GNSS在工程測量中的應用.ppt

GNSS在工程測量中應用,一.GPS系統(tǒng)的特點 二. 我國常用大地坐標系統(tǒng) 三.GPS應用 四. GPS動態(tài)測量 五. CORS應用,主要內(nèi)容,測量精度高 選點靈活、不需要造標、費用低 全天侯作業(yè) 觀測時間短 觀測、處理自動化 可獲得三維坐標,一.GPS系統(tǒng)的特點,（一）北京54坐標系(BJZ54) （二）西安80坐標系 （三）2000國家大地坐標系 （四）WGS84坐標系 （五）自定義坐標系 （六）坐標系間的轉(zhuǎn)換,二. 我國常用大地坐標系統(tǒng)簡介,（一）北京54坐標系(BJZ54),北京54坐標系為參心大地坐標系，大地上的一點可用經(jīng)度L54、緯度M54和大地高H54定 位，它是以克拉索夫斯基橢球為基礎，經(jīng)局部平差后產(chǎn)生的坐標系。,1954年北京坐標系的歷史： 新中國成立以后，我國大地測量進入了全面發(fā)展時期，再全國范圍內(nèi)開展了正規(guī)的，全面的大地測量和測圖工作，迫切需要建立一個參心大地坐標系。由于當時的“一邊倒”政治趨向，故我國采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年坐標系進行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系。因此，1954年北京坐標系可以認為是前蘇聯(lián)1942年坐標系的延伸。它的原點不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃。 北京54坐標系，屬三心坐標系，長軸6378245m，短軸6356863，扁率1/298.3；,（二）西安80坐標系,1980年國家大地坐標系采用地球橢球基本參數(shù)為1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第十六屆大會推薦的數(shù)據(jù)，即IAG 75地球橢球體。該坐標系的大地原點設在我國中部的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標系，又簡稱西安大地原點。,基準面采用青島大港驗潮站19521979年 確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基準）。 西安80坐標系，屬三心坐標系， 長軸6378140m， 短軸6356755， 扁率1/298.25722101,（三）2000國家大地坐標系,2000國家大地坐標系的定義包括坐標系的原點、3個坐標軸的指向、尺度以及地球橢球的4個基本常數(shù)的定義。2000國家大地坐標系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心;2000國家大地坐標系的Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向,該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算,定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn),X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元2000.0)的交點,Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。,2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數(shù)如下： 長半軸 a6378137m 扁率 f1/298.257222101 地心引力常數(shù) GM3.9860044181014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速度 7.292l1510-5rad s-1,（四）WGS84坐標系,WGS84坐標系（World Geodetic System）是一種國際上采用的地心坐標系。坐標原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時間局（BIH）1984.0定義的協(xié)議地極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系。,這是一個國際協(xié)議地球參考系統(tǒng)（ITRS），是目 前國際上統(tǒng)一采用的大地坐標系。GPS廣播星歷是以WGS-84坐標系為根據(jù)的。 WGS84坐標系，長軸6378137.000m， 短軸6356752.314， 扁率1/298.257223563。,自定義坐標系也稱地方獨立坐標系 最初在建立坐標系時,由于技術條件的限制,定向、定位精度有限，導致最終所定義的坐標系與國家坐標系在坐標原點和坐標軸的指向上有所差異； 出于成果保密等原因，在按國家坐標系進行數(shù)據(jù)處理后，對所得的成果進行了一定的平移和旋轉(zhuǎn)，得出獨立坐標系； 為了減少投影變形，進行投影的中央子午線的變換； 為了滿足工程的要求或工程施工方便而建立獨立坐標系。,（五）自定義坐標系統(tǒng),平面坐標系，投影面根據(jù)工程需要定義； 坐標軸指向根據(jù)工程需要定義； 坐標軸原點根據(jù)工程需要定義。,地方獨立坐標系特點,（六）坐標系轉(zhuǎn)換,所謂基準是指為描述空間位置而定義的點線面。 