斑点牛的笔记第1章 大地测量分解.docx
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斑点牛的笔记第1章大地测量分解
第一章大地测量
1.1概述：
1.1.1现代大地测量特点：
高精度，长距离，四维，多学科，地心，快速。
1.1.2大地测量系统和框架：
大地测量框架是大地测量系统的具体实现。
大地测量系统包括坐标系统，重力系统，高程系统，深度基准；大地参考框架包括：
坐标框架，高程框架，重力框架。
大地测量系统包括起算基准，尺度标准，实现方式。
1.1.3大地测量坐标系统和大地测量常数：
大地坐标系按原点分：
地心坐标系和参心坐标系；按表现形式分：
空间直角坐标系和大地坐标系。
大地测量常数分为基本常数和导出常数，基本常数唯一定义了椭球，导出常数便于应用；按属性分为几何常数和物理常数。
4个大地测量基本常数：
赤道半径a，地心引力常数GM，地球动力学形状因子J2，自转角速度（W）。
1.1.4大地测量坐标框架：
1参心坐标框架：
传统大地测量框架由天文大地网维持和实现，全国天文大地网即国家大地网一二等网，由于加测了天文经纬度，所以称为天文大地网，定义在54和80坐标系中，采用整体平差。
（天文测量是通过观测太阳或其他恒星位置，以确定地面点的天文经度、天文纬度或两点间天文方位角的测量工作。
）参心坐标系分：
参心大地坐标系和参心空间直角坐标系。
2地心坐标框架：
国际地面参考框架（ITRF）：
由国际地球自转服务局提供的，是国际地面参考系统（ITRS）的具体实现。
它以甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月（LLR）、GPS、卫星多普勒定轨定位（DORIS）等技术为基础。
2000国家大地控制网是定义在ITRS2000中的区域性地心坐标框架。
区域性地心坐标框架一般三级构成：
1，连续运行站构成的动态地心坐标框架，是主控制；2，与连续运行站联测的大地控制点构成的准动态地心坐标框架；3，加密大地控制点。
1.1.5我国现行高程框架：
现行高程基准是1985黄海高程基准，原点高程72.26，（位于青岛观象山）以正常高系统传递。
水准高程框架由国家二期一等水准网以及国家二期一等水准复测的高精度水准控制网实现。
框架点的现势性由一二等水准点的定期复测来控制。
高程框架的另外一个形式是通过似大地最准面精化来实现。
1.1.6重力参考框架：
重力基准就是标定国家绝对重力值标准。
重力参考系统就是采用的椭球常数及其相应正常重力场。
重力测量框架是指由绝对和相对重力点构成的重力控制网，以及用作相对重力尺度标准的长短基线。
50年代采用波茨坦重力基准，参考系统采用克拉索夫斯基椭球常数，85网采用IGA75椭球常数；2000网采用GRS80椭球常数，联测了85网及中国地壳运动观测网络重力网，使用FG5绝对重力仪。
1.1.7深度基准：
我国采用理论深度基准，是苏联弗拉基米尔计算的理论最低低潮面。
1.1.8时间系统：
时间系统是建立在规定秒长的时间频率基准之上：
包括时刻参考标准和时间间隔尺度标准。
实时服务（6小时以内），快速服务（12小时以内），事后服务（12）
1世界时UT：
地球自转周期为基础。
2力学时DT：
天体星历时间参数。
3原子时AT：
大地水准面上的铯原子内两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准，于1958年1月1日零时开始启用，是目前最准确的时间系统。
4协调时UTC：
世界时时刻和原子时秒长结合的时间系统。
5GPS时GPST：
