天线的时间进行处理，测量出测距信号从卫星传播到接收机

14、天线的时间间隔，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收机天线的三间隔，译出卫星广播的导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。维坐标、速度和时间。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理二、二、GPS定位原理定位原理 利用利用GPS进行定位的基本原理，是以进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机卫星和用户接收机天线之间距离天线之间距离(或距离差或距离差)的观测量为基础，并根据已知的卫的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标维坐标(x，y，z)。由此可见，。由此可见，GP

15、S定位的关键是测定用户定位的关键是测定用户接收机天线至接收机天线至GPS卫星之间的距离。根据测距原理的不同，卫星之间的距离。根据测距原理的不同，GPS定位方式可以分为伪距定位、绝对定位和相对定位。定位方式可以分为伪距定位、绝对定位和相对定位。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 1.伪距定位伪距定位 GPS卫星能够按照星载时钟发射某一结构为卫星能够按照星载时钟发射某一结构为“伪随机噪声码伪随机噪声码”的信号，称为测距码信号。该信号从卫星发射经时间的信号，称为测距码信号。该信号从卫星发射经时间t后，后，到达接收机天线到达接收机天线;用上述信号传播时间用上述信号传播时间t乘以电磁波

16、在真空乘以电磁波在真空中的速度中的速度c，就是卫星至接收机的空间儿何距离，就是卫星至接收机的空间儿何距离。实际上，由于传播时间实际上，由于传播时间 t中包含有卫星时钟与接收机时钟不中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等，由此求得同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等，由此求得的距离值并非真正的站星儿何距离，习惯上称之为的距离值并非真正的站星儿何距离，习惯上称之为“伪距伪距”，用用表示，与之相对应的定位方法称为伪距法定位。表示，与之相对应的定位方法称为伪距法定位。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 2.绝对定位绝对定位 绝对定位一般称为单点

17、定位，利用绝对定位一般称为单点定位，利用GPS进行绝对定位的基本进行绝对定位的基本原理是以原理是以GPS卫星和用户接收机之间的距离观测量为基础，卫星和用户接收机之间的距离观测量为基础，把把GPS卫星看成是飞行的已知点，根据已知的卫星瞬时坐标卫星看成是飞行的已知点，根据已知的卫星瞬时坐标(根据卫星的轨道参数可确定其瞬时位置根据卫星的轨道参数可确定其瞬时位置)，来确定观测站的，来确定观测站的位置。位置。这种方法的实质是空间距离的后方交会。这种方法的实质是空间距离的后方交会。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 3.相对定位相对定位 GPS相对定位，是目前相对定位，是目前GPS定位中

18、精度最高的一种定位方法。定位中精度最高的一种定位方法。相对定位的最基本情况是用两台相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机，分别安置在同接收机，分别安置在同步观测边步观测边(基线基线)的两端，并同步观测相同的的两端，并同步观测相同的GPS卫星卫星(至少至少为为3颗颗)，以确定基线端点在地心坐标系中的相对位置或基线，以确定基线端点在地心坐标系中的相对位置或基线向量，如向量，如图图5-6所示。所示。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理三、三、GPS测量的实施测量的实施 GPS测量工作实施过程包括测量工作实施过程包括:GPS网技术设计、选点与建立标网技术设计、选点与建立标志、外业观测

19、、成果检核与处理。志、外业观测、成果检核与处理。1.GPS网技术设计网技术设计 GPS网的技术设计是一项基础性的工作。这项工作应根据网网的技术设计是一项基础性的工作。这项工作应根据网的用途和用户的要求进行，其主要内容包括精度指标的确定的用途和用户的要求进行，其主要内容包括精度指标的确定和网的图形设计等。和网的图形设计等。(1)精度指标的确定。精度指标的确定。(2)网的图形设计。网的图形设计。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 2.选点与建立标志选点与建立标志 由于由于GPS测量观测站之间不要求通视，而且网的图形结构比测量观测站之间不要求通视，而且网的图形结构比较灵活，故选点工

20、作较常规测量简便。但较灵活，故选点工作较常规测量简便。但GPS测量又有其自测量又有其自身的特点，因此选点时应满足以下要求身的特点，因此选点时应满足以下要求:(1)点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视场要开阔。场要开阔。(2)GPS点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响的金属和其他障碍物体，如高压线、电台、电视台、高层建的金属和其他障碍物体，如高压线、电台、电视台、高层建筑、大范围水面等。筑、大范围水面等。(3)点位选定后，按要求埋置标石，并绘制点之记。点位选定后，按要求埋置标石，并

21、绘制点之记。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 3.外业观测外业观测 外业观测是指利用外业观测是指利用GPS接收机采集来自接收机采集来自GPS卫星的电磁波信卫星的电磁波信号，其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作和观测记号，其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作和观测记录。外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划进行录。外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划进行实施，只有这样，才能协调好外业观测的进程，提高工作效实施，只有这样，才能协调好外业观测的进程，提高工作效率，保证测量成果的精度。外业观测所选用的接收机应符合率，保证测量成果的精度。外业观测所选用的接收机应

22、符合规定。对于新购置的或检修后的接收机，出测前应进行检验，规定。对于新购置的或检修后的接收机，出测前应进行检验，检验的内容包括一般检验、通电检验、试测检验及数据处理检验的内容包括一般检验、通电检验、试测检验及数据处理软件的检测。软件的检测。上一页返回下一页第二节第二节 GPS测量原理测量原理 4.成果检核与处理成果检核与处理 外业观测结束后，必须及时在测区进行观测数据的检核，确外业观测结束后，必须及时在测区进行观测数据的检核，确保无误后才能进行数据处理。保无误后才能进行数据处理。GPS卫星定位数据处理与常规卫星定位数据处理与常规测量数据处理相比其特点是数据量大、处理过程复杂。数据测量数据处理相

23、比其特点是数据量大、处理过程复杂。数据处理的基本流程包括数据的粗加工和预处理、基线向量计算处理的基本流程包括数据的粗加工和预处理、基线向量计算和基线网平差、坐标系统转换或与地面网的联合平差等环节。和基线网平差、坐标系统转换或与地面网的联合平差等环节。在实际工作中，一般是应用电子计算机通过一定的计算程序在实际工作中，一般是应用电子计算机通过一定的计算程序来完成数据处理工作。来完成数据处理工作。上一页 返回表表5一一1 GTS-310系列全站仪的主要系列全站仪的主要技术指标技术指标返回表表5一一2 操作键功能表操作键功能表返回表表5一一3 角度测量模式角度测量模式返回表表5一一4 坐标测量模式坐标测量模式返回表表5一一5 距离测量模式距离测量模式返回图图5一一1 GTS-310型全站仪型全站仪返回图图5一一2 全站仪键盘全站仪键盘返回图图5一一3 全站仪功能键全站仪功能键返回图图5一一4 GPS的空间星座的空间星座返回图图5一一5 GPS地面监控系统分布图地面监控系统分布图返回图图5一一6 相对定位相对定位返回