楊程-第5章 坐標(biāo)測量

普通高等學(xué)校土木工程專業(yè)精編系列規(guī)劃教材土木工程測量2023/2/5

5坐標(biāo)測量2023/2/5內(nèi)容提要能力要求

本章主要包括直線定向（直線定向、方位角、象限角、坐標(biāo)的正反算）、地面定位技術(shù)（極坐標(biāo)法、角度交會法、距離交會法）、衛(wèi)星定位技術(shù)（GNSS的組成、GNSS定位方法、GNSS接收機(jī)使用）等相關(guān)內(nèi)容。本章的教學(xué)重點為直線定向；教學(xué)難點為地面定位技術(shù)。

通過本章學(xué)習(xí)，要求學(xué)生熟練掌握直線定向的概念、坐標(biāo)方位角的定義和推算、坐標(biāo)的正反算、極坐標(biāo)法等測定點位平面坐標(biāo)的方法，理解三角高程測量原理；結(jié)合實踐教學(xué)，理解GNSS靜態(tài)相對定位技術(shù)和實時動態(tài)差分定位RTK技術(shù)。2023/2/55坐標(biāo)測量

5.1直線定向5.2地面定位技術(shù) 5.3衛(wèi)星定位技術(shù)◎習(xí)題與思考題2023/2/5第一節(jié)直線定向1、標(biāo)準(zhǔn)方向的種類，三種標(biāo)準(zhǔn)方向之間的關(guān)系；2、確定地面上兩點之間的相對平面位置引出直線定向概念；3、表示直線方向的方法；4、幾種方位角之間的關(guān)系；5、正、反坐標(biāo)方位角；坐標(biāo)方位角的推算；坐標(biāo)正算與反算；2023/2/5學(xué)習(xí)目標(biāo)建立直線定向的概念，能夠熟練地進(jìn)行方位角的有關(guān)運算。為三維測量及施工測量計算打好基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)重點直線定向、坐標(biāo)方位角的推算方法；三種方位角間的換算關(guān)系；坐標(biāo)正算與坐標(biāo)反算。2023/2/5有80%的信息和地理位置有關(guān)！日常生活中我們經(jīng)常問這幾句話在哪兒？ —靜態(tài)地理位置怎么走？ —動態(tài)地理位置某地有什么？

—地理信息分布2023/2/5在日常生活中我們經(jīng)常會說“武漢市位于長江中游”，“宜昌市在武漢市上游”，這就是借助地理空間拓?fù)潢P(guān)系來描述地物之間的地理位置。(相對位置關(guān)系)2023/2/5下圖是北京市崇文區(qū)的一個街區(qū)小胡同變成大馬路1999年遙感影像2002年遙感影像2023/2/5北京西站影像2023/2/5直線定向（lineorientation）：確定一條直線與標(biāo)準(zhǔn)方向的關(guān)系(水平夾角)稱為直線定向。標(biāo)準(zhǔn)方向分類1、真子午線方向（真北方向）：地面上某點指向地球南北極的方向。即過地面某點真子午線的切線方向稱為該點的真子午線方向，其北端所示方向?？捎锰煳臏y量方法測定，也可用陀螺經(jīng)緯儀測定。P2023/2/5

磁北方向：磁針自由靜止時所指示的方向稱為磁子午線方向，其北端所指方向,稱為磁北方向。磁北方向可用羅盤儀測定。

坐標(biāo)北方向：坐標(biāo)縱軸

(X軸)正向所示方向,稱為坐標(biāo)北方向，也稱軸北方向。實用上常取與高斯平面直角坐標(biāo)系中X軸平行的方向，因此各點的坐標(biāo)北方向都是相互平行的。真北方向、磁北方向、坐標(biāo)北方向，這三個基本方向合稱為三北方向。2023/2/5子午線收斂角、磁偏角概念1、子午線收斂角：兩點真子午線方向間的夾角稱為子午線收斂角。子午線收斂角隨緯度的增大而增大，并與兩點間的距離成正比。

2023/2/52、磁偏角：地面上某點真北方向與磁北方向的夾角。用δ表示。PN磁偏角真北磁北磁北+-東西2023/2/5三北方相間的關(guān)系磁偏角：過一點的真北方向與磁北方向之間的夾角，用δ表示。子午線收斂角：過一點的真北方向與坐標(biāo)北方向之間的夾角，用γ表示。

符號規(guī)定磁北或坐標(biāo)北方向在真北方向東側(cè)時，δ與γ為正；磁北方向或坐標(biāo)北方向在真北方向西側(cè)時，δ與γ為負(fù)。

