GPS大地测量坐标系统及高程系统转换

GPS大地测量坐标系统及高程系统转换学院：武汉大学班级学号：200953103417学生姓名：程卫旗指导教师：黄声享武汉大学-1-摘要GPS(GlobalPositioningSystem)测量具有全天候、快速、经济等诸多优点,但是长期以来,工程应用领域只是利用了GPS测量中的平面位置信息,浪费掉了高程信息,也就是没有充分利用并开发GPS资源。如果GPS水准方法在一定范围内可替代低等级几何水准测量,不仅可以获得可观的经济效益,而且也为通过GPS测量确定大地水准面的研究提供了参考。因此,GPS测定正常高的研究具有一定的科学价值及现实意义。GPS观测数据经处理后，可以得到两点间基线向量及高精度大地高差，若已知一点大地高，便可求得全网任一点的大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统，而我国采用的是以似大地水准面为基准的正常高系统，因此，需将大地高转换为正常高。关键词：GPS,高程系统转换武汉大学-2-目录1绪论.....................................................-3-1.1引言..................................................-3-1.2GPS全球定位系统简介..................................-3-1.3GPS系统发展现状......................................-4-1.4我国高程系统现状.....................................-5-1.5GPS高程转换概况......................................-5-1.6本论文所研究的内容...................................-6-2高程基准起算面及其相互关系...............................-6-2.1平均海平面与高程基准面...............................-6-2.2大地水准面与似大地水准面.............................-8-2.3参考椭球面与大地水准面的关系........................-10-3GPS大地测量坐标系统及高程系统..........................-11-3.1坐标系统分类........................................-11-3.1.1空间直角坐标系..................................-12-3.1.2平面直角坐标系..................................-13-3.1.3大地坐标系......................................-13-3.2GPS测量中常用的坐标系统.............................-13-3.2.1WGS-84坐标系..................................-13-3.2.21954年北京坐标系................................-13-3.3坐标间的转换关系...................................-14-3.3.1空间直角坐标转换为空间大地坐标..................-14-3.3.2大地坐标转换为高斯平面直角坐标..................-15-3.4高程系统与高程基准..................................-17-3.4.1大地高系统......................................-17-3.4.2正高系统........................................-17-3.4.3正常高系统......................................-17-3.4.4三种高程系统间的关系：..........................-18-结论......................................................-19-参考文献..................................................-20-武汉大学-3-1绪论1.1引言大地水准面是与平均海平面最接近的一个重力等位面，大地水准面表征了地球的基本几何和物理特性，不论从大地测量发展需要还是从其对地学相关研究和服务经济建设的重要作用来看，不断精化全球和区域大地水准面是大地测量学的最重要的任务之一。大地水准面或似大地水准面是一个国家高程系统的起算基准面，其格网数值模型可以看作一种测定正常高的参考框架。水准测量的参考基准只是大地水准面上一个特定的点，即在一个选定的验潮站上确定的平均海面上的一点，且假定此平均海面就是大地水准面，其他所有地面点的正常高都要从这一点出发，通过水准测量路线的高程传递来测定，由精密水准测量建立的国家高程控制网，是水准测量测定高程的由精密GPS大地高测量可以确定所测点的正常高由下式计算NHh正或Hh正常N和ζ分别为大地水准面差距和高程异常，N和ζ由大地水准面模型提供，因此可以认为所用模型起到了由GPS测定正常高的参考框架作用。从这个意义上说，建立和精化大地水准面模型，就是现今GPS定位时代建立和维护国家高程参考框架，和建立国家高精度GPS定位网或传统的国家高程控制网具有同样重要的意义，也是一个国家发展测绘事业的一项大地测量基础建设。1.2GPS全球定位系统简介GPS全球定位系统的英文全称是“NavigationbySateliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem”。该系统于1973年12月由美国国防部批准他的海陆空三军联合研制，最初作为军事用途。