长安大学《测量学》第十五章3S技术简介

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1、第十五章 “3S”技术简介,长安大学公路学院,15-1 概述,3S”是中国科学家按照GPS、GIS、RS字尾均为S，而这三者关系日趋紧密结合构成的一个对地观测、处理、分析、制图系统。 GPS是授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System）的简称. GIS是地理信息系统或地学信息系统（Geographic Information System）的简称； RS是遥感（Remote Sensing）的简称,15-1 概述,全球定位系统（GPS）是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有

2、全球性、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。 地理信息系统（GIS）是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息。它是表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、属性、规律和相互联系的数字、文字、音像和图形等的总称。 遥感技术（RS）是利用光谱学、光电子学和电子技术从高空或远距离平台上，利用电磁波的探测仪器，获得接收物体辐射及反射的电磁波信息，经信息处理，测定被测物体的性质、形状位置和动态变化。,15-2 GPS全球定位系统的组成,全球定位系统（GPS）主要由GPS空间卫星部分（卫 星星座）、地面监控部分和用户设备部分三部分组 成。 一、空间星座

3、部分 1.GPS卫星星座 布设方案保证在世界任何地 方、任何时间，都可进 行实时三维定位。,15-2 GPS全球定位系统的组成,一、空间星座部分 2.GPS卫星功能 （1）接收并存储由地面监控站发来的导航信息； （2）接收并执行主控站发出的控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等； （3）向用户连续发送卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标准等。,15-2 GPS全球定位系统的组成,二、地面监控部分 地面监控部分是由分布在美国本土和三大洋的美军基地上的五个地面站组成。 按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。 地面监控系统的整个系统是由主控站控制，地面站之间由现

4、代化通信系统联系。,15-2 GPS全球定位系统的组成,三、用户设备部分 1.主要任务 捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号（GPS卫星是以 广播方式发送定位信息。） 2.分类 （1）按用途:导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机、姿态测量型接收机。 （2）按接收机通道数:多通道GPS接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机。,15-2 GPS全球定位系统的组成,三、用户设备部分 3.设备 用户设备是指用户GPS接收机。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，在全球任何地方只要能接收到4颗以上GPS卫星的信号，实现三维定位、测速、测时。 GPS接收机组成：GPS接收机天线、GPS接收主机和电源

5、三部分组成。 主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置（三维坐标）及运行速度。,15-3 GPS坐标系统,一、WGS-84坐标系 几何定义：WGS-84世界大地坐标系就是以国际时间局1984年第一次公布的瞬时地极（BIH1984.0）作为基准，建立的地球瞬时坐标系，严格来讲属准协议地球坐标系。 物理定义：它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS-84椭球的大地水准面差距。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换 1. GPS坐标转换意义 在城市、矿山等区域性的测量

6、工作中，需要将GPS测 量成果，换算到用户所采用的区域性坐标系统；或 者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经 典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平 差。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （1）转换模型 用于基准转换的模型，主要有布尔沙沃尔夫 （Bursa-Wolf）模型、维斯（Veis）模型和莫洛金 斯基巴代卡斯（Molodensky-Badekas）模型。这 些模型，虽表达形式略有差异，但它们都是等价的。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （2）大地坐标、GPS坐标 经典地面网三维坐标，通

7、常都是在参心坐标系中, 以大地坐标的形式表示的，设为（B,L,H）T，其中 BT为大地纬度，LT为大地经度，HT为大地高。 GPS网三维坐标，一般是在协议地球坐标系中，以空间直角坐标或大地坐标的形式给出的，设为 （X,Y,Z)s或（B,L,H)s。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换 2.三维坐标系统中的转换模型 （3）网的三维联合平差 网的三维联合平差，原则上可以在空间直角坐标系统中进行，也可以在三维大地坐标系统中进行。通常以在空间直角坐标系统中进行为宜。将地面网的已知大地坐标，按以一定系式转换为相应的空间直角坐标。 一般包括两类参数：基准转换参数；网的配合参数.,15-4 GPS

8、定位原理,GPS定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。 对于待定点位，根据其运动状态可分为静态定位和动态定位。 一、伪距测量 伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。 标准时改正因素：卫星钟的改正数、接收机钟的改正数、电离层折射改正与对流层折射改正。这样在任何一个观测瞬间用户至少要同时测定四颗卫星的距离，以便解算出四个未知数。,15-4 GPS定位原理,二、相对定位 GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法. 根据用户接收机，在定 位过程中所处的状态不 同，相对定位有静态

9、和 动态之分。,15-4 GPS定位原理,三、载波相位测量 载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。对卫星载波与接收机基准信号进行相位测量，即可得到卫星到接收机天线间用载波相位表达的距离观测值. 载波相位相对定位普遍采用将相位观测值进行线性组合的方法。其具体方法有三种，即单差法、双差法和三差法。,15-4 GPS定位原理,四、载波相位差分定位技术（RTK技术） RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度观测成果。,15-5 GPS测量的实施,一、GPS测量内容 GPS测量的实施过程与常规测量的一样，包括方案设计、

