CN101581778B - 利用陀螺全站仪求取隐蔽点itrf框架坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法，步骤如下：在隐蔽点O所在区域任选两控制点A₁和A₂；获取两控制点的ITRF框架坐标且将二者的ITRF框架坐标转换为大地坐标和高斯平面坐标；用陀螺全站仪测出测线A₁A₂、A₁O和A₂O的陀螺方位角及两控制点与点O间的斜距和竖直角；获取测线A₁O和A₂O分别与A₁A₂间夹角和两控制点分别与点O间的平距及高差；计算点O的高斯平面坐标和高程；计算点O的大地坐标；校验；将点O的大地坐标转换为ITRF框架坐标。本发明实现简便且测量结果准确，能解决导弹发射定位、隧洞内点位坐标求取等隐蔽点坐标求取及传统方法中前方交会时引起点位“翻转”的问题。

Description

利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法

技术领域

本发明属于大地测量技术领域，尤其是涉及一种利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法。

背景技术

国际地球自转服务(IERS)根据VLBI、SLR、LLR、GPS、DORIS等多种空间观测技术并综合多个数据分析中心的计算结果，定义的ITRF序列地球参考框架是目前国际上公认的精度最高、稳定性最好的参考框架。ITRF参考框架作为一个三维的、地心的、动态的全球坐标参考框架，已经成为高精度GPS测量和数据分析的坐标基准。由于GPS***的坐标基准为WGS-84，所以在高精度GPS测量中如果需要利用ITRF参考框架，则必须对测量与数据处理中的基准问题进行统一。坐标基准的统一问题通常涉及到GPS地面控制点的坐标基准和基线解算时卫星的星历基准两个方面的内容。

随着IGS(国际GPS动力学服务)的建立，ITRF与GPS的关系更为密切，IERS负责产生与ITRF相关的参数，IGS提供全球GPS观测数据并改进ITRF解的精度。这样，在大范围精密工程测量或形变监测以及在全球范围内研究板块运动问题时，利用ITRF参考框架以及GPS精密星历解算的基线来研究定位问题，在目前是最有现实意义的方法。

ITRF2000参考框架根据IERS筛选的54个核心站作为框架的定向参考站，所以在确定ITRF参考框架基准时，选择全部或者部分IERS核心站在某一历元的坐标作为GPS网平差的基准，则可以确定地面点在相应参考框架下坐标。当地面点由于遮蔽等原因不能直接进行GPS观测，可以考虑利用GPS与全站仪相结合的方法(前方交回原理等)测量相关点位的坐标。但是由于前方交会的方法常常会出现交会点“翻转”的错误结果，如何使前方交会的成果准确无误是一项十分必要且重要的问题。

陀螺全站仪是一种将陀螺仪和全站仪集成于一体且具有全天候、全天时、快速高效独立测定真北方向的精密测量仪器。常用于矿山、隧道、地铁等贯通工程以及导弹发射的定向测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法，其实现简便且测量结果准确，能够有效解决利用前方交会原理求取点坐标时坐标“翻转”的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、在隐蔽点O所在的待测区域内任意选取两个有利于进行GPS观测的控制点A₁和A₂，所选取的两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间均应通视，且两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O不在同一直线上；

步骤二、通过GPS接收机对所述两个控制点A₁和A₂同时进行GPS观测，将所获取的GPS观测数据与同期观测的IGS站数据联合平差处理得出所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标；

步骤三、将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标数据传至处理器进行坐标转换并存储记录：先将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标转换为对应的大地坐标，再将转换求得的大地坐标转换为对应的高斯平面坐标；

步骤四、分别在所述两个控制点A₁和A₂处安置陀螺全站仪，通过所述陀螺全站仪分别对两个控制点A₁和A₂间的测线A₁A₂和A₂A₁以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的测线A₁O和A₂O进行陀螺定向，并测出测线A₁A₂、A₂A₁、A₁O和A₂O的陀螺方位角；同时，分别测出两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角；且将所测得的陀螺方位角数据、斜距和竖直角数据均传至所述处理器进行存储记录；

