地心大地坐标系的定义课件.ppt

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1、2.2.1 GNSS坐标系统,天球坐标系和地球坐标系:,全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。,坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系。 由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。 不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。,经典大地测量中的坐标系统,常见的坐标系统空间直角坐标系大地坐标系平面

2、直角坐标系,地心空间大地直角坐标系的定义: 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。,地心大地坐标系的定义: 地球大地坐标系的定义是：原点与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图表示：,一、地心坐标系统,直角坐标系和大地坐标系,1、大地坐标系（geodetic coordinate system）,参考椭球,一、地心坐标系统,1、大地坐标系（geodetic coordinate system）,参考椭球,测站法线：PKP测站大地

3、子午面：NP0S,大地坐标（B，L，H）,一、地心坐标系统,地面点大地经度：L， 0o360o或0o180o地面点大地纬度：B， 0o90o地面点大地高：H，可正可负。,1、大地坐标系（geodetic coordinate system）,大地坐标（B，L，H）,参考椭球,一、地心坐标系统,原点：椭球中心OZ 轴：与椭球短轴重合，指 向北极方向X轴：指向起始大地子午面与椭球赤道的交点方向Y轴：构成右手坐标系,原点及轴向,2、大地空间直角坐标系（space rectangular coordinate system）,参考椭球,一、地心坐标系统,2、大地空间直角坐标系（space rectan

4、gular coordinate system）,地面点X坐标：,大地空间直角坐标（X，Y，Z）,地面点Y坐标：,地面点Z坐标：,参考椭球,一、地心坐标系统,地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。,一、地心坐标系统,地球瞬时坐标系与协议地球坐标系,一、地心坐标系统,天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站

5、以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO (Conventional International Origin),一、地心坐标系统,国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 。,一、地心坐标系统,平地球坐标系和瞬时（真）地球坐标系,瞬时（真）地球坐标系 Z轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系,平地球坐标系 Z轴指向空间中某一固定点（平极）的地球坐标系,平地球坐标(X,Y,Z)和瞬时（真）地球坐标(x,y,z)的转换关系,一、地心坐标系统,CIO-B

6、IH经度零点 通过CIO和天文经度零点的子午线称为起始子午线，其与CIO赤道的交点称为赤道参考点或CIO-BIH经度零点,一、地心坐标系统,Slide 17,3、WGS-84坐标系,一、地心坐标系统,类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）定义:原点：地球的质心 Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向 X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点 Y轴：和Z,X构成右手系椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）,一、地心坐标系统,长半径： a=63781372（m）；地球引力常数： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2；正常

7、化二阶带谐系数： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8,地球自转角速度： =729211510-11rads-10.15010-11rads-1,一、地心坐标系统,背 景,上世纪八九十年代以来，国际上通行以地球质量中心作为坐标系原点，采用以地球质心为大地坐标系的原点，可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象, 特别是空间物体的运动。,4、2000国家大地坐标系,一、地心坐标系统,国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；2000国家大

8、地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向（该历元的指向由国际时间局（BIH）给定的历元为1984.0的初始指向推算）,定义,一、地心坐标系统,采用2000国家大地坐标系的必要性,二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。表示两点之间的距离精确度也比用现代手段测得的低10倍左右。比如将卫星导航技术获得的高精度的点的三维坐标表示在现有地图上，不仅会造成点位信息的损失(三维空间信息只表示为二维平面位置)，同时也将造成精度上的损失。,一、地心坐标系统,参考椭球参数。随着科学技术的发展，国际上对参考椭球的参数已进行了多次更新和改善。

9、1980西安坐标系所采用的IAG1975椭球，其长半轴要比现在国际公认的WGS84椭球长半轴的值大3米左右，而这可能引起地表长度误差达10倍左右。,一、地心坐标系统,维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大，维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点，与国际上通用的地面坐标系如ITRS，或与GPS定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向(BIH1984.0)不同。,一、地心坐标系统,二、参考椭球面和参心坐标系,1、椭球定位和定向概念 椭球的类型: 参考椭球: 具有确定参数(长半径 a和扁率)，经过局部定位和定向，同某一地区

