利用陀螺全站仪求取隐蔽点itrf框架坐标的方法

专利名称：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系统的坐标基准为 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。
4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，本发明釆用的技术方案是 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Ai和A2，所选取的两个控制点Ai和A2与隐蔽点0之间均应 通视，且两个控制点Ai和A2与隐蔽点0不在同一直线上；
步骤二、通过GPS接收机对所述两个控制点A！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Ai和A2的ITRF框架坐标；
步骤三、将所述两个控制点A:和&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Ai和&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Ai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A,和A2间的测线A山和AA以及两个控制点 A和A2与隐蔽点0间的测线Ai0和A20进行陀螺定向，并测出测线A!A2 、 、 A力和A20的陀螺方位角；同时，分别测出两个控制点Ai和&与隐蔽点0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A:0 和A20分别与测线A山之间的夹角并存储记录；并且利用两个控制点A:
和M与隐蔽点0间的斜距和竖直角数据计算两个控制点Ai和A2分别与隐 蔽点0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A,O和A20分别与测线A山的 夹角以及步骤三中求得的控制点A,和A2的高斯平面坐标，通过所述处理器 计算得出隐蔽点0的高斯平面坐标并记录；再根据两个控制点A工和A2的大 地高以及两个控制点A,和A2与隐蔽点0间的高差，通过所述处理器计算得 出隐蔽点0的高程并记录；
步骤七、由所述处理器根据隐蔽点0的高斯平面坐标和高程，计算得 出隐蔽点0的大地坐标并记录；
步骤八、校验由所述处理器根据隐蔽点0的大地坐标以及两个控制 点A!和A2的大地坐标计算得出测线Ai0和A20的大地方位角，并与步骤四 中所测得的测线A力和A20的陀螺方位角数据进行比对检核，当测线A" 和A20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 0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0的大地坐标， 转换得到隐蔽点0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。


图l为本发明中隐蔽点0和所选取两个控制点Ai和A2的布设位置示意图。
图2为本发明的流程框图。
具体实施例方式
如图l、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Ai和A2，所选取的两个控制点Ai和A2与隐蔽点0之间均应 通视，且两个控制点A;和A2与隐蔽点0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0 的ITRF框架坐标进行间接求取，首先在隐蔽点0附近，任选两个控制点^ 和A"另外，选取两个控制点夂和A2时，应注意点Ai和Az与隐蔽点O均应 通视，并且点Ai和A2之间也应当相互通视；同时，控制点Ai和A2均应有利于 进行GPS观测，也就是说，对隐蔽点0而言，控制点A工和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A:和A2与隐蔽点0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A: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A!和A2的ITRF框架坐标。
实际操作时，分别在控制点Ai和M安置GPS接收机，分别对点Ai和A2 进行GPS观测，并将获得的两个控制点Ai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A, 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Ai和A2的ITRF
7框架坐标即Ai(x",Zi)和A2(x2,:r2,z2)。
步骤三、将所述两个控制点A和l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^和A,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。
本步骤中，首先根据公式 Y
L = arctan (—) X
n +^ _Zx(N + H) 、 m
B二arctan ( , -( 1 J
a/(X2+Y2 xlNx(l-e2) + HJ
h = v(x2+y2-n
cosB
由所述处理器分别将所述两个控制点Ai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A,和A2的大地坐 标即A^^，^)和A2(fi2，i:2,i/2),具体是将步骤一中计算得出的Ajx",zJ和 入2(12,72,22)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；iV为卯酉圈曲率半径。
之后，将两个控制点A工和A2进行高斯投影，根据公式
x = X + EsinBcosB/2+^sinBcos3B (5 — t2 + 9 72 +勿4) /4 2 24
+ !sinBcos5B (61-58t2+/4)/4 ( 2 )
720