步骤五、所述处理器根据所述陀螺方位角数据，相应推算得出测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂之间的夹角并存储记录；并且利用两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角数据计算两个控制点A₁和A₂分别与隐蔽点O间的水平距离及高差并存储记录；

步骤六、根据前方交会原理，利用测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂的夹角以及步骤三中求得的控制点A₁和A₂的高斯平面坐标，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高斯平面坐标并记录；再根据两个控制点A₁和A₂的大地高以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的高差，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高程并记录；

步骤七、由所述处理器根据隐蔽点O的高斯平面坐标和高程，计算得出隐蔽点O的大地坐标并记录；

步骤八、校验：由所述处理器根据隐蔽点O的大地坐标以及两个控制点A₁和A₂的大地坐标计算得出测线A₁O和A₂O的大地方位角，并与步骤四中所测得的测线A₁O和A₂O的陀螺方位角数据进行比对检核，当测线A₁O和A₂O的大地方位角和陀螺方位角角值均一致时，表明计算得到的隐蔽点O坐标无误，进入步骤九；否则转入步骤六重新进行计算；

步骤九、通过所述处理器将步骤七中所求出的隐蔽点O的大地坐标，转换得到隐蔽点O的ITRF框架坐标。

本发明与现有技术相比具有以下优点，实现简便且测量结果准确，能有效解决导弹发射定位、隧洞内点位坐标求取等隐蔽点坐标求取问题，通过本发明获取某一隐蔽地点的ITRF框架坐标时，将GPS和陀螺全站仪相结合，根据前方交会的原理，并借助于陀螺全站仪的定向数据来求取隐蔽点的ITRF框架坐标，能够有效解决利用前方交会原理求取点坐标时坐标“翻转”的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中隐蔽点O和所选取两个控制点A₁和A₂的布设位置示意图。

图2为本发明的流程框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明所述的利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法，包括以下步骤：

步骤一、在隐蔽点O所在的待测区域内任意选取两个有利于进行GPS观测的控制点A₁和A₂，所选取的两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间均应通视，且两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O不在同一直线上。

实践中，由于受到周边环境条件的不利影响，难以在隐蔽点O直接安置GPS接收机测量该点的ITRF框架坐标，则需通过前方交会的方法对隐蔽点O的ITRF框架坐标进行间接求取，首先在隐蔽点O附近，任选两个控制点A₁和A₂。另外，选取两个控制点A₁和A₂时，应注意：点A₁和A₂与隐蔽点O均应通视，并且点A₁和A₂之间也应当相互通视；同时，控制点A₁和A₂均应有利于进行GPS观测，也就是说，对隐蔽点O而言，控制点A₁和A₂均不存在有碍于GPS观测的气象条件或其他阻碍条件。所述点A₁和A₂与隐蔽点O组成近似等边三角形效果更好。

步骤二、通过GPS接收机对所述两个控制点A₁和A₂同时进行GPS观测，将所获取的GPS观测数据与同期观测的IGS站数据联合平差处理得出所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标。

实际操作时，分别在控制点A₁和A₂安置GPS接收机，分别对点A₁和A₂进行GPS观测，并将获得的两个控制点A₁和A₂的GPS观测数据分别与同期IGS站数据进行联合平差处理，具体是：进行联合解算基线，然后将点A₁和A₂对应的两个基线文件进行联合平差，得到所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标即A₁(X₁，Y₁，Z₁)和A₂(X₂，Y₂，Z₂)。