由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的时间系统，和AT保持19秒的差，并与1980年1月6日零时与UTC保持一致，由于GPS技术的广泛应用，通过与GPS信号来比对本地时间频率标准的情况越来越普遍，大大地计量传递过程的误差。
1.1.9时间框架：
时间框架是指特定覆盖区域内，通过授时，守时，时间频率测量等技术实现和维持的时间系统，是时间系统的具体实现。
1.1.10坐标系统：
原点
基准面
定向
XYZ
传递
大地坐标系
参心
参考椭球面
参考椭球短轴
与短轴垂直为大地赤道面，含有短轴为大地子午面，格林尼治起始子午圈，高程（大地经纬度，大地高）
法线
地心坐标系
地球质心
参考椭球面
国际时间局定义的历元协议地级及零子午线
地心经纬度，地心纬度和大地经度不同，地心经度与大地经度相同。
向径
空间直角坐标系
参心或地心
参考椭球短轴
起始子午线与赤道交线为x,赤道面上与x正交为y,椭球旋转轴为z,右手原则。
各坐标轴投影
站心坐标系
某点
NPE
分极坐标和直角坐标两类
直角：
U轴和法线重合指向天顶，N轴指向参考椭球短半轴，E形成左手系。
极坐标：
极点P，极轴为N轴，极距为极点到任意点的距离，用方位角和高度角表示。
各坐标轴投影
高斯直角坐标系
起始子午线与赤道交点
经过投影改正的平面
中央子午线朝向正北，且长度不变
6度带或者3度带由西向东分带法
高程系统
地心坐标系4个条件：
原点为地球质心；广义相对论下的某局部地球框架内尺度；BIH定义的历元协议地级及零子午线；地球定向参数EOP，定向随时间演变满足地壳无整体运动的约束条件。
1.1.11坐标系转换：
1参心：
54坐标系：
原点在苏联普尔科沃，椭球为克拉索夫斯基椭球，长半轴：
6378245，扁率1/298.3；80坐标系，原点在西安，IUGG推荐的1975椭球参数，长半轴6378140；
2地心：
WGS84：
Z轴指向BIH1984.0定义的协议地级CTP，X轴指向BIH1984.0定义的零子午线与CTP相应的赤道交点，Y轴垂直于XMZ平面，构成右手系。
长半轴：
6378137
2000国家大地坐标系：
Z轴由原点指向历元2000地球参考级方向，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y与Z，X轴构成右手系。
长半轴：
6378137
##3坐标转换：
分为整体转换法，分区转换法。
二维需要2个重合点，适合于小区域转换，分为平面四参数转换模型和二维七参数转换模型；三维3个重合点，适合于任何区域，Bursa七参数转换模型，三维七参数转换模型。
4坐标残差：
依据重合点的残差中误差来评估坐标转换精度。
V残差=重合点转换坐标-重合点已知坐标。
分量残差中误差Mx=+-√（[vv]x）/（n-1）
点位残差中误差Mp=√（Mx*Mx+My*My+Mz*Mz）
四参数转换模型：
x2=Δx+x1（1+m）cosa-y1（1+m）sina
y2=Δy+x1（1+m）cosa-y1（1+m）sina
（ΔxΔy为两个平移参数，a为旋转参数，m为尺度参数。
）
Bursa七参数转换模型：
x2=Δx+x1（1+m）-εy*z1+εz*y1
y2=Δy+y1（1+m）+εx*z1-εz*x1
z2=Δz+z1（1+m）-εx*y1+εy*x1
（ΔxΔyΔz为三个平移参数，εxεyεz为旋转参数，m为尺度参数。
）
5转换流程：
1收集整理重合点资料，2选取用于转换的重合点，3确定计算方法和转换模型，4计算转换参数，5分析残差，根据转换残差剔除粗差，6残差精度合格后计算最终转换参数并评估精度，7根据转换参数计算目标坐标系坐标。
6布尔沙适用于大范围，莫洛坚斯基用于小范围。
不同大地坐标系之间转换，要先各自转为空间直角坐标系，再通过三维模型求转换参数。
1.2传统大地控制网