2023/2/5一、直線定向的表示方法

1.方位角對某一確定起點的直線，由在該起點處的基本方向起，順時針至該直線方向的水平角稱為該直線的方位角。方位角的取值范圍是0°～360°。2023/2/5標(biāo)準(zhǔn)方向真子午線方向磁子午線方向坐標(biāo)縱軸方向真方位角（A）磁方位角（Am）坐標(biāo)方位角（α）2磁北真北坐標(biāo)北AmAα1由不同的標(biāo)準(zhǔn)方向所得到的方位角，分別為：真方位角:磁方位角：坐標(biāo)方位角：2023/2/52.象限角

以基本方向線北端或南端起算，順時針或逆時針方向量至直線的水平角，稱為象限角，用R表示。

2023/2/5表5-1象限角與方位角的關(guān)系象限由方位角α求象限角R由象限角R求方位角α編號名稱I北東（NE）R=αα=RII南東（SE）R=180°-αα=180°-RIII南西（SW）R=α-180°α=180°+RIV北西（NW）R=360°-αα=360°-R2023/2/5

α12已知，通過連測求得12邊與23邊的連接角為β2（右角）、23邊與34邊的連接角為β3（左角），現(xiàn)推算α23、α34。1234xxxα23α34α12β2β3前進(jìn)方向β2位于推算路線1-2-3前進(jìn)方向的右側(cè)，故為右角。同理，β3為左角。坐標(biāo)方位角推算2023/2/5正、反坐標(biāo)方位角

直線1-2：點1是起點，點2是終點。α12—正坐標(biāo)方位角；α21—反坐標(biāo)方位角。α21α12xyoxx12直線2-1：所以一條直線的正、反坐標(biāo)方位角互差180o2023/2/51234xxα23α12β2α21前進(jìn)方向xα34β3α32由圖中分析可知：2023/2/5推算坐標(biāo)方位角的通用公式：注意：

計算中，若α前>360°，減360°；若α前<0°，加360°。當(dāng)β角為左角時，取“＋”；若為右角時，取“－”。方位角的推算左角右角的計算公式區(qū)別2023/2/5例題：已知α12=46°，β2、β3及β４的角值均注于圖上，試求其余各邊坐標(biāo)方位角。α23=α12＋180°－β24x23146°125°10′5136°30′247°20′解：α34=α23＋180°＋β3=417°20′>360°（417°20′－360°）′α45=α34＋180°－β4<0°（－

10°＋360°）=350°=100°50′=46°＋180°－125°10′=100°50′＋180°＋136°30′=－10°=57°20′＋180°－247°20′前進(jìn)方向57°20=2023/2/52312B1已知：AB=76

20，B=18542，1=21108，2=15045

求：B1、12、2312ABAB12B解：B1=BA+B

=AB+180+B=7620+180+185

42=820212=1B+1=B1+180+1=8202+180+21108=1131023=21+2=12+180+2=11310+180+15045=8355要求熟練掌握方位角推算公式2023/2/5已知求解：2023/2/5坐標(biāo)正算計算的基本公式設(shè)A點為已知點，B點為未知點，A(XA,YA),AB邊的邊長為DAB,AB邊的坐標(biāo)方位角為AB，,求B(XB,YB)，坐標(biāo)正算。

XB=XA+XAB

YB=YA+YAB

2023/2/5XAB=DABCos

AB

(縱坐標(biāo)增量）YAB=DABSinAB

(橫坐標(biāo)增量）

XB=XA+DABCos

ABYB=YA+DABSinAB2023/2/5坐標(biāo)反算由兩個已知點的坐標(biāo)反算坐標(biāo)方位角和邊長

設(shè)A、B為兩已知點，其坐標(biāo)分別為A(XA,YA),B(XB,YB),則yAB

xAB

DAB=

＝

SinABConABDAB=(xAB)2+

(yAB)2

tg

AB=yAB/xAB

=(YB—YA)/(XB－XA)AB=tg

-

1(yAB/xAB)=arctg((yAB/xAB)

R當(dāng)x>0,y>0180－R當(dāng)x<0,y>0=180+R當(dāng)x<0,y<0360－R當(dāng)x>0,y<02023/2/52023/2/5小結(jié)1.直線定向——確定直線方向與標(biāo)準(zhǔn)方向之間的關(guān)系。2.標(biāo)準(zhǔn)方向——真子午線方向；磁子午線方向；坐標(biāo)縱軸方向。3.坐標(biāo)方位角——以坐標(biāo)縱軸方向為起始方向順時針轉(zhuǎn)到該直線的水平夾角。4.正、反方位角——一條直線的正、反坐標(biāo)方位角相差180°。2023/2/51傳統(tǒng)測量技術(shù)

兩維坐標(biāo)：平面坐標(biāo)x,y——極坐標(biāo)法、角度交會法、距離交會法。

一維坐標(biāo)：高程H——水準(zhǔn)測量技術(shù)、三角高程測量技術(shù)。特點：測算分離，手動完成第二節(jié)地面定位技術(shù)2023/2/52現(xiàn)代測量技術(shù)