10、外业测量和内业数据处理三部分。 二、GPS控制网精度标准 1. 精度要求 GPS网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据 用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进 行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成 果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘 局颁发的全球定位系统（GPS）测量规范及建设 部颁发的全球定位系统城市测量技术规程。,15-5 GPS测量的实施,二、GPS控制网精度标准 2.GPS测量精度指标 GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间距离误 差mD=a+b10-6D来表示。不同用途的GPS网的精度 是不一样的，GPS控制网分为A、B、C、D、E五个等 级。,15

11、-5 GPS测量的实施,三、网形设计 1.GPS网的设计主要考虑问题 （1）可靠性设计 由于无线电定位受外界环境影响大，所以在图形设计时应重点考虑成果的准确可靠，并应考虑有可靠的检验方法。GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检查条件，提高网的可靠性。 布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连式等四种方式。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计 1.GPS网的设计主要考虑问题 （1）可靠性设计 点连式:是指相邻同步图形（多台仪器同步观测卫 星获得由基线的闭合图形）仅由一个公共点连接， 这样构成的图形检查条件太少，一般很少使用。 边连式:是指同步图形之间由一条公共边连接。,15

12、-5 GPS测量的实施,三、网形设计 1.GPS网的设计主要考虑问题 （1）可靠性设计 网连接:是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。 边点混合连接,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计 1.GPS网的设计主要考虑问题 （2）平面控制坐标联系设计 为了求定GPS网坐标与原有地面控制网坐标之间的坐 标转换参数，要求至少有三个GPS控制网点与地面控 制网点重合。 （3）高程控制坐标联系设计 为了利用GPS进行高程测量，在测区内GPS点位尽可 能与水准点重合，或者进行等级水准联测。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计 1.GPS网的设计主要考虑问题 （4）通视、选点、建标志设计 GP

13、S点尽量选在视野开阔、交通方便的地点，并要远离高压线、变电所及微波辐射干扰源。 GPS点虽然不需要通视，但是为了便于用经典方法联测和扩展，要求控制点至少与一个其他控制点通视，或者在控制点附近300m外布设一个通视良好的方位点，以便建立联测方向。 选点时除了应远离产生磁场源的地方和保证观测站在视场内周围障碍物的高度角应小于1015外，其它要求及建立标志同常规控制测量。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作 1.外业观测计划设计 （1）编制GPS卫星可见性预报图 利用卫星预报软件，输入测区中心点概略坐标、作 业时间、卫星截止高度角15等，利用不超过20 天的星历文件即可编制卫星预报

14、图。 （2）编制作业调度表 作业表应包括：观测时段，注明开、关机时间；测站号、测站名；接收机号、作业员；车辆调度表。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作 2.野外观测 （1）安置天线 要仔细对中、整平，量取仪器高。仪器高要用钢尺 在互为120方向量三次，互差小于3mm，取平均值 后输入GPS接收机。 （2）安置GPS接收机 GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线 及电源电缆，并确保无误。 （3）按顺序操作 按规定时间打开GPS接收机，输入测站名、卫星截止 高度角、卫星信号采样间隔等。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作 2.野外观测 （4）GPS接

15、收机记录的数据 GPS卫星星历和卫星钟差参数； 观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值； GPS绝对定位结果； 测站信息。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作 3.观测数据下载及数据预处理 外业观测数据在测区时就要及时进行严格检查，对 外业预处理成果，按规范要求严格检查、分析，根 据情况进行必要的重测和补测。 4.内业数据处理 内业数据处理一般采用软件处理，主要工作内容有 基线解算、观测成果检核及GPS网平差，内业数据处 理完毕后应写GPS测量技术报告并提交有关资料。,15-6 实时GPS的应用,一、实时GPS的测量原理 GPS实时差分定位系统由基准站、流动站和无线电通信

16、链三部分组成。,15-6 实时GPS的应用,一、实时GPS的测量原理 基准站：接收GPS卫星信号并实时向流动提供差分修正信号。 流动站：接收GPS卫星信号和基准站发送的差分修正信号，对GPS卫星信号进行修正，并进行实时定位。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点 GPS动态差分定位方法有位置差分、伪距差分、载波 相位实时差分及广域差分，各自分别具有不同特点。 1.位置差分 是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与已知坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。 位置差分精度可达510m。但是位置差分要求流动站接收机单点定位所用的卫星与基准站求修正值时所用的卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能产生45m以上的误差。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点 2.伪距差分（RTD） 利用基准站已知坐标和卫星星历，求卫星到基准站的几何距离作为距离精确值，将此值与基准站所测的伪距值求差作为差分修正值，通过数据链传给流动