1.2.1建设方法：
三角测量，导线测量，边角测量，三边测量
1三角测量：
结构强度强，检核条件多，网状分布，控制面积大，精度高，地形限制小；缺点是隐蔽地区布网困难，边长精度不均，加测起算数据可以弥补。
2导线测量：
布设灵活，边长精度均匀，应用普遍。
缺点：
几何条件少，结构强度低，控制面积小。
西藏地区天文大地网主要采用此法。
3三边测量和边角法：
只在特殊情况下使用。
1.2.2三角网布设原则：
1分级布网，逐级控制；2有足够精度；3有足够密度（1:
5万3个点，1:
2.5万2-3个点，1:
1万1个点）；4有统一规格；5保证精度和密度情况下可以跨级。
1.2.3全国天文大地网整体平差：
78年-84年。
消除了分级分区平差的不利影响，建立了80国家大地坐标系，为精化地心坐标系提供了条件。
技术原则如下：
1地球椭球参数采用IAG75椭球参数；2建立地心和大地两套椭球相同的坐标系统；380坐标系的椭球短轴应平行于地球质心指向1968.0地极原点（JYD）方向，首子午面平行于格林尼治子午面。
椭球定位参数以我国范围内高程异常值平方和最小求定。
1.2.4经纬仪和光电测距仪
1经纬仪分为光学经纬仪，电子经纬仪，全站仪。
2经纬仪指标
光学经纬仪指标
等级
DJ07
DJ1
DJ2
DJ6
DJ30
测角中误差
<=0.7
<=1
<=2
<=6
<=30
用途
一等三角
一二等三角
三四等三角
地形测量
普通测量
电子经纬仪指标
等级
一
二
三
四
标称标准偏差
0.51.0
1.52.0
3.05.06.0
10.0
标准偏差范围
<=1.0
1.02.06.0光电测距仪指标：
短程<3km，中程3-15，长程15-60。
归算到1km的标准差如下：
等级
中短程
长程
一
m<=（1+D）
m<=（5+D）
二
（1+D）三
（3+2D）四
m>（5+5D）
m单位mm,D单位为千米
经纬仪检校：
行业标准《光学经纬仪》，《全站仪电子速测仪》，《光电测距仪》。
1.2.5测水平角方法：
方向观测法，三四等二等低标三角网；分组观测法，大于6个方向；全组合观测法，一等高标二等三角网。
等级
仪器
测回数
二
J07
15
J1
12
三
J07
6
J1
9
J2
12
四
J07
4
J1
6
J2
9
1.2.6三角点观测程序：
1准备工作：
安装仪器，确定仪器整置中心，测定归心元素，测伞，整置仪器，选择零方向，编制观测度盘表。
2开始观测：
《国家三角测量和精密导线测量规范》
3计算：
离开本点前，完成对成果计算检查，埋封标石。
4外业验算内容：
1检查外业资料，观测手簿记簿、归心投影用纸；2编制已知数据表和绘制三角锁图；3三角形近似球面边长计算，球面角超级算；4归心改正计算，并把观测方向值化至标石中央；5分组的测站平差；6三角形闭合差和测角中误差计算；7近似坐标和曲率改正计算；8极条件闭合差，基线条件闭合差，方位角条件闭合差计算
1.2.7垂直角观测方法：
三角高程测量：
中丝法，四测回；三丝法，两测回。
1.2.8高差计算公式：
h=S*tga+CS2+i-b
h=D*sina+（1-C）*D2cos2a/2R+（1-H/R）+i-b
m=±0.025S
（s为平距，a为垂直角，c为球气差系数，i为仪器高，b为觇标高，H为照准点大地高，m为最不利情况下高差中数中误差m单位米，S单位千米）
1.2.9大气垂直折光系数：
中午附近最小，较稳定；日出日落前后较大，变化快。
可以通过选择观测时间，对向观测，提高观测视线高度，利用短边传算高程来减弱影响。
1.2.10导线布设
等级
长度
节长度
边长
节边数
测角中误差
边长相对中误差
1
1000-2000
100-150
10-30
<7
0.7
<1:
25万
2