三維坐標(biāo)：x,y,H——全站儀技術(shù)特點：測算一體，自動完成2023/2/53測定（x,y）的傳統(tǒng)技術(shù)（1）極坐標(biāo)法已知A、B兩點坐標(biāo)，根據(jù)水平角和水平距離DAP，經(jīng)計算求得P點坐標(biāo)。2023/2/5計算步驟：1、在已知點A安置儀器，觀測水平角2、測量A、P兩點的水平距離DAP3、根據(jù)已知點A、B的坐標(biāo)，利用反算公式計算其坐標(biāo)方位角4、根據(jù)坐標(biāo)方位角

和水平角，推算未知邊AP的坐標(biāo)方位角：當(dāng)未知邊位于已知邊左側(cè)時，上式取5、利用坐標(biāo)正算公式，計算P點坐標(biāo)。2023/2/5極坐標(biāo)法擴(kuò)展……導(dǎo)線法，測量轉(zhuǎn)折角和未知邊2023/2/5（2）角度交會法導(dǎo)線測量：控制面積大，一般要求地勢平坦。需要測角，量邊交會定點：山區(qū)或地形復(fù)雜的地區(qū)。分為：前方交會，側(cè)方交會，后方交會，測邊交會等。2023/2/5前方交會法作業(yè)方式：在已知點A、B上分別向新點P觀測水平角α和β，從而可以計算P點的坐標(biāo)。ABPαβ2023/2/5計算方法：按照導(dǎo)線計算方法，以AB為起始邊計算導(dǎo)線檢核：從三個已知點A、B、C上分別向新點P進(jìn)行角度觀測，由兩個三角形分別解算P點的坐標(biāo)。ABPαβC2023/2/5（3）距離交會法——測量三角形的兩條未知邊2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——高程的測站傳遞（轉(zhuǎn)點）2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——外業(yè)2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——立尺2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——觀測2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——讀數(shù)2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（1）水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量——讀數(shù)2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（2）三角高程測量——原理三角高程測量——原理由視距測量想到的2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（2）三角高程測量——原理HB=HA+DABtgαAB+iA-vB2023/2/54測定H的傳統(tǒng)方法（2）三角高程測量——球氣差改正HB=HA+DABtgαAB+iA-vB+f1-f2f=+f1-f2f=(1-k)D2/(2R)2023/2/55測定（x,y,H）的現(xiàn)代技術(shù)—全站儀技術(shù)全站儀(totalstation)是由電子測角、光電測距、微型機(jī)及其軟件組合而成的智能型光電測量儀器。全站儀—全站型電子速測儀人們把快速測量距離和方位的儀器稱之為速測儀(Tachymeter)。2023/2/5全站儀的基本功能是測量水平角、豎直角和斜距。借助于機(jī)內(nèi)固化的軟件，可以組成多種測量功能，如可以計算并顯示：平距、高差以及鏡站點的三維坐標(biāo)，進(jìn)行偏心測量、懸高測量、對邊測量、面積計算等。全站儀具有如下特點：

2023/2/5全站儀由以下兩大部分組成：

l）采集數(shù)據(jù)設(shè)備：主要有電子測角系統(tǒng)、電子測距系統(tǒng)、還有自動補償設(shè)備等。2）微處理器：微處理器是全站儀的核心裝置,主要由中央處理器,隨機(jī)儲存器和只讀存儲器等構(gòu)成,測量時,微處理器根據(jù)鍵盤或程序的指令控制各分系統(tǒng)的測量工作,進(jìn)行必要的邏輯和數(shù)值運算以及數(shù)字存儲、處理、管理、傳輸、顯示等。2023/2/5全站儀的特點（1）儀器操作簡單，高效。全站儀具有現(xiàn)代測量工作所需的所有功能。（2）快速安置：簡單地整平和對中后，儀器一開機(jī)后便可工作。儀器具有專門的動態(tài)角掃描系統(tǒng)，因此無需初始化。關(guān)機(jī)后，仍會保留水平和垂直度盤的方向值。電子“氣泡”有圖示顯示并能使儀器始終保持精密置平。（3）適應(yīng)性強(qiáng)。全站儀是為適應(yīng)惡劣環(huán)境操作所制造的儀器。（4）全站儀設(shè)有雙向傾斜補償器，可以自動對水平和豎直方向進(jìn)行修正，以消除豎軸傾斜誤差的影響。還可進(jìn)行地球曲率改正、折光誤差以及溫度、氣壓改正。（5）控制面板具有人機(jī)對話功能。控制面板由鍵盤和主,副顯示窗組成。除照準(zhǔn)以外的各種測量功能和參數(shù)均可通過鍵盤來實現(xiàn),儀器的兩側(cè)均有控制面板,操作十分方便。（6）具有雙向通訊功能，可將測量數(shù)據(jù)傳輸給電子手簿或外部計算機(jī)，也可接受電子手簿和外部計算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)。

