第二章GPS坐标系统ppt课件.ppt

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1、GPS原理及应用 The Principle and Application of GPS,第二章坐标系统与时间系统,测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。,概述,一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述

2、空间位置时所采用的单位长度的定义。,概述,确定物体的位置需要一个参照系，测量上的参照系，就是各类坐标系统，卫星的运动是在受到地球引力情况下的惯性运动，与地球的自转无关，所以要描述卫星的位置，应该引入一个不随地球自转变化的坐标系统（天球坐标系统）。另一方面，地球表面的测站点，空间位置随地球自转而变化，但是在地面的观测者看来，其位置是固定不动的，所以描述其位置，需要一个随地球自转而变化的坐标系统（地球坐标系）。,概述,需要指出的是，两种坐标系统理论上原点都是地球的质心，Z轴指向地球旋转轴，差别仅在于X（Y）轴是否随地球转动而转动。另外从地球公转的角度看，两种坐标系均是运动的。,概述,第二章坐标系统

3、与时间系统,2.1协议天球坐标系 2.2协议地球坐标系 2.4国家坐标系和地方坐标系 2.5时间系统,天球以地心为球心，以任意长为半径的球体。 天轴地球旋转轴所在直线。 天极天轴与天球面的交点。Pn 、Ps。 天球赤道面过球心且与天轴垂直的平面。黄道面地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5。,天球的基本概念,春分点太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。秋分点太阳从北半球向南半球运行时，黄道与赤道的交点。建立天球坐标系的基准点和基准面,天球的基本概念,天球坐标系的概念,地球在自转及公转中旋转轴（极轴）指向不变，而公转的轨道平面也是不变的，所以天球赤道面和黄道面的交点春分点和秋分点是

4、固定不变的。,天球坐标系的概念,1）天球空间直角坐标系 原点：地球质量中心Z轴：指向北天极PnX轴：指向春分点Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系,天球坐标系的概念,2）天球球面坐标系原点：地球质量中心赤经：天体子午面与春分点子午面的夹角赤纬：天体与地心连线和天球赤道面的夹角向径r ：天体到地心的距离,天球球面坐标系与天球直角坐标系,天球球面坐标(celestial spheric coordinate): 赤经、赤纬 、向径r天球直角坐标(celestial Cartesian)：x、y、z,岁差与章动的影响,天球坐标系建立是基于下列假设：1地球是一个质量均匀的球体，只受到太阳引力作用2地球旋转轴

5、在空间的方向不变。实际上上述两项假设并不严格成立，所以地球极轴的指向、地球赤道面和黄道面夹角、春分点位置并非绝对不变，日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动。极轴的变化是极其复杂的，处理这一问题目前是采用将其分解为有两种规律的运动，称为岁差和章动，极轴的运动则被认为是两者的叠加。,岁差(precession)与章动(nutation),日、月对地球的引力(gravitation)产生力矩(moment)，使地球自转轴的方向在天球上缓慢地运动。地球自转轴的变化引起与它垂直的赤道面的倾斜，从而使春分点(vernal equinox)（黄道与赤道的交点intersecti

6、on of ecliptic plane and equator）变化。这种变化可以分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加（superposition of a series of long period and short period changes)。,岁差(precession)与章动(nutation),地球自转轴的长周期变化约25800年绕黄极一周。使春分点产生每年约50.2的长期变化，称之为日月岁差(sun and moon precession)。一系列短周期变化中幅值最大的约为9，周期为18.6年，这些短周期变化称之为章动(nutation)。春分点除因地球自转轴方向改

7、变引起的变化外，还因黄道的缓慢变化（行星引力对地球绕日运动轨道的摄动）而变化，称为行星岁差(planet precession)。,岁差与章动的影响,在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的轴向是不断变化的，这样的坐标系称为非惯性坐标系，不利于研究行星的运动规律，因此需要建立一种轴向稳定不变的天球坐标系统。由于这样的天球坐标系统，是通过国家间协商建立的标准坐标系统，所以称为协议天球坐标系统。,协议天球坐标系,1）瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点（真春分点）。2）平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。3）协议天球坐标系 1984年1月1日后，取2000年1月15日的

8、平北天极为协议北天极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴指向协议春分点。,协议天球坐标系与瞬时天球坐标系, 岁差旋转变换(precession rotation transform)由于岁差导致地球自转轴的运动使两坐标系z轴产生夹角 ；同理，因岁差导致春分点的运动使两坐标系 轴、Z轴分别产生夹角 、 。通过旋转变换得到这样两个坐标系的变换式： (2-1)式中， 为岁差参数。,黄经章动和交角章动, 章动旋转变换(nutation rotation transform)在已进行岁差旋转变换的基础上，还要进行章动旋转变换。 (2-2)式中，为所论历元的平黄赤交角(mean ang