500-1000
100-150
10-30
<7
1.0
<1:
20万
3
附合<200
7-20
<20
1.8
<1:
15万
4
附合<150
4-15
<20
2.5
<1:
10万
1一端有已知方向的最弱边方位角中误差：
M=±√（m12+nm22）不考虑已知点的话M=±√n*m2
2两端有已知方向的最弱边方位角中误差
M=±（√2m12+（n+1）m22）/4M=±√（n+1）*m2/2（）
（m1为已知方位角中误差，m2为折角观测中误差，n为折角个数）
1.2.11导线测量程序：
1选点造标埋石
2边长测量：
一二等用长程测距仪
项目
一二等
每边观测总测回数
16
最少观测时间段
往返测或者不同时间段测
每时间段观测的最多测回数
10
同时间段气象改正后测回互差限值
20
一测回读数次数
4
一测回读数互差限值
20
不同时间段气象改正和归心改正后测回互差限值
5+3S（S单位为千米）
三四等用中程测距仪
等级
测距仪等级
往测
返测
备注
3
1
2
2
或用不同时间段代替往返测
3
2,3
4
4
4
1,2
2
2
4
3
4
4
3水平角观测：
2个方向各等级全采用角测量法，多于2个时一二等采用全组合法，至少分两个不同时间段。
三四等采用方向观测法，其他要求和限差等同于三角测量。
水平角观测方向权数或者测回数：
仪器
1
2
3
4
J1
60方向权数
40方向权数
12测回
8测回
J2
16
12
4垂直角观测中丝法6测回，三丝法3测回。
（三角测量时分别为4，2）
5概算：
检验外业质量为平差做准备。
1.3GNSS连续运行基准网
1.3.1构成：
基准站，数据中心，通信网络。
1.3.2分类：
国家基准站网，用于维持更新国家地心坐标参考框架，站间距100-200km；区域基准站网，用于维持更新区域地心坐标参考框架，应与国家地心坐标参考框架保持一致，厘米级站间距不大于70km，分米级站间距大于70km；专业应用网，用于专业机构开展专业信息服务，宜与国家地心坐标参考框架建立联系网。
1.3.3基准站建设：
1技术设计：
设计前收集相关图件资料及其他资料，在图上拟选站址，标注相关信息确定位置名称编号。
堪选完成后进行施工设计以及设备集成等设计。
应提交技术设计方案以及点位设计图，站点位置信息表，施工设计图等资料
2选址：
1，环境条件：
观测环境。
（注意事项：
10度以上地平高度角卫星通视条件，远离多路径，电磁200m，避开振动不稳定带，应进行24小时实地环境测试，对于国家和区域基准站，数据可用度大于85%，多路径影响小于0.5m，对于专业应用网，按实际情况执行。
）2，地质条件：
基岩，站址地质稳定性，不易被水淹或地下水位变化不大。
3，依托条件，便于接入通信网络，有稳定电源，交通便利，良好的土建条件，有建设用地和基础设施保障有良好的安全保障环境。
4其他，周围重力点、大地控制点、水准点联测。
3提交成果：
1堪选技术报告2站点照片3用地文件4地质勘察证明5点之记6实地测试数据及分析7其他资料
4##不适合设立基准点地点：
断层等地质不稳定带，地面局部变形地点，易受水淹或潮湿地点，距铁路200m公路50m内等振动剧烈地点，附近有建设项目影响观测视线，多路径效应严重及高压线100m内通信设备等强磁场地点。
1.3.4基建：
1观测墩：
一般为钢混结构，分基岩，土层，屋顶。
2观测室：
面积不小于20平方；地基牢固，防水防雷防风防动物，电力线和信号线分开埋设；温度和湿度要维持设备正常运转。
3工作室：
面积20平米左右，供人员管理使用。
4防雷工程：
包括防雷地网，防雷带，避雷针。
按二类标准设计。
5辅助工程：
道路等室外工程以及管线敷设工程。
6提交成果：