2023/2/5全站儀與經(jīng)緯儀相比具有以下優(yōu)點:1、測量結(jié)果自動記錄在“電子手簿”中，減少了讀數(shù)的錯誤和記錄的粗差，提高了功效；

2、利用全站儀中的微處理器，通過傳感器可以自動的改正儀器軸系誤差，提高測量精度;3、距離改正，高差計算和坐標(biāo)計算在儀器上自動完成，減少了內(nèi)業(yè)計算工作量;4、角度測量中自動掃描整個度盤，并求出平均值作為結(jié)果，消除了度盤的刻劃誤差和偏心差。2023/2/5（1）全站儀的結(jié)構(gòu)組成2023/2/5（1）全站儀的結(jié)構(gòu)組成2023/2/5（2）全站儀的功能

①測角——水平角、豎直角

②測距——水平距離、傾距、高差主值

③測量坐標(biāo)——x,y,H

④特殊功能——對邊測量、懸高測量、面積測量、后方交會、偏心測量、放樣等

2023/2/5

（3）全站儀的操作和使用——①操作面板2023/2/5

（3）全站儀的操作和使用——①操作面板2023/2/52023/2/5（3）全站儀的操作和使用

①操作面板

②儀器安置

對中，整平，開機(jī)（POWER鍵），打開傳感器（星鍵+F2），精確整平，量取儀器高i。

設(shè)置儀器常數(shù)、棱鏡常數(shù)、氣象參數(shù)。調(diào)節(jié)盤左（盤右）狀態(tài)。2023/2/52023/2/5③安置目標(biāo)——2023/2/5③安置目標(biāo)——2023/2/5（3）全站儀的操作和使用

④基本測量：照準(zhǔn)，讀數(shù)，記錄

平角測量——豎絲照準(zhǔn)豎直角測量——橫絲照準(zhǔn)

距離測量——十字絲交點照準(zhǔn)

x,y,H測量——十字絲交點照準(zhǔn)2023/2/5全站儀使用記錄表（綜合）日期：時間：天氣：組號：儀器號：測站名稱：觀測者：記錄者：儀器高測回數(shù)目標(biāo)名目標(biāo)高豎盤位置水平度盤讀數(shù)(°′″)一測回方向值(°′″)豎直度盤讀數(shù)(°′″)豎直角(°′″)斜距(m)平距(m)高差(m)————

盤左

盤右

——盤左

盤右

————

盤左

盤右

——盤左

盤右

2023/2/55測定（x,y,H）的現(xiàn)代技術(shù)—全站儀技術(shù)

全站儀坐標(biāo)測量就是利用極坐標(biāo)原理進(jìn)行的。全站儀坐標(biāo)測量的工作程序是安置儀器、新建文件、測站設(shè)置、后視定向、坐標(biāo)測量和數(shù)據(jù)傳輸，南方NTS663全站儀坐標(biāo)測量的具體操作見表5-2。

2023/2/5第二節(jié)地面定位技術(shù)表5-2NTS663全站儀坐標(biāo)測量操作工作程序操作步驟安置儀器在測站點（控制點）上安置全站儀，包括對中整平、量取儀器高。儀器常數(shù)設(shè)置：棱鏡加常數(shù)=-30mm。氣象參數(shù)設(shè)置：如，實測氣壓

P=673mmHg=897hpa，實測溫度t=25℃。新建文件①開機(jī)。②進(jìn)入“程序”→“標(biāo)準(zhǔn)測量”→“設(shè)置”→“作業(yè)”→“新建”→“文件”→打開新建的文件。測站設(shè)置①進(jìn)入“記錄”選項→“側(cè)視測量”，根據(jù)儀器提示輸入測站點點名和儀器高。②按“ENT”鍵進(jìn)入下一頁，輸入測站點坐標(biāo)（N（北）E（東）Z（高程）。③按“ENT”鍵進(jìn)入下一頁，輸入測站點點名和儀器高。

