遥感GPS第2章 GNSS导航定位时空基准.ppt
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1、卫星定位原理与应用,第2章 GNSS导航定位时空基准,刘智敏山东科技大学,坐标系统 描述卫星运动时间系统 是 处理观测数据 的数学与物理基础 表达观测站位置,GNSS时空基准是GNSS的坐标基准和时间基准,是由相应的GNSS的时间系统和坐标系统及其参考框架实现的,知识点,主要内容,1 坐标系统协议天球坐标系协议地球坐标系我国大地坐标系2 时间系统世界时原子时力学时,在GPS定位中,通常采用两类坐标系统:一类是空间固定的坐标系 ECI,ECSF Earth-Centred Inential Coordinate System;Earth-Centred Space-Fixed Coordinat
2、e System 描述卫星(天体)的运行位置和状态 极其方便 根据牛顿引力定律 惯性参考坐标系,与地球自转无关 另一类是与地球体相固联的坐标系统 ECEFEarth-Centred Earth-fixed Coordinate System 表达地面观测站的位置 处理GPS观测数据,2.1 GNSS导航定位坐标系统,知识点,坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中,坐标系原点一般取地球质心,而坐标轴的指向具有一定的选择性 为了使用上的方便,国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向,这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。Conventional Interna
3、tional Coordinate system协议坐标系 原点、轴向、尺度,2.1 GNSS导航定位坐标系统,知识点,1.天球的基本概念 天球:指以地球质心为中心,半径r为任意长度的一个假想球体。天轴与天极:地球自转轴的延伸直线为天轴,天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。天球赤道面与天球赤道:通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面,该面与天球相交的大圆为天球赤道。天球子午面与天球子午圈:包含天轴并经过天球上任一点的平面为天球子午面,该面与天球相交的大圆为天球子午圈。,2.1 GNSS导航定位坐标系统,时圈:通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。黄道:地球公转的轨道面与天球相
4、交的大圆,即当地球绕太阳公转时,地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角,约23.50。黄极:通过天球中心,垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点n称北黄极,靠近南天极的交点s称南黄极。春分点:当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时,黄道与天球赤道的交点。在天文学和卫星大地测量学中,春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。,天球的概念,天球坐标系 在天球坐标系中,任一天体的位置可用天球空间直角坐标系和天球球面坐标系来描述。天球空间直角坐标系的定义:原点位于地球的质心,z轴指向天球的北极Pn,x轴指向春分点,y轴与x、z轴构成右手坐标
5、系。天球球面坐标系的定义:原点位于地球的质心,赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角,赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角,向径r为原点至天体的距离。,知识点,天球空间直角坐标系与天球球面坐标系,天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体的位置时是等价的,二者可相互转换。,2.岁差与章动 上述天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的方向上是固定的,春分点在天球上的位置保持不变。惯性坐标系 实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体,在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下,地球在绕太阳运行时,自转轴方向不再保持不变 从而使春分点在黄道上产生缓慢西移,此现象在
6、天文学上称为岁差。precession 在岁差的影响下,地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转,因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转。,岁差影响,章动影响,在天球上,这种顺时针规律运动的北天极称为瞬时平北天极(简称平北天极),相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点。在太阳和其它行星引力的影响下,月球的运行轨道以及月地之间的距离在不断变化,北天极绕北黄极顺时针旋转的轨迹十分复杂。如果观测时的北天极称为瞬时北天极(或真北天极),相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点(或真天球赤道和真春分点)。在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转,轨迹大致为椭圆。