10、大地水准面最佳拟合的地球椭球. 总地球椭球: 除了满足地心定位和双平行条件外，在确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球.,二、参考椭球面和参心坐标系,参心坐标系的特点,二、参考椭球面和参心坐标系,经典大地测量中的坐标系统,定义一个坐标系统，包含哪几个基本要素？建立参心坐标系的出发点是什么？建立一个参心大地坐标系，必须解决哪些问题？,二、参考椭球面和参心坐标系,2、地球参心坐标系 建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：选择或求定椭球的几何参数(半径a和扁率)。确定椭球中心的位置(椭球定位)。确定椭球短轴的指向(椭球定向)。建立大地原点。,二、参考椭球面和参心坐标系,大地原点

11、和大地起算数据 大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标志.,二、参考椭球面和参心坐标系,地心坐标系坐标原点位于地球质心,参心坐标系坐标原点不位于地球质心,思考：和地心坐标系统的定义有何区别？,二、参考椭球面和参心坐标系,地心坐标系和参心坐标系的特点地心坐标系适合于全球用途的应用参心坐标系适合于局部用途的应用有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好保持国家坐标系的稳定有利于地心坐标的保密,二、参考椭球面和参心坐标系,3、 我国的大地坐标系,1954年北京坐标系类型：参心坐标系建立：与苏联1942年普尔科沃坐标系联测椭球：克拉索夫

12、斯基椭球问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好,二、参考椭球面和参心坐标系,存在问题：（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。,二、参考椭球面和参心坐标系,1980年国家大地坐标系类型：参心坐标系建立：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新 的椭球元素，进行了定位和定向大地原点：陕西省泾阳县永乐镇椭球：1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会,二、参考椭球面和参心坐标系,特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基 础上建立起

13、来的。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。,二、参考椭球面和参心坐标系,三、 天球坐标系,天球以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。,为了确定卫星、宇宙飞船等在宇宙空间的位置和飞行状态，首先需要确定一个在宇宙空间可视为不变的参考系。假设以地球的质心M为球心，半径为无穷大的球存在于宇宙空间，天文学中称之为天球。,1、天球坐标系的两种表示方法,天球球面坐标系 (赤经，赤纬，向径)天球空间直角坐标系 (X,Y,Z),二、 天球坐标系,二、 天球坐标系,天轴:地球自转轴的延伸线,天极:

14、天轴与天球的交点,天(球)赤道面：通过地球质心，与天轴垂直的平面,天球子午面：包含天轴,并通过天球上任何一点的平面,二、天球坐标系,地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。,天球空间直角坐标系的定义:,地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r，）。,天球球面坐标系的定义 :,天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示：,二、 天球坐标系,实际地球

15、的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变而使春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动,二、 天球坐标系,二分点由西向东缓慢漂移（也称为“旋进”）。这一现象在我国被称之为岁差。,二、 天球坐标系,月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，周期约为18.6年。这种现象称为章动。,二、 天球坐标系,2、三种天球坐标系,瞬时真天极,瞬时平天极,一个特定时刻，即标准历元：2000.1.15：的瞬时平天极,二、 天球坐标系,瞬时极（真）天球坐标系瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点坐标轴指向随时间

16、变化瞬时平天球坐标系瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点经过了章动改正标准历元的平天球坐标系相应标准历元（2000.1.15）的一个特定时刻的平天球坐标系经过了标准历元到观测历元的岁差改正,二、 天球坐标系,由国际协议规定一确定的特殊时刻为标准历元，此标准历元 所对应的平天球坐标系是一个唯一的平天球坐标系称之为协议天球坐标系或称为协议惯性系（conventional inertial system, CIS）。 国际上规定，以2000年1月15日TDB（太阳系质心力学时）为标准历元（计为J2000.0即儒略日JD2451545.0）。国际大地测量学会（IAG）和国际天文学联合会（IAU）决定