2023/2/5第二節(jié)地面定位技術(shù)表5-2NTS663全站儀坐標(biāo)測量操作（續(xù)1）工作程序操作步驟后視定向①按“ENT”鍵，輸入后視點坐標(biāo)。②同時把棱鏡豎立在后視點上，全站儀盤左照準(zhǔn)后視點上的棱鏡，按下“設(shè)置”鍵，再按“校核”鍵，校核。③合格后按“ENT”鍵進(jìn)入碎部點測量。坐標(biāo)測量①輸入待測點點號，全站儀照準(zhǔn)待測點上豎立的棱鏡，按“ENT”鍵，測量、記錄待測點坐標(biāo)。②選擇下一個待測點，循環(huán)進(jìn)行。③本站所有需測的待測點測量完成后，在控制點上檢測，若檢測合格，關(guān)機(jī)。2023/2/5第二節(jié)地面定位技術(shù)表5-2NTS663全站儀坐標(biāo)測量操作（續(xù)2）程序操作步驟數(shù)據(jù)傳輸①用數(shù)據(jù)通信線將全站儀和電腦連接（COM口或USB口）。②啟動CASS軟件，在“數(shù)據(jù)”菜單中選擇“讀取全站儀數(shù)據(jù)”，彈出“全站儀內(nèi)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”參數(shù)設(shè)置界面，打開全站儀“通信參數(shù)”對照，將軟件參數(shù)設(shè)置和全站儀一致。指定文件的保存路徑和文件名。③進(jìn)入全站儀的“程序”→“標(biāo)準(zhǔn)測量”→“作業(yè)”→“打開”→“選擇作業(yè)”→“傳輸”→“發(fā)送數(shù)據(jù)”→“坐標(biāo)數(shù)據(jù)”，出現(xiàn)提示“準(zhǔn)備好了嗎？”④點擊電腦界面上的“轉(zhuǎn)換”，電腦彈出“先在微機(jī)上按回車”的提示，依照提示即可完成數(shù)據(jù)傳輸。2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(1)美國GPS——1957從研究多普勒衛(wèi)星定位技術(shù)開始，到1958.12研制海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS），1959.9發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星，1964.01投入使用（6顆衛(wèi)星、20多個地面跟蹤站、用戶接收機(jī)）。1973.12美國防部批準(zhǔn)陸海空聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GPS）計劃。方案論證（1974-1977）、試驗研制（1978-1988）、工程建設(shè)（1989-1994）、正式運營（1995-）?，F(xiàn)代化計劃（2000-）。第五章坐標(biāo)測量2023/2/5一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(1)美國GPS——現(xiàn)代化計劃（2000-）。作為現(xiàn)代化計劃的當(dāng)前成就，雷神公司的GPSⅢ操作控制系統(tǒng)OCX與洛克希德馬丁公司GPSⅢ衛(wèi)星的整合取得重大進(jìn)展，成功地在GPSⅢ衛(wèi)星模擬器與OCX組件之間交換了衛(wèi)星指令和遙測數(shù)據(jù)。該整合將有利于OCX系統(tǒng)的開發(fā)測試，并能夠降低在軌測試地面衛(wèi)星接口時的風(fēng)險。

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(1)美國GPS——現(xiàn)代化計劃（2000-）。另外，美國軍方也開始考慮GPSⅢ衛(wèi)星未來的戰(zhàn)略升級。根據(jù)空軍關(guān)于新一代GPSⅢ衛(wèi)星導(dǎo)航星座的新升級戰(zhàn)略，可能從第9顆GPSⅢ衛(wèi)星起，向該系列衛(wèi)星集成抗干擾能力。前，洛克希德馬丁公司航天系統(tǒng)分部正在按照計劃建造首批四顆GPSⅢ衛(wèi)星，首顆GPSⅢ衛(wèi)星將在2014年發(fā)射。

第五章坐標(biāo)測量2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(2)前蘇聯(lián)/俄羅斯GLONASS1982.10.12發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星，1995投入使用。

2012.02報道，GLONASS共有31顆衛(wèi)星在軌，其中24顆正在運行，3顆即將投入運行，2顆處于維護(hù)中，1顆正在試驗，1顆備用。至此，俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)正式完成。

第五章坐標(biāo)測量2023/2/5一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(3)中國CAMPASS（BeiDou）

1983提出設(shè)想，2000.10.31發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星，2012.05在軌組網(wǎng)衛(wèi)星12顆。2012年10月25日第16顆衛(wèi)星發(fā)射成功。2011.12.27開始，向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時服務(wù)

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5BeiDou示意圖

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(3)中國CAMPASS（BeiDou）

Beidou系統(tǒng)是中國獨立自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位定位系統(tǒng)。2012年10月25日第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星順利升空，標(biāo)志著我國北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)全面完成，形成覆蓋亞太地區(qū)的服務(wù)能力。Beidou系統(tǒng)將于2020年建成北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)，屆時將有35顆在軌衛(wèi)星。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5一、概述1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

(4)歐盟GALILEO——1999年初推出GALILEO計劃，部署新一代定位衛(wèi)星。該計劃由27顆運行衛(wèi)星和3顆預(yù)備衛(wèi)星組成，覆蓋全球，位置精度達(dá)數(shù)米，可與美國GPS兼容，總投資35億歐元。2005.1228發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星。

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5一、概述

1GNSS的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀

（5）小結(jié)：GNSS的代表系統(tǒng)①美國的GPS：當(dāng)前健康運營②俄羅斯的GLONASS：當(dāng)前比較健康運營③中國的Beidou：當(dāng)前覆蓋亞太區(qū)域，計劃2020年覆蓋全球。④*歐盟的Galileo：還沒有全面實施第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS一、概述2GNSS的特點

