最终给第九章GPS数据处理.ppt
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1、9.1 概述9.2 GPS基线向量的解算9.3 GPS定位成果的坐标转换(P158)9.4 基线向量网平差9.5 GPS高程,第九章 GPS定位测量数据处理(DATA PROCESSING FOR GPS),基本处理过程:(1)数据传输(2)数据分流 从原始数据中,剔除无效观测值和冗余信息,形成各种数据文件,如星历文件、载波相位和伪距观测文件、测站信息文件。(3)GPS数据的预处理 对数据进行平滑滤波检验,剔除粗差;统一数据文件格式,将不同类型接收机的数据记录格式统一为标准化的文件格式,探测周跳,修复观测值。(4)基线向量解算 一般先采用三差模型法对基线向量进行预求解,然后再采用双差模型对基线
2、向量进行精确求解。对于20 km以下的基线,常采用所谓的固定双差解,即整周未知数取为整数后的基线平差解。而对于30 km以上的基线,一般采用浮点双差解,即整周未知数不取整,以实数作为整周值,所以也可称为实数解。,(5)GPS网平差与坐标转换概述 由同步观测和异步观测的基线向量互相联结构成GPS网,称为GPS基线向量网。由于存在观测 误差,网中由不同时段观测的基线向量组成的闭合图形存在不符值(闭合差)。因此,应在WGS-84坐标系统下,以GPS基线向量及其相应的方差阵作为观测信息,对GPS网进行平差计算,消除不符值,获得网中点的平差后的三维坐标、基线边长的平差值、基线向量观测值改正数及其对观测值
3、、点位坐标的精度评定。,9.2 GPS基线向量的解算,9.2.2 法方程的组成及解算,9.2.3 精度评定,9.2.4 基线向量解算结果分析1.观测值残差分析2.基线长度的精度3.双差固定解与双差实数解,9.2.5 GPS基线向量解算示例,9.3 GPS定位成果的坐标转换(P158),WGS-84大地坐标系是GPS卫星定位系统采用的大地坐标系,因而,所用利用GPS接收机进行测量计算的成果均属于WGS-84坐标系;而实用的测量成果往往是属于某一国家坐标系或地方坐标系(或叫局部的、参考坐标系);参考坐标系与WGS-84坐标系之间一般存在着平移和旋转的关系。,9.3 GPS定位成果的坐标转换(续),
4、WGS-84坐标转换为国家或地方坐标系的方法(8454)1.利用已知重合点的三维直角坐标进行坐标转换;2.利用已知重合点的三维大地坐标进行坐标转换;3.利用已知重合点的二维高斯平面坐标进行坐标转换;4.利用已知重合的二维大地坐标进行坐标转换。,本节仅讨论1、3两种方法,即不同空间直角坐标系或不同平面直角坐标系统之间的转换。1.利用已知重合点的三维直角坐标将GPS点的WGS-84坐标转换为国家坐标系中的坐标。用七参数法实现坐标转换;局部地区应用坐标差求解转换参数的方法(p27);在GPS网的约束平差中实现坐标转换。2.利用已知重合点的二维高斯平面坐标将GPS点的WGS-84转换为国家坐标系中的坐
5、标。将 GPS点的大地坐标(B、L)按 WGS-84参考椭球和高斯正形投影公式换算为高斯平面坐标(x、y);利用重合点(至少两个)的两套平面坐标值按平面坐标系统之间的转换方法将GPS点的高斯平面坐标转换为国家坐标系高斯平面坐标,9.3 GPS定位成果的坐标转换(续),预备知识,常规测量,平面坐标系,高程坐标系,GPS测量,三维地心坐标系,地心空间直角坐标系、椭球大地坐标系,9.2 国家坐标系与地方独立坐标系,9.2.1 旋转椭球与参心坐标系 水准面:在地球重力场中,当水处于静止时的表面必定与重力方向(即铅垂线方向)处处正交。我们称这个与铅垂线正交的静止水平面为水准面。大地水准面:假设海水面处于
6、静止平衡状况,并将它一直沿伸到地球陆地内部形成一个闭合的水准面,用来表示地球的形状,我们将这个水准面称为大地水准面。,大地水准面是对地球的物理逼近,它可以较真实地反映地球的形状,但是地壳内部物质密度分布的不均匀,造成地面各点重力大小和方向不同,因此,与铅垂线处处正交的大地水准面是起伏不平的,因而它也很难以用简单的数学模型描述。要用它作为各种地面测量数据的计算基准面比较困难,必须寻找一个简单的适合测量计算的基准面。,大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的数学曲面旋转椭球。旋转椭球可用两个几何参数确定,即为椭球的长半径a和扁率f。这两个参数解决了椭球的形状和大小。为了将地面测量数据归算到椭球
7、面上,仅仅知道它的形状和大小是不够的,还必须确定它与大地水准面的相关位置,也就是所谓的椭球定位和定向。另外,为了从几何特性和物理特性两个方面来研究全球的形状,则还要使椭球与全球大地水准面结合最为密切。,为了研究局部球面的形状,且使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小,各个国家和地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密合的椭球建立坐标系。这样选定和建立的椭球称为参考椭球,对应的坐标系称为参心坐标系。显然,该坐标系的中心一般和地球质心不一致,所以参心坐标系又称为非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系,由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小,所以,参心坐标系至今对大地测量仍有重要作用。同样