该系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简单、应用广泛等优点，可向各类用户提供精密的三维坐标、速度、时间信息。自1974年起，经历了方案论证、系统研制、生产作业三个阶段。GPS分为三大部分：空间部分（GPS卫星星座）、地面控制部分（主控站、监测站和注入站）、用户设备部分（GPS接收机）。GPS系统地空间部分由24颗卫星组成（其中3颗为备用），其基本参数是：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km,轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），载波频率为1575.42MHz和1277.60MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任武汉大学-4-何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。在用GPS信号卫星导航时，为解算测站上的三维坐标，必须观测4颗以上的GPS卫星，简称定位卫星。这些卫星在观测过程中的位置几何分布对定位精度有一定的影响。导航定位时,把GPS卫星作为动态已知点，来解求待定点的状态参数。卫星的位置是由卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。GPS卫星所播发的星历，是由地面监控个系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的5个地面站组成，包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站设在美国本土科罗拉多。其任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态参数及大气船舶改正后编制哼导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。此外，自动向主控站发射信号。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。其主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。GPS用户设备包括接收机硬件和机内软件及GPS数据的后处理软件包。GPS信号接收机的任务是：能够捕捉到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到得GPS信号进行交换、放大和处理，以便于测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度的测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运动轨迹。1.3GPS系统发展现状面对国际经济政治形势的新变化和空间导航定位技术的竞争，美国在实施GPS现代化计划，该计划的目的是：无论是军用还是民用方面，使GPS系统在精确性、可用性、完整性、可靠性上都有所提高。具体措施有：取消GPSSA政策（2000年5月1日开始实施）；改善地面监控系统；发射BlockⅡR卫星更换BlockⅡ/ⅡA、BlockⅡF、BlockⅢ（GPSⅢ）卫星，武汉大学-5-使在轨卫星由24颗增加到30颗，从而改善星座的构型，定位时可选卫星更多，几何形态更好。而且，新卫星的自导航能力使卫星在在无需地面干预的情况下，通过星际数据链进行卫星间的在轨数据通讯，通过星座中其他卫星每小时更新4次星历和时钟数据。系统可保持180天自主导航服务，还可进行完善性监视和报告，用户测距误差（URE）等。1.4我国高程系统现状目前我国采用的高程基准和高程系统是黄海1985高程基准和正常高系统，主要由国家二期一等和二等水准网所构成的国家高程控制网，以实现这一高程基准和系统。二期一等、二等水准网分别于1977-1981年和1982-1988年完成。一等水准网路线总长9.4万km，二等为13.6万km。国家高程控制网点（水准标石）总计约5.3万个，平均分布密度约为1:15km15km。我国在上一世纪建成的这一高程基准和高程控制网为我国的建设和发展提供了全国统一协调的可靠的高程，这是我国在这一时期地理空间基础框架的主干之一。当前国家高程控制网面临的问题主要表现为两个方面：一方面是目前高程控制网的现势性差；另一方面是我国向用户提供高程主要方式目前仍是经典的，即用户必须通过与国家高程控制网点的水准联测来传递和获得高程，但他测定的高程是大地高，不是用户需要的正常高或海拔高。因此用户常常要求将GPS定位获得的大地高转换为我们采用的高程，即正常高。我国高程控制网在当今现代化的具体内容包含两个方面。即在维持85黄海高程基准和正常高的高程系统不变的基础上，一是施测新的国家高程控制网，即（三期）一等水准网；二是推算我国大陆厘米级精度的（似）大地水准面。所以，高程系统转换技术在今后的高程测量中将起到重要的作用。1.5GPS高程转换概况GPS观测数据经转换、平差等数学处理后，可得到两点间的基线向量及高精度的大地高差。若已知一点的大地高，即可求的全网各点的大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统，但是，我国采用的是正常高系统，目前常用的工程测量和高程放样是以铅垂线和水准面为依据的水准测量来实施的，在实际工程中一般采用正常高系统。因此，在工程应用中应将GPS大地高转换为相应的正常高。目前，广泛采用的高程转换方法主要有GPS重力高程、GPS三角高程和GPS水准高程，其中，GPS水准高程使用最多。GPS水准高程的基本原理是：在一部分GPS点上进行水准联测，得到这一部分点的正常高，由这一部分点的高程异常选择一定的模型来拟和似武汉大学-6-大地水准面，从而求出待定点的正常高。1.6本论文所研究的内容本论文对以下几个问题进行了研究：(1)介绍了GPS测量中常用的一些坐标系统及其特点，并分析这些坐标系间的内在联系，总结