全球、全天候、高精度、自動化、高效益、三維實時導(dǎo)航（定位、測速、授時）3GNSS的組成（1）空間星座部分（2）地面監(jiān)控部分（3）用戶接收部分第五章坐標(biāo)測量2023/2/5空間部分：提供星歷和時間信息發(fā)射偽距和載表信號提供其它輔助信息地面監(jiān)控部分：中心控制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶部分：接收衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)提供導(dǎo)航定位信息2023/2/5GNSS主要特征比較系統(tǒng)特征GPSGLONASSBeidouGALILEO載波頻率GHz1.231.581.611.251561.098MHz(B1)1589.742MHz(B1-2)1207.14MHz(B2)1268.52MHz(B3)衛(wèi)星高度km20200191002150023616衛(wèi)星數(shù)（設(shè)計）21+321+327+3+527+3衛(wèi)星周期h11:5811:1514:04衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1310-1110-1210-13第五章坐標(biāo)測量2023/2/5一、概述

3GNSS的組成

（1）空間星座部分

衛(wèi)星功能：

①接收、存儲和處理地面監(jiān)控站的控制指令和導(dǎo)航電文等信息

②與原子鐘同步生成測距碼和載波，將測距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制在載波上，向接收機(jī)用戶發(fā)送GPS信號。第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS第五章坐標(biāo)測量2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS第五章坐標(biāo)測量一、概述

3GNSS的組成

（1）空間星座部分GNSS信號:2023/2/5

GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)頻率（原子鐘）10.23MHZ

L11575.42MHZ

C/A碼

1.023MHZP?碼

10.23MHZL21227.60MHZP?碼10.23MHZ1015412050比特/S衛(wèi)星信息電文(D碼)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準(zhǔn)頻率?)2種載波(L1和L2)；2種碼信號(C/A碼和P碼)1組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)2023/2/5L1載波相位觀測值——154f0(154倍頻)二進(jìn)制相位調(diào)制技術(shù)L2載波相位觀測值——120f0(120倍頻)調(diào)制在L1上的C/A-code偽距——粗碼，精度低?？煽焖俨东@衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星發(fā)射的C/A碼不同，利用衛(wèi)星編號PRN區(qū)分。調(diào)制在L2上的P-code偽距——精碼，測距精度0.3m導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)——廣播星歷、衛(wèi)星鐘差改正、電離層延遲改正2023/2/5

對衛(wèi)星進(jìn)行測距接收機(jī)對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測距地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r—已知的衛(wèi)地矢量P—觀測量(偽距)R—未知的測站點位矢量第五章坐標(biāo)測量2023/2/5距離觀測值的計算接收機(jī)至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到接收機(jī)本身按同一公式復(fù)制碼信號比較本機(jī)碼信號及到達(dá)的碼信號，確定傳播時間t傳播時間乘以光速就得到距離觀測值=C?t衛(wèi)星鐘調(diào)制的碼信號接收機(jī)時鐘復(fù)制的碼信號tt第五章坐標(biāo)測量2023/2/5采用載波相位觀測值衛(wèi)星傳播的電磁波信號：信號量測精度優(yōu)于波長的1/100載波波長(L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的測距精度L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m第五章坐標(biāo)測量2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS第五章坐標(biāo)測量一、概述

3GNSS的組成

（1）空間星座部分（2）地面監(jiān)控部分2023/2/5（2）地面監(jiān)控部分一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego

GarciakwajaleinColoradosprings第五章坐標(biāo)測量2023/2/5（2）地面監(jiān)控部分第五章坐標(biāo)測量2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS第五章坐標(biāo)測量一、概述

3GNSS的組成

（1）空間星座部分（2）地面監(jiān)控部分（3）用戶接收部分——GNSS接收機(jī)

測量型、雙頻、多通道、多系統(tǒng)2023/2/5（3）用戶接收部分測量型GPS接收機(jī)天線前置放大器電源部分射電部分微處理器數(shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制第五章坐標(biāo)測量2023/2/5GNSS用戶設(shè)備分類(1)測量型GNSS接收機(jī)(2)導(dǎo)航型GNSS接收機(jī)(3)授時型GNSS接收機(jī)2023/2/5第五章坐標(biāo)測量2023/2/5第五章坐標(biāo)測量2023/2/5測量型GNSS接收機(jī)南方靈銳S82T靜態(tài)（快速靜態(tài)）平面精度3mm+1ppm靜態(tài)（快速靜態(tài)）高程精度5mm+1ppmRTK平面精度1cm+1ppmRTK高程精度2cm+1ppm單機(jī)定位精度1.5m220通道，L1，L2載波…GPS/GLONASS雙系統(tǒng)