而大地測量基準是指用以描述地球形狀的地球橢球參數(shù)，包含描述地球橢球幾何特征的長短半軸和物理特征的有關參數(shù)、地球在空間的定位及定向以及描述這些位置所采用的單位長度的定義。 經(jīng)典大地測量基準通常采用的是與區(qū)域大地水準面最佳擬合的參考橢球，其中心往往與地心不重合。由于地球表面的不規(guī)則性，適合于不同地區(qū)的參考橢球的大小、定位和定向都不一樣，每個參考橢球都有各自的參數(shù)和參考系。參考橢球?qū)τ谔煳拇蟮販y量、大地點坐標的推算以及國家測圖和區(qū)域繪圖來說，是十分適宜的。,1.大地測量基準的基本概念,坐標轉(zhuǎn)換是測繪實踐中經(jīng)常遇到的重要問題之一。 坐標轉(zhuǎn)換通常包含兩層含義：坐標系變換和基準變換。 坐標系變換：就是在同一地球橢球下，空間點的不同坐標表示形式間進行變換。包括大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換、空間直角坐標系與站心坐標系的轉(zhuǎn)換、以及大地坐標系與高斯平面坐標系的轉(zhuǎn)換（即高斯投影正反算） 基準變換：是指空間點在不同的地球橢球見的坐標變換。可用空間的三參數(shù)或七參數(shù)實現(xiàn)不同橢球間空間直角坐標系或不同橢球見大地坐標系的轉(zhuǎn)換。,2.坐標轉(zhuǎn)換的基本概念,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,1.大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換 （1）大地坐標系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標系（BLHXYZ） 在相同的基準下，將大地坐標系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標系。公式為：,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,1.大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換 （2）空間直角坐標系轉(zhuǎn)換為大地坐標系（ XYZ BLH ） 在相同的基準下，將大地坐標系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標系。公式為：,利用該式計算有一個問題：后兩式中有交叉變量，因此必須采用迭代的方法。因此必須采用下面的辦法處理,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,1.大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換 （2）空間直角坐標系轉(zhuǎn)換為大地坐標系（ XYZ BLH ） 首先用下式求出B的初值,然后，利用B的初值求出H、N的初值，再次求定B的值。,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,1.大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換 （2）空間直角坐標系轉(zhuǎn)換為大地坐標系（ XYZ BLH ） 也可以采用如下的直接算法。公式為：,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,1.大地坐標系與空間直角坐標系的相互轉(zhuǎn)換 （2）空間直角坐標系轉(zhuǎn)換為大地坐標系（ XYZ BLH ） 其中：,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,2.高斯投影坐標正反算 空間大地坐標系與平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換采用數(shù)學投影的方法，我國采用的是高斯投影。 （1）高斯投影正算公式（BL xy ）公式為：,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,2.高斯投影坐標正反算 （1）高斯投影正算公式（BL xy ）,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,2.高斯投影坐標正反算 （1）高斯投影正算公式（BL xy ）,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,2.高斯投影坐標正反算 空間大地坐標系與平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換采用數(shù)學投影的方法，我國采用的是高斯投影。 （2）高斯投影反算公式（ xy BL ） 公式為：,3.坐標系轉(zhuǎn)換的模型,2.高斯投影坐標正反算 （2）高斯投影反算公式（ xy BL ）,4.基準轉(zhuǎn)換的模型,1.不同地球橢球坐標系的空間三參數(shù)或七參數(shù)轉(zhuǎn)換 不同地球橢球之間的坐標系轉(zhuǎn)換實際上是不同基準之間的轉(zhuǎn)換。 不同基準之間的轉(zhuǎn)換方法很多，可以通過空間變換的方法實現(xiàn)，亦可用平面變換方法進行。 下面介紹七參數(shù)布爾莎模型 設兩不同地球橢球的對應的兩個空間直角坐標系見有7個轉(zhuǎn)換參數(shù)： 3個平移參數(shù)（原點不重合產(chǎn)生）； 3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（坐標軸不平行產(chǎn)生）； 1個尺度參數(shù)（兩坐標系間的尺度不一致產(chǎn)生）。 