8、,参心坐标系可分为参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。,参心空间直角坐标系 参心空间直角坐标系是:(1)以参心O为坐标原点;(2)Z轴与参考椭球的短轴(旋转轴)相重合;(3)X轴与起始子午面和赤道的交线重合;(4)Y轴在赤道面上与X轴垂直,构成右手直角坐标系 O-XYZ。地面点P的点位用(X,Y,Z)表示。,参心大地坐标系 参心大地坐标系是以参考椭球的中心为坐标原点,椭球的短轴与参考椭球旋转轴重合。大地纬度B以过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角为大地纬度B;大地经度L以过地面点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角为大地经度L;大地高H地面点沿椭球法线至椭球面的距离为大地高H(如图)。地面点的点
9、位用(B,L,H)表示。,B=19.4705047353,L=110.0143500924,H=49.727,X=-2054198.29421,Y=5934981.51372,Z=2192959.41759,WGS-84椭球:,在同一参心坐标系中,地面点的参心空间直角坐标与相应的参心大地坐标之间存在如下的互换关系。(1)参心大地坐标转换为参心空间直角坐标:式中,N为椭球面卯酉圈的曲率半径,e为椭球的第一偏心率:,(2)空间直角坐标转换为大地坐标:,确定参考椭球是建立参心坐标系的主要依据。通常包括确定参考椭球的形状和大小,确定它的空间位置(参考椭球的定位与定向),以及确定大地原点T的大地纬度BT
10、、大地经度LT及它至一相邻点的大地方位角AT。参考椭球的定位和定向是通过确定大地原点的大地经纬度、大地高和大地方位角来实现的,参考椭球一般采用“双平行”定向条件,即要求椭球的短轴与地球某一历元的自转轴平行,起始大地子午面与起始天文子午面平行。,9.2.2 P54北京和C80西安国家坐标系,目前我国常用的两个国家坐标系1954年北京坐标系和1980年西安坐标系,均是参心坐标系。,9.2.2.1 1954年北京坐标系 1954北京坐系采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体,其椭球参数是:长半轴a为9 378 245m,扁率f为1/298.3,其原点为原苏联的普尔科沃。1954年北京坐标系虽然是苏联194
11、2年坐标系的延伸,但也还不能说它们完全相同。因为该椭球的高程异常是以苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据,按我国天文水准路线推算而得。而高程又是以1959年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,1954年北京坐标系建立之后,在这个系统上,多年来,我国用该坐标系统完成了大量的测绘工作,获得了许多的测绘成果,在国家经济建设和国防建设的各个领域中发挥了巨大作用。但是,随着科学技术的发展,这个坐标系的先天弱点也显得越来越突出,难以适应现代科学研究、经济建设和国防尖端技术的需要,它的缺点主要表现在:(1)克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数相比,误差较大,长半径约大105109m,这不仅对研
12、究地球几何形状有影响,特别是该椭球参数只有两个几何参数,不包含表示物理特性的参数,不能满足现今理论研究和实际工作的需要,对于发展空间技术也带来诸多不便。,(2)椭球定向不明确,即不指向国际通用的CIO极,也不指向目前我国使用的JYD极,椭球定位实际上采用了前苏联的普尔科沃定位,该定位椭球面与我国的大地水准面呈系统性倾斜。东部高程异常达90余米。而我国东部地势平坦、经济发达,要求椭球面与大地水准面有较好的密合,但实际情况与此相反。(3)该坐标系统的大地点坐标是经局部平差逐次得到的,全国天文大地控制点坐标值实际上连不成一个统一的整体。不同区域的接合部之间存在较大隙距,同一点在不同区的坐标值相差12
13、m,不同区域的尺度差异也很大。而且坐标传递是从东北至西北西南,前一区的最弱点即为后一区的坐标起算点,因而坐标积累误差明显,这对于发展我国空间技术、国防建设和国家大规模经济建设不利,因此有必要建立新的大地坐标系统。,9.2.2.2 1980年西安坐标系 1978年,我国决定建立新的国家大地坐标系统,并且在新的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差,这个坐标系统定名为1980年西安大地坐标系统。1980年西安坐标系的大地原点设在我国的中部,处于陕西泾阳永乐镇,椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值,它们为:椭球长半径 a=9378140m;重力场二阶带球谐系数 J2=1.08