2023/2/5測量型GNSS接收機(jī)南方靈銳S82C靜態(tài)（快速靜態(tài)）水平精度2.5mm+1ppm靜態(tài)（快速靜態(tài)）高程精度5mm+1ppmRTK水平精度1cm+1ppmRTK高程精度2cm+1ppm單機(jī)定位精度1.5m28-54通道，L1，L2載波…GPS/Beidou/GLONASS/預(yù)留Galileo多系統(tǒng)2023/2/5測量型GNSS接收機(jī)作業(yè)中的流動站流動站操作手簿作業(yè)中的基準(zhǔn)站2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS84世界大地坐標(biāo)系

第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS第五章坐標(biāo)測量2023/2/5赤道首子午線ZXY地球質(zhì)心IERSIRMIERS

IRP參考橢球面第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)——坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS84世界大地坐標(biāo)系

2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

GPS時間系統(tǒng)是以國際原子時ATI的秒長為基準(zhǔn)，時間原點定義在1980.0106協(xié)調(diào)世界時UTC的00點，連續(xù)不跳秒。

GPS時與UTC時的整秒差及其不足秒的差異由國際時間服務(wù)機(jī)構(gòu)定期發(fā)布。衛(wèi)星星歷中的衛(wèi)星鐘差信息是相對于GPS時間系統(tǒng)的。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)——坐標(biāo)系統(tǒng)：用戶坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系——我國常用大地坐標(biāo)系

1954年北京坐標(biāo)系（參心系）我國的54坐標(biāo)系實際上是屬于蘇聯(lián)1942年大地坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點不在北京，而是在蘇聯(lián)普爾科沃。對我國東部地區(qū)的大地水準(zhǔn)面差距（或高程異常）達(dá)+68米，對距離的影響約為1/10萬，對東部地區(qū)測繪大比例尺地形圖產(chǎn)生一定影響。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)——坐標(biāo)系統(tǒng)：用戶坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系——我國常用大地坐標(biāo)系1980國家大地坐標(biāo)系（局部參心系，地球質(zhì)心系）20世紀(jì)70年代末，將大地原點選在陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)北洪流村，橢球面與我國境內(nèi)的大地準(zhǔn)面密合最佳。全國范圍內(nèi)大地水準(zhǔn)面差距（或高程異常）約在±20米內(nèi)。它對距離的影響小于1/30萬，對較大的比例尺測圖來說不產(chǎn)生影響。是目前仍在使用的坐標(biāo)系。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)——坐標(biāo)系統(tǒng)：用戶坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系——我國常用大地坐標(biāo)系

——CGCS2000坐標(biāo)系（中國2000大地坐標(biāo)系，地球質(zhì)心系）第一層次：連續(xù)運行參考站，28個點，構(gòu)成CGCS2000基本骨架，精度mm級，速度為1mm/y。第二層次：空間大地網(wǎng)，包括全國GPS一、二級網(wǎng)、GPSA、B級網(wǎng)、地殼運動觀測網(wǎng)，共約2500多點，簡稱“2000國家GPS大地控制網(wǎng)”。精度為cm級，速度精度為2-3cm/y。第三層次：天文大地網(wǎng)，約5萬個點。其大地經(jīng)緯度精度：0.3m，大地高誤差優(yōu)于0.5m。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5橢球名稱長半軸a（m）短半軸b（m）扁率α計算年代/國家備注貝塞爾637739763560791:299.1521841/德國

海福特637838863569121:297.01910/美國1942年國際第1個推薦值克拉索夫斯基637824563568631:298.31940/蘇聯(lián)1954北京坐標(biāo)系采用1975國際橢球637814063567551:298.2571975/國際第3個推薦值1980西安坐標(biāo)系采用WGS-84637813763567521:298.2571979/國際第4個推薦值美國GPS采用2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)可以相互轉(zhuǎn)換，前提是在一定的空間區(qū)域內(nèi)有一定數(shù)量的公共點。使用GNSS技術(shù)，就需要將GNSS坐標(biāo)系的測量成果轉(zhuǎn)換為用戶坐標(biāo)系。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

GPS時間系統(tǒng)是以國際原子時ATI的秒長為基準(zhǔn)，時間原點定義在1980.0106協(xié)調(diào)世界時UTC的00點，連續(xù)不跳秒。

GPS時與UTC時的整秒差及其不足秒的差異由國際時間服務(wù)機(jī)構(gòu)定期發(fā)布。衛(wèi)星星歷中的衛(wèi)星鐘差信息是相對于GPS時間系統(tǒng)的。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

2單點定位（絕對定位）——空間距離后方交會

衛(wèi)星相當(dāng)于軌道上運動的控制點，(xs,ys,zs)已知，觀測值是星站距離ρ（測站至衛(wèi)星的偽距，沒考慮接收機(jī)鐘差）

由于接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差t，所以要求同步觀測最少4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：測站坐標(biāo)(x,y,z)和接收機(jī)鐘差t。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