見下圖,4.基準轉(zhuǎn)換的模型,1.不同地球橢球坐標系的空間三參數(shù)或七參數(shù)轉(zhuǎn)換 設 （XA，YA，ZA）為某點在A空間直角坐標系中的三維坐標， （XB，YB，ZB）為某點在B空間直角坐標系中的三維坐標， （X0， Y0， Z0）為某點從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的三個平移參數(shù)， （ X， Y， Z ）為某點從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)， m為某點從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的三個尺度參數(shù)。 則點從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的模型為,4.基準轉(zhuǎn)換的模型,4.基準轉(zhuǎn)換的模型,2.不同地球橢球坐標系的平面相似轉(zhuǎn)換 不同地球橢球坐標系間的平面相似轉(zhuǎn)換是一種二維轉(zhuǎn)換。 一般而言，兩平面坐標系間的轉(zhuǎn)換需要4個轉(zhuǎn)換參數(shù) 2個平移參數(shù)（原點不重合產(chǎn)生）； 1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（坐標軸不平行產(chǎn)生）； 1個尺度參數(shù)（兩坐標系間的尺度不一致產(chǎn)生）。 設（xA，yA）為某點在A空間直角坐標系中的坐標， （xB，yB）為某點在B空間直角坐標系中的坐標， （X0， Y0）為某點從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的2個平移參數(shù)， 為從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)， m為從A空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的1個尺度參數(shù)。 則點從A直角坐標系轉(zhuǎn)換到B空間直角坐標系中的模型為,（1）先旋轉(zhuǎn)、再平移、最后統(tǒng)一尺度,（2）先平移、再旋轉(zhuǎn)、最后統(tǒng)一尺度,GPS動態(tài)測量含義 RTK測量特點 RTK應用范圍 RTK測量方法分類,GPS動態(tài)測量,GPS動態(tài)測量含義,GPS動態(tài)測量技術（Real Time Kinematic）RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)。RTK技術的關鍵在于數(shù)據(jù)處理技術和數(shù)據(jù)傳輸技術。,RTK測量特點,定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，沒有誤差積累。RTK測量標稱精度可達到1cm+1ppm（平面），2cm+1ppm（高程） RTK作業(yè)自動化、集成化程度高，測繪功能強大 作業(yè)距離遠、操作簡便、效率高 實時快速提供三維坐標,RTK應用范圍,控制測量 碎部測量 點放樣 直線放樣 線路放樣 斷面測量,RTK測量方法分類,根據(jù)RTK發(fā)展歷程我們可以將其劃分為： 傳統(tǒng)RTK（按工作模式可分為電臺模式和網(wǎng)絡模式，此處就不再一一詳細介紹） 現(xiàn)在廣泛應用的CORS系統(tǒng)模式,傳統(tǒng)RTK技術有著一定局限性,使得其在應用中受到限制,主要表現(xiàn)為： 1. 用戶需要架設本地的參考站； 2. 誤差隨距離增長； 3. 誤差增長使流動站和參考站距離受到限制， 距離越遠初始化時間越長； 4. 可靠性和可行性隨距離降低,傳統(tǒng)RTK技術局限性,（一）CORS是什么？ （二）CORS優(yōu)缺點？ （三）SDCORS簡介 （四） SDCORS的接入,五. CORS應用,網(wǎng)絡RTK技術實際上是一種多基站技術，它在處理上利用了多個參考站的聯(lián)合數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)不僅僅是GPS產(chǎn)品，而是集internet技術，無線通訊技術，計算機網(wǎng)絡管理和GPS定位技術于一身的系統(tǒng)，包括，通訊控制中心，固定站，用戶部分。,網(wǎng)絡RTK技術,無需架設參考站，省去了野外工作中的值守人員和架設參考站的時間，降低了作業(yè)成本，提高了生產(chǎn)效率； 傳統(tǒng)“1+1”GNSS接收機真正等于2，生產(chǎn)效率雙倍提高 ； 不需要在四處找控制點； 擴大了作業(yè)半徑，網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)能夠得到均等的精度； 在CORS覆蓋區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)測繪系統(tǒng)和定位精度的統(tǒng)一，便于測量成果的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和多用途處理；,網(wǎng)絡RTK技術優(yōu)勢,Continuous Operational Reference System 字面意思：連續(xù)運行參考站系統(tǒng),CORS是什么？