17、从1984年1月1日后启用的协议天球系，就是以标准历元(J2000.0)所定义的平天球坐标系。,二、 天球坐标系,任一观测历元t的瞬时真天球坐标系，经过该瞬时到标准历元的章动、岁差改正，均可归算到标准历元的平天球坐标系协议天球坐标系（CIS）。,二、 天球坐标系,三种天球坐标系定义与缩写,二、 天球坐标系,3、天球坐标系与地球坐标系,联系（1）原点都位于地球的质心（2）瞬时自转轴和瞬时天轴重合；即瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的Z轴重合（3）X轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的交点，两瞬时坐标系的X轴夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST,二、 天球坐标系,转换,瞬时天球坐标系,瞬时平

18、天球坐标系,标准历元的平天球坐标系,GAST,旋转,瞬时地球坐标系,协议地球坐标系,极移改正,章动,岁差,二、 天球坐标系,2.2.2 GNSS坐标系统的转换,1、同一参考椭球下大地坐标与空间直角坐标的转换,（1）（B，L，H）（X，Y，Z）,参考椭球,一、坐标系统之间的转换,1、同一参考椭球下大地坐标与空间直角坐标的转换,（2）（X，Y，Z） （B，L，H）,参考椭球,一、坐标系统之间的转换,1、同一参考椭球下大地坐标与空间直角坐标的转换,（2）（X，Y，Z） （B，L，H）,参考椭球,说明：1）为一小正数，如=510-10 ；2）J 为迭代收敛时的迭代次数。,一、坐标系统之间的转换,1、同

19、一参考椭球下大地坐标与空间直角坐标的转换,（2）（X，Y，Z） （B，L，H）,参考椭球,（1）（B，L，H）（X，Y，Z）,一、坐标系统之间的转换,2、不同空间直角坐标系统之间的转换,（ 1）.旋转矩阵,一、坐标系统之间的转换,不同空间直角坐标系统之间的转换,（2）.微分旋转矩阵 由于一般 为微小角，可取：,一、坐标系统之间的转换,（3）. 不同空间直角坐标系统转换公式,上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利用重合点的两套坐标值（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。,一、坐标系统之间的转换,

20、二、 转换参数的计算,如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两组坐标求得转换参数,七参数法：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时，可用三个点的9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解,求取的七个参数分别为：,三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度变化参数,二、 转换参数的计算,平面四参数法：一种降维的坐标转换方法，即将三维空间的坐标转换为二维平面的坐标转换，避免了因已知点高程不一致而引起的误差。,求取的四个参数包括两个坐标平移分量：,一个尺度因子ky以及旋转量,二、 转换参数的计算,1、已知点分布情况2、已知点数量3、已知点精度匹配程

21、度,三、影响坐标转换因素,1、已知点分布情况,已知点最好均匀分布在整个作业区域的边缘，能控制整个区域，例如四个点来求取坐标转换参数，那测量作业的区域最好在这四个点连成的四边形内部。一定要避免已知点的线形分布。例如，如果是四个点则尽量要求正方形，一定要避免所有已知点分布接近一条直线（除线性工程外），否则严重影响测量精度，尤其是高程精度。,2、已知点数量,如果在测量任务里只需要平面坐标，不需要高程，建议至少用三个已知点求取坐标转换参数，以便检核已知点的水平残差。如果需要转换三维坐标，建议至少选取四个点来求取坐标转换参数，以便检核。,3、已知点精度匹配程度,已知点之间精度的匹配也很重要，最好使用同性