2單點定位（絕對定位）——空間距離后方交會第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5同步觀測衛(wèi)星數(shù)少于4個，無解；同步觀測衛(wèi)星數(shù)等于4個，有解，但不可靠；同步觀測衛(wèi)星數(shù)多于4個，有多余觀測，有解可靠。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2單點定位（絕對定位）——空間距離后方交會2023/2/5二、GNSS定位的基本原理

3GNSS定位的主要誤差

（1）與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差

（2）與信號傳播有關(guān)的誤差

電離層延遲誤差；對流層延遲誤差；多路徑效應(yīng)

（3）與接收機(jī)及其安置有關(guān)的誤差

接收機(jī)天線相位中心偏離；對中誤差；量取天線高的誤差。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5三、GNSS相對定位

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5三、GNSS相對定位

1靜態(tài)相對定位——2臺以上的接收機(jī)，同步觀測。

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5三、GNSS相對定位

1靜態(tài)相對定位——2臺以上的接收機(jī)，同步觀測。

——2臺同步觀測，可解算1條基線向量；

——3臺同步觀測，可解算3條基線向量，構(gòu)成1個三角形（同步環(huán)）；

——4臺同步觀測，可解算6條基線向量，構(gòu)成3個獨立的三角形（同步環(huán)）。第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS表5-6S82T接收機(jī)靜態(tài)相對測量操作工作程序操作步驟開、關(guān)機(jī)按住ON/OFF響1聲=開機(jī)。按住ON/OFF響3聲=關(guān)機(jī)切換動態(tài)/靜態(tài)/藍(lán)牙初始化開機(jī)，剛開機(jī)的主機(jī)需要等一段時間，使接收機(jī)完成初始化過程，再進(jìn)行操作。切換動態(tài)：長按ON/OFF，響3聲，再響1聲，松開ON/OFF，再開機(jī)=動態(tài)。切換靜態(tài)：長按ON/OFF，響3聲，再響2聲，松開ON/OFF，再開機(jī)=靜態(tài)。注：若基準(zhǔn)站無法使用。用移動站作基準(zhǔn)站的方法，開機(jī)長按ON/OFF響7聲后（此時為關(guān)機(jī)狀態(tài)）再開機(jī)，即可把移動站調(diào)為基準(zhǔn)站（此時不加小天線）。2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS表5-6S82T接收機(jī)靜態(tài)相對測量操作（續(xù)1）工作程序操作步驟靜態(tài)觀測①切換為靜態(tài)，關(guān)機(jī)。②安置儀器=對中、整平，量取天線高，開機(jī)。③在記錄表中記錄點名、開機(jī)時間、天線高。④到計劃關(guān)機(jī)時間，關(guān)機(jī)。⑤在記錄表中記錄關(guān)機(jī)時間。⑥傳輸數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)傳輸傳輸數(shù)據(jù)前，需確定電腦是否安裝USB驅(qū)動，可在南方Gps數(shù)據(jù)處理軟件里找9600USB、9800USB驅(qū)動程序并安裝，之后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。①連接傳輸線，一端接收機(jī)（9針口），另一端計算機(jī)（COM口或USB口）。②打開接收機(jī)。③啟動傳輸軟件（如南方Gps數(shù)據(jù)處理軟件），工具→南方接收機(jī)數(shù)據(jù)下載→連接→在U盤中復(fù)制觀測數(shù)據(jù)至工作文件夾。2023/2/5第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS表5-6S82T接收機(jī)靜態(tài)相對測量操作（續(xù)2）工作程序操作步驟數(shù)據(jù)處理①啟動數(shù)據(jù)處理軟件（如南方

Gps數(shù)據(jù)處理軟件）。②新建工程→數(shù)據(jù)輸入→增加觀測數(shù)據(jù)文件→（修改）量取的天線高→（選擇）量取方式→天線斜高。③……2023/2/5三、GNSS相對定位

2單基站實時動態(tài)定位(單基站RTK)

單用戶或多用戶

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS2023/2/5三、GNSS相對定位

2單基站實時動態(tài)定位(單基站RTK)

單用戶或多用戶

第五章坐標(biāo)測量第三節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)——GNSS基站2023/2/5移動站

基準(zhǔn)站

GNSS單基站RTK作業(yè)中的移動站

2023/2/5表5-8S82T接收機(jī)RTK測量操作工作程序操作步驟基準(zhǔn)站設(shè)置①將接收機(jī)切換為基準(zhǔn)站，關(guān)機(jī)。②安置基準(zhǔn)站：對中、整平、量取天線高，在記錄表中記錄天線高。③多功能線連接電源、電臺、接收機(jī)。④調(diào)節(jié)電臺頻道。⑤基準(zhǔn)站開機(jī)。移動站設(shè)置①連接接收機(jī)與對中桿，量