9、le between ecliptic and equator)。 分别为黄经章动(nutation in longitude)和交角章动(nutation in obliquity)参数。,2.2协议地球坐标系,地面上的点被认为是相对于地球固定不变的，所以其参照系统应是与地球体固连的坐标体系，目前普遍采用的就是所谓大地坐标系统。但是由于地球质量不均匀，并且存在内部运动，导致了地球的旋转轴相对于地球体并不是固定不变的，这种现象称为极移。类似于协议天球坐标系，国际大地测量协会和国际天文联合会规定了一个所谓的协议地极（CTP)，以协议地极为极点的地球坐标系，就称为协议地球坐标系。,瞬时地球坐标系与

10、平地球坐标系,2.2协议地球坐标系,应当注意，地极移动与岁差和章动是不同的概念，岁差和章动是指地球自转轴在空间指向的移动，而地极移动则是指地球北极与地面参照物的相对移动。协议地球坐标系的两种表达形式：空间直角坐标系和大地坐标系。,2.2协议地球坐标系,空间直角坐标系统（X、Y、Z）和大地坐标系（L、B、H），他们相互之间的转换关系如下（各参数意义见控制测量学）,2.3 协议地球坐标系和协议天球坐标系的转换,在GPS卫星定位测量中，通常在协议天球坐标系中研究卫星运动轨道，而在协议地球坐标系中研究地面点坐标，这样就需要在两个坐标系中进行变换。由于两坐标系原点相同，瞬时天球和瞬时地球坐标系Z轴指向相

11、同，所以转换按下列步骤进行：协议天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系。,2.4国家坐标系和地方坐标系,一、地球参心坐标系 坐标原点在参考椭球体中心而不在地球质心，通常在大地水准面差距平方和为最小的条件下，得到的坐标系统都是参心坐标系。参心坐标系能使大地水准面和参考椭球面有最好的符合，而地心坐标系更适合空间大地测量的需求，两者各有其适应范围。所以，我国同时建立了80参心坐标系和80地心坐标系。,二、站心坐标系（了解）以测站处为原点的空间直角坐标系统，这是一种常用于公式推导的过渡性坐标系统。,地心坐标与站心坐标,站心坐标（topocentric coordinate or loca

12、l-level system or east-north-up)与地心坐标(geocenter coordinate)的关系为：,空间直角坐标到站心坐标的变换,由地心坐标求出球面坐标后，可计算旋转矩(rotation matrix)如下：,站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系之间的关系,站心直角坐标(topocentric rectangular coordinate与站心极坐标(topocentric polar coordinate),1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是

13、由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955 年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956 年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,1、54北京坐标系统,克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO 极， 也不指向目前我国使用的JYD 极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60 余米，最大达67 米。,54北京坐标系统缺陷,该坐标系统的大地点坐

14、标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2 米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,54北京坐标系统缺陷,2、80西安坐标系,1978 年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980 年西安大地坐标系统。1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。,80西安坐标系,1980 年西安

15、大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975 年的推荐值，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD 地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956 年黄海平均海水面为高程起算基准。,两坐标系应用现状两坐标系统不仅仅是椭球参数不同，原点位置与坐标轴轴向均有所不同，国家并未公开转换参数，因此转换并不容易。鉴于现有的大部分测绘资料均是基于54北京坐标系统的，所以目前各地测绘工作仍在广泛使用54北京坐标系统。,WGS84坐标系统是GPS定位系统采用的协议地球坐标系统，是目前精度最高

16、的全球性大地测量坐标系统， GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS84属于地心坐标系统，原点为地球质心, Z 轴指向BIH1984.0 定义的协议地球极方向，X 轴指向BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点，Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。WGS是world geodetic system的缩写。,WGS84坐标系统,地方独立坐标系 (local coordinate system),我国许多城市、矿区(diggings)基于实用、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线(local meridian)作为中央子午线(central meridian)进行高斯投影(Gauss projection)求的平面坐标。,地方独立坐标系 (local coordinate system),而地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球。该椭球的中心轴向和扁率与国家参考椭球相同(have the same axis directions and eccentricity as national reference ellipsoid) ，其长半径则有一改正量。我们将该参考椭球称为地方参考椭球(local reference ellipsoid)。,