工程概预算书，用地证明及建设许可证，土建过程照片，防雷检测报告，竣工图，施工报告，点之记，测量标志保管书，建站工作技术总结，其他建设资料。
1.3.5设备：
1接收机:
1跟踪不少于24卫星；2至少1Hz采集数据能力；3观测数据：
包括双频测距码，双频载波相位值，卫星广播星历；4-30到+55，湿度95%环境下正常工作能力；5具有外接频标输入口，可佩5或10mhz外接频标；6可接自动气象仪并存储数据；
2天线：
1相位中心稳定性优于3mm；2具有抗多路径扼流圈或抑径板；3抗电磁能力；4定向指北标志；5-40到+65环境下正常工作；6极端地区应配防护罩。
3气象设备：
1可连续测定气象元素；2气压测定精度0.1hpa，温度测定精度0.5度，湿度测定精度1%；3可设置采集间隔；4有数据通信接口；
4电源：
1单相市电加装在线性UPS；2后备电源要能维持12小时；3电源线路接地4具备电涌防护能力。
电涌被称为瞬态过电，是电路中出现的一种短暂的电流
5计算机及软件：
1国家基准站应配备，其他看情况；2符合工业标准；3最少4个通信端口，包括rs232,usb,lan；4具有连续存储一年1HZ观测数据能力；5应用软件应有数据下载，格式转换，自动存储传输，设备监控能力；6应选用商用软件或自行研制
1.3.6数据中心：
数据管理系统，数据处理分析系统，产品服务系统，数据中心机房
1数据管理系统：
监控设备，管理源数据。
2数据处理分析系统：
处理分析源数据，生成成果。
3产品服务系统：
产品内容分基本和高级两类
基本产品
高级产品
国家基准站网
多种采样率Gnss原始数据，气象观测数据，基准站信息，站坐标及精度，站速度
坐标时间序列，事后及预报精密星历，精密卫星钟差，电离层及对流层模型信息
区域基准站网
多种采样率Gnss原始数据，气象观测数据，基准站信息，站坐标及精度
实时载波相位和伪距差分数据
专业应用网
多种采样率Gnss原始数据
根据专业特性提供数据产品
服务内容包括位置服务，时间服务，气象服务，地球动力学服务，源数据服务
4数据中心机房：
1机房建筑：
主体结构耐久抗震阻燃性材料；2机房供电：
按设备总用电20-25%预留，考虑应急照明系统的自动切换和消防系统的联动；3空调系统：
保障温度湿度通风符合设备需要；4电涌防护：
安装过压保护装置，设备接入端安装防雷系统和防电涌系统；5安防系统：
安装消防设备，门禁
5计算机与网络：
1根据数据管理需求配置计算机设备；2根据数据产出容量配置存储设备；3接入的通信线路应选择专线，带宽不低于2M，条件允许下应配备备用链路；4建立局域网，带宽不低于100M；5接入设备选用安全认证的设备；6符合国家计算机信息系统安全要求
3.7数据通信网络
要求：
1TCP/IP；2基准站接入端采用有线专线、无线扩频；数据中心接入端采用有线专线、卫星通信；3数据中心到用户实时通信采用GSM、GPRS、CDMA、3G；4数据中心到用户事后通信采用有线方式；
基准站接入端：
1通信速率大于64k；2误码率小于10-83链路可用性大于95%
数据中心接入端1通信速率大于2M；2误码率小于10-93链路可用性大于98%；4实时定位基准站数据中心最低接入带宽：
64K*基准站数，基准站到数据中心通信延迟应小于500ms，数据中心到用户延迟小于1s。
3.8基准站网测试
1基准站数据采集数据完整性；2数据传输稳定性，通信延迟大小；3数据中心对基准站的监控能力；4实时定位的覆盖范围和有效时间；5产品的服务内容和精度指标；6其他内容
3.9基准站网维护
1保障全年每天24小时运行，必要时加报警系统；2定期进行设备检查，必要时设备更新；3定期与国际IGS站进行联测，维持坐标框架更新；4对水准标志按照国家水准联测纲要定期测定；5对重力标石与国家重力基本网定期联测
1.4卫星大地控制网