,區(qū)別：參考站軟件 1、軟件對參考站的數(shù)據(jù)不進行整網(wǎng)計算，僅還是依靠獨立某一個參考站與流動站做單基線解，這還是常規(guī)RTK，不涉及算法問題。 2、網(wǎng)絡RTK，有以下幾種算法 VRS（虛擬參考站技術） FKP（區(qū)域改正數(shù)法） MAC（主輔站技術）,CORS簡單原理（以VRS為例）,、各個參考站向數(shù)據(jù)控制中心傳輸觀測數(shù)據(jù)； 、控制中心實時在線解算各基準站網(wǎng)內(nèi)的載波相位整周模糊度值和建立誤差模型；,、流動站將單點定位坐標傳送給數(shù)據(jù)控制中心，控制中心在移動站附近位置創(chuàng)建一個虛擬參考站（VRS），通過內(nèi)插得到VRS上各誤差源影響的改正值，并按RTCM格式通過NTRIP協(xié)議發(fā)給流動站用戶； 、流動站與VRS構成短基線。流動站接收控制中心發(fā)送的虛擬參考站差分改正信息或者虛擬觀測值，進行差分解算得到用戶的精確位置。,CORS的優(yōu)缺點,電臺模式：作業(yè)半徑小、攜帶操作不方便、精度隨距離 增大而降低、頻率安全性、效率比較低,網(wǎng)絡模式：精度隨距離增大而降低、效率比較低,單基站模式：精度隨距離增大而降低,CORS模式：無縫覆蓋、精度均勻、統(tǒng)一基準,CORS系統(tǒng)優(yōu)勢,1、提高儀器利用率，原來的1+1兩臺接收機才能作業(yè)，現(xiàn)在1臺接收機就能正常作業(yè)，儀器利用率提高1倍。 2、提高工作效率，省去架設和設置基準站的時間和麻煩，開機就可以作業(yè)。 3、節(jié)約人力資源，不用架設基站，省去看基站人員，真正實現(xiàn)單人作業(yè)。,4、全網(wǎng)覆蓋，精度均勻，避免了常規(guī)RTK隨著距離增大誤差增大的麻煩。,常規(guī)RTK,網(wǎng)絡RTK,5、常規(guī)RTK隨著距離的增大，初始化速度會越來越慢，而CORS系統(tǒng)下沒有了RTK距離的限制，從而可以明顯提高初始化速度。,CORS的局限性： 1、網(wǎng)絡局限性 2、衛(wèi)星局限性 3、高程精度局限性,山東省CORS系統(tǒng),一、基準站子系統(tǒng),SDCORS的組成,土層型墩標,基巖型墩標,樓頂型墩標,參考站室內(nèi)實景,新建48+1,江蘇省7,煙臺規(guī)劃局3,省氣象局14,淄博國土局12,濟南規(guī)劃局7,青島國土局13,日照國土局4,國家陸態(tài)網(wǎng)1,二、網(wǎng)絡通訊子系統(tǒng),三、控制中心子系統(tǒng),四、用戶子系統(tǒng),截止到目前，SDCORS入網(wǎng)流動站達到1000多臺，已經(jīng)廣泛應用到國土、規(guī)劃、交通、電力、水利等行業(yè)。,SDCORS系統(tǒng)提供服務,一、接入SDCORS的必備要素： 1、接收機支持VRS 2、具有無線通訊功能 3、已開通CORS賬戶 4、已辦理專用數(shù)據(jù)卡,（四）SDCORS的接入,在確保設備能夠接入CORS，無線通訊正常后，可以到SDCORS中心申請使用賬戶。賬戶信息包括：用戶名、密碼、APN接入點、IP地址、端口、源列表。,登陸網(wǎng)站， 下載介紹信 SDCORS用戶開通申請表 SDCORS系統(tǒng)用戶保密協(xié)議,申請SDCORS入網(wǎng)流程：,接入方式分類： 接收機內(nèi)置通訊模塊 手簿內(nèi)置通訊模塊 接收機外置通訊模塊 手簿外接藍牙手機,流動站接入SDCORS說明,接收機內(nèi)置通訊模塊方式：,基本上國產(chǎn)的設備都具有內(nèi)置通訊模塊功能，廠家在手簿測量軟件里面已經(jīng)添加了撥號參數(shù)的設置功能，用戶只需要在里面修改由SDCORS中心提供的各項參數(shù)，然后登陸就可以了。針對某些品牌或型號的接收機連不上網(wǎng)絡的情況，可能需要升級接收機固件或者GPRS固件予以解決。,測量中常見問題 解答,SDCORS系統(tǒng)采用的坐標系統(tǒng)是國家CGCS2000坐標系統(tǒng)；我中心暫不對外提供轉(zhuǎn)換參數(shù)；之前使用過的參數(shù)要看求解參數(shù)時所使用的起算數(shù)據(jù)，只要是使用約束的WGS-84坐標所求的參數(shù)是可以正常使用的。一般C級網(wǎng)以上的WGS-84都是約束的，D級網(wǎng)的可能沒有做約束。,SDCORS采用的坐標系統(tǒng)？能否提供參數(shù)？之前的參數(shù)能否繼續(xù)使用？,a、移動網(wǎng)絡信號 b、移動站周圍環(huán)境 c、PDOP d、衛(wèi)星信噪比 e、參考站距離 f、 接收機性能,網(wǎng)絡RTK在作業(yè)過程中，受哪些因素的影響？,在作業(yè)前要檢查儀器本身的狀態(tài)、通信模塊的工作狀態(tài)、檢查軟硬件的設置，檢查配置集，用戶名的狀態(tài)，SIM卡的狀態(tài)，查看作業(yè)區(qū)域的星歷預報成果等；對于長時間未使用網(wǎng)絡RTK的，需要進行實測檢查。,網(wǎng)絡RTK在作業(yè)前需要做哪些準備工作？,網(wǎng)絡RTK長時間處于浮動解或單點解時，一般受到點位觀測環(huán)境（如遮擋、干擾、多路徑），通訊網(wǎng)絡（包括延遲大、不穩(wěn)定），GPS衛(wèi)星狀況（PDOP值大、公共衛(wèi)星數(shù)少），儀器設備（固件版本過低、差分數(shù)據(jù)格式選擇錯誤、操作