14、29310-3;地心引力常数 GM=3.9890051014m3/s;地球自转角速度=7.29211510-5rad/s。因而可得80椭球两个最常用几何参数为:a=9378140m;f=1/298.257。,椭球定位按我国范围高程异常值平方和最小为原则求解参数。椭球的短轴平行于由地球质心指向1998.0地极原点(JYD)的方向,起始大地子午面平行于格林尼治天文台子午面。长度基准与国际统一长度基准一致。高程基准以青岛验潮站1959年黄海平均海水面为高程起算基准,水准原点高出黄海平均海水面72.289 m。1980年西安大地坐标系建立后,利用该坐标进行了全国天文大地网平差,提供全国统一的、精度较高
15、的1980年国家大地点坐标,据分析,它完全可以满足1/5000测图的需要。,9.2.2.3 新1954年北京坐标系 由于1980年西安坐标系与1954年北京坐标系的椭球参数和定位均不同,因而大地控制点在两坐标系中的坐标存在较大差异,最大的达100m以上,这将引起成果换算的不便和地形图图廓和方格线位置的变化,且已有的测绘成果大部分是1954年北京坐标系下的。所以,作为过渡,产生了所谓的新1954年北京坐标系。新1954年北京坐标系是通过将1980年西安坐标系的三个定位参数平移至克拉索夫斯基椭球中心,长半径与扁率仍取克拉索夫斯基椭球几何参数。而定位与1980年大地坐标系相同(即大地原点相同),定向
16、也与1980椭球相同。因此,新1954年北京坐标系的精度和1980年坐标系精度相同,而坐标值与旧1954年北京坐标系的坐标接近。,9.2.3 地方独立坐标系 在我国许多城市测量与工程测量中,若直接采用国家坐标系,则可能会由于远离中央子午线,或由于测区平均高程较大,而导致长度投影变形较大,难以满足工程上或实用上的精度要求。另一方面,对于一些特殊的测量,如大桥施工测量、水利水坝测量、滑坡变形监测等,采用国家坐标系在实用中也会很不方便。因此,基于限制变形,以及方便实用、科学的目的,在许多城市和工程测量中,常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。,建立地方独立坐标系,实际上就是通过一些元素的确定来决定地
17、方参考椭球与投影面。地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球,该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同,其椭球半径1增大为:1=+1,1=Hm+0式中:Hm为当地平均海拔高程,0为该地区的平均高程异常。而地方投影面的确定中,选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线。以某个特定方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位,并选取当地平均高程面Hm为投影面。,9.2.4 高斯平面直角坐标系和UTM,大地测量建立的大地坐标的重要作用之一是为测图服务,传统地图均为平面图,作为测图控制的大地点的坐标也必须是平面坐标。因此,需要将椭球面上各点的大地坐标,按照一定的数学规律
18、投影到平面上成为平面直角坐标。,由于地球椭球面是不可展的曲面,无论采用什么数学规律投影都会产生变形。因此,只能按照满足某种特定需要与用途,对一些变形加以限制,使其减小到适当程度,甚至为零。按变形性质,我们可以将投影分为等角投影、等面积投影、等距离投影以及任意投影。,等角投影也叫正形投影、相似投影。即该投影在小区域范围内使平面图形与椭球面上的图形保持相似。目前世界各国采用最广泛的高斯投影和墨卡托投影(UTM)均是正形投影。,高斯投影和墨卡托(UTM)投影具有如下特征:,(1)椭球面上任一角度,投影到平面上后保持不变。,(3)高斯投影的中央子午线长度比 m0=1,而UTM投影的m0=0.9999。
19、,(2)中央子午线投影为纵坐标轴。,3度带是在9度带的基础上分带,其带号n与相应的中央子午线经度L0的关系为:,高斯投影和UTM投影是正形投影,因此,其角度没有变形,而长度除中央子午线外均存在变形,距中央子午线越远,长度变形越大。为了限制长度变形,根据国际测量协会规定,将全球按一定经差分成若干带。,我国采用6度带或3度带。6度带是自零度子午线起每隔经度差9度自西向东分带,带号n与相应的中央子午线经度L0的关系为,L0=6n-3;n=1/6(L0+3),L0=3n;n=1/3*L0=2n-1,高斯克吕格投影,在我国范围内:3度带号从25-45,6度带号从13-23。,9.3 GPS定位测量中的坐
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- 最终 第九 GPS 数据处理
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