7、这种现象称为章动。Nutation,协议天球坐标系的定义和转换 由于岁差和章动的影响,瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化,在这种非惯性坐标系统中,不能直接根据牛顿力学定律研究卫星的运动规律。为建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系,通常选择某一时刻t0作为标准历元,并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向,经过该瞬时岁差和章动改正后,作为z轴和x轴。构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系,或协议天球坐标系,也称协议惯性坐标系(Conventional Inertial SystemCIS)J2000.0的赤道和春分点定义的(2000.1.15.TDB)儒略日245154
8、5.0,3.地极移动与协议地球坐标系极移(Polar Motion)地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的,地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象地极点作为地球坐标系的重要基准点,极移将使地球坐标系的Z轴方向发生变化,造成实际工作困难。观测瞬间地球自转轴所处的位置,称为瞬时地球自转轴;相应的极点称为瞬时极大量资料表明,地极在地球表面上的运动,包含2种周期性变化,一种周期约为一年,振幅约为0.1”的变化;另一种周期约为432天,振幅约为0.2”的变化,又称Chandler周期变化,地极运动轨迹,地极坐标系,为了将协议天球坐标系的卫星坐标,转换为观测历元t的瞬时天球坐标系,通常分两步进行。,协
9、议天球坐标系,瞬时平天球坐标系,瞬时天球坐标系,岁差旋转,章动旋转,知识点,2.1 GNSS导航定位坐标系统协议地球坐标系(ECEF,CTS)Conventional Terrestrial System1.地球坐标系 由于天球坐标系与地球自转无关,导致地球上一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自转而变化,应用不方便。为了描述地面观测点的位置,有必要建立与地球体相固联的坐标系地球坐标系,又称地固坐标系 地球空间直角坐标系 地心大地坐标系,地心空间直角坐标系 地心大地坐标系,地心空间直角坐标系:原点O与地球质心重合,Z轴指向地球北极,X轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E,Y轴垂直于XOY平面构成
10、右手坐标系。地心大地坐标系:地球椭球的中心与地球质心重合,椭球短轴与地球自转轴重合,大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角,大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角,大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。任一地面点在地球坐标系中可表示为(X,Y,Z)和(B,L,H),两者可进行互换。,知识点,换算关系如下,其中N为椭球卯酉圈的曲率半径,e为椭球的第一偏心率,a、b为椭球的长短半径。,地极移动与协议地球坐标系国际协议原点CIO 采用国际上5个纬度服务站,以1900-1905年的平均纬度所确定的平均地极(mean polar)位置作为基准点,平极的位置是相应上
11、述期间地球自转轴的平均位置,通常称为CIO(Conventional International OriginCIO)。协议地球坐标系CTS 与之相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采用CIO作为协议地极(conventional Terrestrial PoleCTP);以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系(Conventional Terrestrial SystemCTS);与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。,根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知:(1)两坐标系的原点均位于地球的质心,故其原点位置相同(2)瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z
12、轴指向相同(3)两瞬时坐标系x轴与X轴的指向不同,其间夹角为真春分点的格林尼治恒星时。二者的转换过程如下:,知识点,地球坐标系的其他表达形式此外,地球坐标系还有其它表示形式:(1)地球参心坐标系(2)天文坐标系(3)站心坐标系(4)高斯平面直角坐标系等,2.1 GNSS导航定位坐标系统,地球参心坐标系,处理观测成果,传算地面控制网的坐标选取一参考椭球面为参考面,大地原点为起算点,天文测量确定参考椭球与地球的方位关系,其中心与地球质心不重合,只位于地球质心附近,被称为参心坐标系参心空间直角坐标系定义:原点位于参考椭球中心,Z轴平行于地球旋转轴,X指向起始大地子午面与参考椭球赤道的交点,Y轴构成右
13、手坐标系。地心空间直角坐标系与参心空间直角坐标系之间的转换 原点位置、坐标轴指向都不同,天文坐标系,地心大地坐标系中,以大地水准面代替其中的椭球面,相应坐标系成为天文坐标系垂线正常高地心大地坐标系与天文坐标系之间的转换垂线偏差高程异常,如果测量工作以测站为原点,则所构成的坐标系称为测站中心坐标系(简称站心坐标系)。站心坐标系分为站心地平直角坐标系和站心极坐标系。站心地平直角坐标系是以测站的椭球法线方向为Z轴,以测站大地子午线北端与大地地平面的交线为X轴,大地平行圈(东方向)与大地地平面的交线为Y轴,构成左手坐标系。GPS相对定位确定的是点之间的相对位置,一般用空间直角 坐标差 或大地坐标差 表
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