22、质且等精度的点。比如同时使用GPS观测的已知点和国家三角已知点参与坐标转换，检核时水平残差会比较大。,4、转换中的参数设置,（B L H）WGS-84,（X Y Z）WGS-84,（X Y Z）BJ54/STATE80,（B L H）BJ54/STATE80,（x y）高斯平面,长半轴之差： -108扁率之差： +0.00480795原点平移参数： +15 -150 -90,意义：,卫星的位置误差1cm，要求相应的时刻误差应小于2.6x10-6秒；测距误差1cm，要求信号传播时间的测量误差，应不超过3x10-11秒；,三、时间系统,1、时间系统,时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间系统：作为测

23、时的基准，包含时间尺度（单位）和原点（起始历元），一般来说任何一个可观测的周期运动现象，只要满足：连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准漏壶、钟摆,三、时间系统,（1）常用的时间系统,世界上现在通用的时间系统是什么？,时间的单位尺度不同；度量时间的时钟不同,三、时间系统,（2）常用的几类时间系统,恒星时和太阳时历书时原子时,地球的周期性自转,地球的周期性公转,原子核外电子能级跃迁时辐射的电磁波的频率,三、时间系统,2、世界时系统,世界时系统,根据天体的周日视运动反映地球的自转；,三、时间系统,（1）恒星时,Slide 73,恒星时选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系

24、统。,参照于遥远星体的地球自转周期,三、时间系统,（2）太阳时,参照于太阳的地球自转周期,太阳时选取太阳作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。,三、时间系统,（3）平太阳时,太阳时的问题真太阳的周日视运动不均匀，并不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差51秒；平太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。,三、时间系统,平太阳时以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。天文学上假定由一个太阳（平太阳）在天赤道上（而不是在黄赤道上）作等速运行，其速度等于运行在黄赤道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔，

25、叫做一个平太阳日，这也相当于把一年中真太阳日的平均称为平太阳日，并且把1/24平太阳日取为1平太阳时。通常所谓的“日”和“时”，就是平太阳日和平太阳时的简称。,三、时间系统,（4）世界时UT,世界时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时,长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；季节性变化：大气层中的气团随季节变化；不规则变化：地球内部的物质运动；,三、时间系统,3、历书时,由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。1958年国际天文协会决定，自1960年起开始以地球公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。 历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的1315569

26、25.9747,三、时间系统,4、原子时ATI,原子时秒长位于海平面的铯133原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，为一原子时秒。国际原子时国际上约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。,三、时间系统,原子时=UT2(1958.1.1.0)+0.0039s,1958.0,(地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒),三、时间系统,5、 协调世界时UTC,协调世界时从1972年开始，国际上开始使用一种以原子时秒长为基准，时刻上接近世界时的折衷的时间系统。,秒长稳定,广泛应用于天体测量，大地测量，研究地球自转速度,三、

27、时间系统,1972.0,1958.0,闰秒当协调时和世界时相差超过正负0.9秒时，便在协调时上加入一个闰秒（跳秒）。 （跳秒由国际自转服务组织发布，一般在12.31或6.30进行）,在2006年的元旦，我国的时钟将拨慢： 7时59分59秒7时59分60秒8时00分00秒。,三、时间系统,6、GPS时间系统,GPST属于原子时系统秒长与原子时相同原点：1980年1月6日的UTC零时没有跳秒,三、时间系统,思考,试比较参心坐标系和地心坐标系。各类天球坐标系和地球坐标系的关系是什么?如何转换？不同的参心坐标系之间的转换和参心坐标系到地心坐标系之间的转换有不同吗？不同类型的时间系统有哪些特点和区别？联

28、系是什么？,三、时间系统,恒星时ST,定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。,三、时间系统,平太阳时MT,定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。,世界时UT ：以平子午夜为零时起算

29、的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。,三、时间系统,原子时IAT,原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s）,三、时间系统,协调世界时UTC,为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。 协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： IAT=UTC+1sn 式中n为调整参数,三、时间系统,GPS时间系统GPST,GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。 有关系式： IAT-GPST=19（s）,GPS时间系统与各种时间系统 的关系见图所示：,三、时间系统,