1.4.1GNSS等级网：
1A级由卫星定位连续运行基准站构成，用于建立国家一等大地网，全球性的地球动力学研究，地壳形变测量，卫星精密定轨测量
2B级用于建立国家二等大地网，建立地方或城市坐标基准框架，区域性的地球动力学研究，地壳形变测量，精密工程测量。
3C级用于建立国家三等大地网，以及区域，城市及工程测量控制网。
4D级用于建立四等大地控制网。
5E级用于测图，施工控制网
级别
坐标年变化率中误差
相对精度
地心坐标各分量年均中误差mm
水平分量mm
垂直分量mm
A
2
3
10-2ppm
0.5
级别
相邻点基线分量中误差
相邻点间坐标距离km
水平分量mm
垂直分量mm
B
5
10
50
C
10
20
20
D
20
40
5
E
20
40
3
##6大地控制网：
1一等由卫星定位连续运行基准站构成，实现三维动态地心坐标的现势性和精度。
地心坐标各分量中误差年均0.5mm，相对精度不低于10^-2ppm，坐标年变化率中误差水平方向2mm，垂直方向3mm。
应布设在一等水准点结点处。
2二等对一二等水准稳定性监测，精化似大地水准面，为三四等提供起始数据。
相邻点水平分量5mm，垂直分量10mm，相对10^-1ppm，距离不超过50km。
均匀布设，考虑应用对水准网监测要求。
复测周期5年，执行时间不超过2年。
3三等省级控制网，满足基本比例尺测图需求，精化省级似大地水准面。
相邻点水平分量10mm，垂直分量20mm，相对1ppm，距离不超过20km。
布设在三四等水准路线上，根据需要复测。
4四等为三等的加密，相邻点水平分量20mm，垂直分量40mm，相对10ppm，距离不超过5km。
根据需要复测。
5步骤如下：
技术设计（收集资料，实地踏勘，图上设计，编写技术设计书），选点，做标，埋石，观测，数据处理，质量控制。
6同步环计算：
同步环个数=（设计观测点数-1）/（同步仪器总数-1）
观测总天数：
每点观测所需天数*同步环个数。
级别
b
c
d
E
闭合环边数
6
6
8
10
1.4.2布设：
1技术设计
1设计前收集测区范围已有卫星定位连续运行基准站、各种大地点位资料、地质资料，以及测区总体建设规划和近期发展资料；2设计时分析资料，实地勘察，图上设计。
还要制定与已有GPS连续运行基准站，国家三角点，水准点的联测方案；3设计后提交野外踏勘技术总结和测量任务书与专业设计书
2分区设计：
相邻分区之间公共点至少要有4个。
分区接收机总数要符合下表：
2选址埋石
1选点原则：
1B级必须选在一等水准路线结点或一等与二等水准结点处，应建于基岩上，如水准点3km内无基岩，可以建在土层上；2C级点应建于基岩上，如无基岩可以选在土层上；3均匀布设，满足gps观测条件和水准联测条件；4应得到土地管理者同意。
2选点要求：
1人员由测绘工程师和地质师组成，充分了解测区信息；2实地勘察；3选在能长期保存，满足观测拓展条件的地点，做好标记；4避开环境变化大，地质不稳定地区，远离无线发射源，高压线至少200m；5避开多路径影响，点位周围保持高度角15度以上无遮挡，困难地区高度角大于15度遮挡物水平投影范围总和不超过30度，50米内固定与变化反射体应标注在点之记环视图上；6必须绘制水准联测示意图；7提交选点图，点之记信息，实地选点情况说明，对埋石的建议；
3点的制作：
B基岩GPS、水准共用标石；C基岩GPS、水准共用标石；土层GPS，水准共用标石；E基岩GPS、水准共用标石；土层GPS，水准共用标石；楼顶GPS，水准共用标石
1.4.3观测：
土层点埋石结束一个雨季后，如冻土深度大于0.8m要经过一个冻解期，岩层标
石一个月后才可观测。
1技术要求
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