步骤三、将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标数据传至处理器

进行坐标转换并存储记录：先将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标

转换为对应的大地坐标，再将转换求得的大地坐标转换为对应的高斯平面5坐标。

本步骤中，首先根据公式

$\left\{\begin{array}{c}L=\arctan \left(\frac{Y}{X}\right)\\ B=\arctan \left(\frac{Z\×(N+H)}{\sqrt{{(X}^2+Y^2}\×[N\×(1-e^2)+H]}\right)\\ H=\frac{\sqrt{{(X}^2+Y^2}}{\cos B}-N\end{array}\right.---\left(1\right)$

由所述处理器分别将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标(X，Y，Z)相应转换为大地坐标(B，L，H)，并分别记录两个控制点A₁和A₂的大地坐标即A₁(B₁，L₁，H₁)和A₂(B₂，L₂，H₂)，具体是将步骤一中计算得出的A₁(X₁，Y₁，Z₁)和A₂(X₂，Y₂，Z₂)分别代入公式(1)进行坐标转换。式(1)中e为地球椭球的第一偏心率；N为卯酉圈曲率半径。

之后，将两个控制点A₁和A₂进行高斯投影，根据公式

$\left\{\begin{array}{c}x=X+\frac{N}{2}\sin B\cos B{l}^2+\frac{N}{24}\sin B{\cos }^{3}B(5-t^2+9{\mathrm{\η}}^2+{4\mathrm{\η}}^4)l^4\\ +\frac{N}{720}\sin B{\cos }^{5}B(61-{58t}^2+t^4)l^4\\ y=N\cos \mathrm{Bl}+\frac{N}{6}{\cos }^{3}B(1-t^2+{\mathrm{\η}}^2)l^3+\frac{N}{120}{\cos }^{5}B(5-{18t}^2+14{\mathrm{\η}}^2-58t^2{\mathrm{\η}}^2)l^5\end{array}\right.---\left(2\right)$

由所述处理器分别将所述两个控制点A₁和A₂的大地坐标(B，L，H)相应转换为高斯平面坐标(x，y)，并分别记录两个控制点A₁和A₂的高斯平面坐标即(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，具体是将本步骤中计算得出的A₁(B₁，L₁，H₁)和A₂(B₂，L₂，H₂)分别代入公式(2)进行坐标转换。式(2)中N为卯酉圈曲率半径；l为计算点与中央子午线间的经度差；t＝tanB；η＝e′²cos²B。e′是地球椭球的第二偏心率。

步骤四、分别在所述两个控制点A₁和A₂处安置陀螺全站仪，通过所述陀螺全站仪分别对两个控制点A₁和A₂间的测线A₁A₂和A₂A₁以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的测线A₁O和A₂O进行陀螺定向，并测出测线A₁A₂、A₁O和A₂O的陀螺方位角；同时，分别测出两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角；且将所测得的陀螺方位角数据、斜距和竖直角数据均传至所述处理器进行存储记录。(图1中N₁和N₂分别为陀螺全站仪在两个控制点A₁和A₂处测量得到的北方向。)

实际操作时，分别在控制点A₁和A₂安置陀螺全站仪，并分别对测线A₁A₂、A₁O、A₂A₁和A₂O进行陀螺定向且相应得到陀螺方位角α_A1A2、α_A1O、α_A2A1和α_A2O；再分别测量控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间的斜距l₁和l₂以及竖直角β₁和β₂；同时，将所测得的陀螺方位角α_A1A2、α_A1O、α_A2A1和α_A2O、斜距l₁和l₂以及竖直角β₁和β₂均传送至所述处理器。

步骤五、所述处理器根据所述陀螺方位角数据，相应推算得出测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂之间的夹角并存储记录；并且利用两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角数据计算两个控制点A₁和A₂分别与隐蔽点O间的水平距离及高差并存储记录。

具体是由所述处理器根据陀螺方位角α_A1A2、α_A1O、α_A2A1和α_A2O，相应计算得出∠OA₁A₂和∠OA₂A₁(设∠OA₁A₂＝γ₁，∠OA₂A₁＝γ₂)；同时，利用控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间的斜距l₁和l₂以及竖直角β₁和β₂，分别计算出控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间的水平距离即平距S₁＝l₁×cosβ₁和S₂＝l₂×cosβ₂以及高差h₁＝l₁×sin β₁和h₂＝l₂×sin β₂。