_y = NcosB/ + 2cos3B (1 —12+/72) /3+!cos5B (5 —18t2+I4772 — 58t27;2) /5 6 120
由所述处理器分别将所述两个控制点Ai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Ai和A2的高斯平面 坐标即(^乃)和(；h),具体是将本步骤中计算得出的A"A,^/0和 人2(52,丄2,//2)分别代入公式(2)进行坐标转换。式(2)中7V为卯酉圈曲率 半径；/为计算点与中央子午线间的经度差；^tai^; ;^尸cos25。 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Ai和A2处安置陀螺全站仪，通过所述
8陀螺全站仪分别对两个控制点Ai和&间的测线A人和AA以及两个控制点 A丄和A2与隐蔽点0间的测线A^和A20进行陀螺定向，并测出测线A^、 A力 和入20的陀螺方位角；同时，分别测出两个控制点Ai和A2与隐蔽点0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&和N2分别为陀螺全站仪在两个控制 点Ai和A2处测量得到的北方向。)
实际操作时，分别在控制点A:和A2安置陀螺全站仪，并分别对测线AA、 A,O、 A人和A20进行陀螺定向且相应得到陀螺方位角"^、 《，、 ",m和c^。；
再分别测量控制点A,和&与隐蔽点0之间的斜距/i和/,以及竖直角A和A; 同时，将所测得的陀螺方位角《^2、 c^。、 m和"^。、斜距/,和/2以及竖直
角A和A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AiO 和A20分别与测线A山之间的夹角并存储记录；并且利用两个控制点A, 和&与隐蔽点0间的斜距和竖直角数据计算两个控制点A工和&分别与隐 蔽点0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 w、 "，、 ",m和"^。，相应计
算得出zo44和zo424 (设zo4A = ri, zo424 = ^ );同时，利用控制点
A工和Az与隐蔽点0之间的斜距/,和4以及竖直角A和A,分别计算出控制点 Ai和A2与隐蔽点0之间的水平距离即平距5^/,xcosA和&"2xcosA以及高差 = /丄x sin A和& = A x sin A 。
步骤六、根据前方交会原理，利用测线和A20分别与测线A山的 夹角以及步骤三中求得的控制点A:和A2的高斯平面坐标即(^力)和(^A), 通过所述处理器计算得出隐蔽点0的高斯平面坐标并记录，通过所述处理 器计算得出隐蔽点0的高斯平面坐标并记录；再根据两个控制点Ai和A2 的大地高以及两个控制点Ai和A2与隐蔽点0间的高差，通过所述处理器计 算得出隐蔽点0的高程并记录。
首先，根据前方交会原理公式<formula>formula see original document page 10</formula>
将步骤五中所求出的Z04,4 = K 、 Z0424 = ^以及步骤三中求出的两个控 制点A:和A2的高斯平面坐标(^乂)和(X2，力)代入式(3),由所述处理器计算 得出隐蔽点0的髙斯平面坐标(x。,y。)。
之后，根据两个控制点A,和A2的大地高即两个控制点大地坐标 Ai(A，A,/0和A2(^，丄2,A)中的&和H2,以及步骤五中计算得出的控制点A!和 A2点分别与隐蔽点0之间的髙差tu和h2,由所述处理器计算得出隐蔽点0的
高程H。^^^y。
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
<formula>formula see original document page 10</formula>
将步骤六中所求出的隐蔽点0的高斯平面坐标(x。，y。)代入式(4)，同 时，结合步骤六中计算得出的隐蔽点0的高程//。，由所述处理器计算得出隐 蔽点0的大地坐标即0(S。,Z。,7/。)并记录。式(4)中^,为底点纬度; tan5,; ;/,w'2cos2 5,; M,为底点的子午圈曲率半径； 为底点的卯酉圈曲率半径；
/为计算点(即隐蔽点0)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0的大地坐标以及两个控制 点Ai和A2的大地坐标计算得出测线A,0和A20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A,0和人20的陀 螺方位角数据进行比对检核，当测线A:0和A20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0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 0(5。,丄。,仏)，以及步骤三中计算得出的两个控制点A:和A2的大地坐标即
A"A,;^)和A2(s2，z2,h2),计算测线A刀和A20的大地方位角《和《。
之后，由所述处理器将《和^分别与步骤四中通过所述陀螺全站仪测得 的测线A:O和A20的陀螺方位角"，和"，相比较，当《和"，的差值以及《和
"，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0的ITRF框架坐标。
具体是根据公式
<formula>formula see original document page 11</formula>
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
0",丄。，仏)转换为iTRF框架坐标即(i。，;r。，z。)。式(5)中e为地球椭球的第 一偏心率；iv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。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号G01C19/00GK101581778SQ20091002306
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者杨建华, 杨志强, 王腾军, 震 石 申请人:长安大学