步骤六、根据前方交会原理，利用测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂的夹角以及步骤三中求得的控制点A₁和A₂的高斯平面坐标即(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高斯平面坐标并记录，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高斯平面坐标并记录；再根据两个控制点A₁和A₂的大地高以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的高差，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高程并记录。

首先，根据前方交会原理公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{x_1\cot {\mathrm{\γ}}_2+x_2\cot {\mathrm{\γ}}_1-y_1+y_2}{\cot {\mathrm{\γ}}_1+\cot {\mathrm{\γ}}_2}\\ y_0=\frac{y_1\cot {\mathrm{\γ}}_2+y_2\cot {\mathrm{\γ}}_1-y_1+y_2}{\cot {\mathrm{\γ}}_1+\cot {\mathrm{\γ}}_2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

将步骤五中所求出的∠OA₁A₂＝γ₁、∠OA₂A₁＝γ₂以及步骤三中求出的两个控制点A₁和A₂的高斯平面坐标(x₁，y₁)和(x₂，y₂)代入式(3)，由所述处理器计算得出隐蔽点O的高斯平面坐标(x₀，y₀)。

之后，根据两个控制点A₁和A₂的大地高即两个控制点大地坐标A₁(B₁，L₁，H₁)和A₂(B₂，L₂，H₂)中的H₁和H₂，以及步骤五中计算得出的控制点A₁和A₂点分别与隐蔽点O之间的高差h₁和h₂，由所述处理器计算得出隐蔽点O的高程 $H_O=\frac{(H_1+h_1)+(H_2+h_2)}{2}.$

步骤七、由所述处理器根据隐蔽点O的高斯平面坐标和高程，计算得出隐蔽点O的大地坐标并记录。

根据公式

$\left\{\begin{array}{c}B=B_f-\frac{t_f}{{2M}_f{N}_f}{y}^2+\frac{t_f^3}{24M_f{N}_f^3}(5+{3t}_f^3+{\mathrm{\η}}_f^2-9{\mathrm{\η}}_f^2{t}_f^2)y^4\\ l=\frac{1}{N_f\cos B_f}y-\frac{1}{6N_f^3\cos B_f}(1+2t_f^2+{\mathrm{\η}}_f^2)y^3+\frac{1}{120N_f^5\cos B_f}(5+28t_f^2+24t_f^4)y^5\\ L=l_0+l\end{array}\right.---\left(4\right)$

将步骤六中所求出的隐蔽点O的高斯平面坐标(x₀，y₀)代入式(4)，同时，结合步骤六中计算得出的隐蔽点O的高程H₀，由所述处理器计算得出隐蔽点O的大地坐标即O(B₀，L₀，H₀)并记录。式(4)中B_f为底点纬度；t_f＝tan B_f；η_f＝e′²cos²B_f；M_f为底点的子午圈曲率半径；N_f为底点的卯酉圈曲率半径；l为计算点(即隐蔽点O)与中央子午线间的经度差。

步骤八、校验：由所述处理器根据隐蔽点O的大地坐标以及两个控制点A₁和A₂的大地坐标计算得出测线A₁O和A₂O的大地方位角(计算方法参见武汉大学出版社出版的《大地测量学基础》，孔祥元、郭际明、刘宗泉编著，2006年1月第1版)，并与步骤四中所测得的测线A₁O和A₂O的陀螺方位角数据进行比对检核，当测线A₁O和A₂O的大地方位角和陀螺方位角角值均一致时，表明计算得到的隐蔽点O坐标无误，进入步骤九；否则转入步骤六重新进行计算。

具体是由所述处理器根据步骤七中计算得出的隐蔽点O的大地坐标即O(B₀，L₀，H₀)，以及步骤三中计算得出的两个控制点A₁和A₂的大地坐标即A₁(B₁，L₁，H₁)和A₂(B₂，L₂，H₂)，计算测线A₁O和A₂O的大地方位角θ₁和θ₂。

之后，由所述处理器将θ₁和θ₂分别与步骤四中通过所述陀螺全站仪测得的测线A₁O和A₂O的陀螺方位角α_A1O和α_A2O相比较，当θ₁和α_A1O的差值以及θ₂和α_A2O的差值均与所述陀螺全站仪的的仪器常数相等，则进入步骤九；否则返回步骤重新进行检查计算。

步骤九、通过所述处理器将步骤七中所求出的隐蔽点O的大地坐标，转换得到隐蔽点O的ITRF框架坐标。

具体是根据公式

$\left\{\begin{array}{c}X=(N+H)\cos B\cos L\\ Y=(N+H)\cos B\sin L\\ Z=[N(1-e^2)+H]\sin B\end{array}\right.---\left(5\right)$

由所述处理器将步骤七中计算得出的隐蔽点O的大地坐标即O(B₀，L₀，H₀)转换为ITRF框架坐标即(X₀，Y₀，Z₀)。式(5)中e为地球椭球的第一偏心率；N为卯酉圈曲率半径。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用陀螺全站仪求取隐蔽点ITRF框架坐标的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、在隐蔽点O所在的待测区域内任意选取两个有利于进行GPS观测的控制点A₁和A₂，所选取的两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O之间均应通视，且两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O不在同一直线上；

步骤二、通过GPS接收机对所述两个控制点A₁和A₂同时进行GPS观测，将所获取的GPS观测数据与同期观测的IGS站数据联合平差处理得出所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标；

步骤三、将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标数据传至处理器进行坐标转换并存储记录：先将所述两个控制点A₁和A₂的ITRF框架坐标转换为对应的大地坐标，再将转换求得的大地坐标转换为对应的高斯平面坐标；

步骤四、分别在所述两个控制点A₁和A₂处安置陀螺全站仪，通过所述陀螺全站仪分别对两个控制点A₁和A₂间的测线A₁A₂和A₂A₁以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的测线A₁O和A₂O进行陀螺定向，并测出测线A₁A₂、A₁O和A₂O的陀螺方位角；同时，分别测出两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角；且将所测得的陀螺方位角数据、斜距和竖直角数据均传至所述处理器进行存储记录；

步骤五、所述处理器根据所述陀螺方位角数据，相应推算得出测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂之间的夹角并存储记录；并且利用两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的斜距和竖直角数据计算两个控制点A₁和A₂分别与隐蔽点O间的水平距离及高差并存储记录；

步骤六、根据前方交会原理，利用测线A₁O和A₂O分别与测线A₁A₂的夹角以及步骤三中求得的控制点A₁和A₂的高斯平面坐标，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高斯平面坐标并记录；再根据两个控制点A₁和A₂的大地坐标中的高程以及两个控制点A₁和A₂与隐蔽点O间的高差，通过所述处理器计算得出隐蔽点O的高程并记录；

步骤七、由所述处理器根据隐蔽点O的高斯平面坐标和高程，计算得出隐蔽点O的大地坐标并记录；

步骤八、校验：由所述处理器根据隐蔽点O的大地坐标以及两个控制点A₁和A₂的大地坐标计算得出测线A₁O和A₂O的大地方位角，并与步骤四中所测得的测线A₁O和A₂O的陀螺方位角数据进行比对检核，当测线A₁O和A₂O的大地方位角和陀螺方位角角值均一致时，表明计算得到的隐蔽点O坐标无误，进入步骤九；否则转入步骤六重新进行计算；

步骤九、通过所述处理器将步骤七中所求出的隐蔽点O的大地坐标，转换得到隐蔽点O的ITRF框架坐标。

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