坐标转换及大地坐标系的建立1

CRS,CelestialReferenceSystemCRF,CelestialReferenceFrameTRS,TerrestrialReferenceSystemTRF,TerrestrialReferenceFrame————0=∫dmVC0=×∫dmVrC0=∫dDVD0=×∫dDVrD3CTRS地球参考系的理论定义，实际上只给定了地球参考系固连于地球的方式。在实际应用中，还必须定义它的原点、尺度和定向。由于地球参考系的定向等的定义有一定的随意性，常需采用国际协议一致的方式来决定，另外在地球参考系实现过程中所采用的归算模型常数系统也常采用国际协议推荐的规范（如IERS规范），这就是所谓“协议”的含义。协议的地球参考系：CTRS的原点定义在整个地球（包括海洋和大气）的质量中心；CTRS的尺度定义为引力相对论意义下一局部地球框架内的尺度；CTRS的定向由国际时间局（BIH）给出的在历元1984.0的地球自转参数确定；CTRS的定向随时间的演变遵循相对于地壳无整体旋转的约束条件。4CTRF为了使地球参考系具体化，在地面上选取一定的参考点（观测台站）组成一个物理框架，这组参考点应具有一定的数量和易观测性，以保证地面上任何点的位置和运动状态通过这些参考点能得到定量的描述。这个物理框架与由一定的物理模型、常数系统和数据处理的方法，通过观测确定的参考点的坐标和位移速度，就组成一个协议的地球参考框架（CTRF）。CTRF是CTRS的具体实现，实用中的CTRS都是指CTRF。CTRF在建立的过程中应遵循CTRS的定义。•bbac2=aba−=αabae22−=bbae22−=′几何参数长半径短半径极曲率半径扁率第一偏心率第二偏心率用以代表地球形状和大小的旋转椭球。OO地球椭球abNSWO子午圈赤道平行圈„定义：具有确定的几何参数和定位的地球椭球。长半径短半径极曲率半径扁率第一偏心率第二偏心率abbac2=aba−=αabae22−=bbae22−=′地球形状自然表面大地水准面参考椭球面正常椭球面大小ωfM地轴地心大小ONSGHBLP0PPKLONSGHBP0PPKXYZL2P1PXYZ3.大地坐标：大地经度L，大地纬度B，大地高H；空间直角坐标系：X,Y,Z4.（2）（X，Y，Z）→（B，L，H）ONS参考椭球GHBP0PPKXYZL2P1PXYZ3PBQ（1）（B，L，H）→（X，Y，Z）⎪⎭⎪⎬⎫+−=+=+=BHeNZLBHNYLBHNXsin))1((sincos)(coscos)(2)tantan1tan(1tan222222BeBBaeZYXB−+++=XYaLXYLtantan=⇔=NBYXH−+=cos22L0B0A0L0B0A0H0NMS0A00(),PLBm0p0H——1954北京坐标系、1980西安坐标系的建立方法„„地球椭球大小定位定向大小大地体参考椭球„大地原点„00000000000000tansecNHHABL+=⎪⎩⎪⎨⎧−=−=−=正ϕηαξϕϕηλ000===ZYX,ε,εε：定向参数???000===,N,ηξ：定位参数),,(000ZYXΔΔΔ00000000000000tansecNHHABL+=⎪⎩⎪⎨⎧−=−=−=正ϕηαξϕϕηλ000===ZYX,ε,εε：定向参数???000===,N,ηξ：定位参数一点定位⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧====⇒00000000正HHABLαϕλ⎪⎩⎪⎨⎧======0,0,0000000N,ε,εεZYXηξ„00000000000000tansecNHHABL+=⎪⎩⎪⎨⎧−=−=−=正ϕηαξϕϕηλ000===ZYX,ε,εε：定向参数???000===,N,ηξ：定位参数多点定位⎪⎩⎪⎨⎧====∑min0002N,ε,εεZYX⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=−=−=−=⇒tansec00000000000000NHHABL正ϕηαξϕϕηλ„地面一组点的Xi，Yi，Zi 就隐含了一个的坐标系。——WGS84坐标系、ITRF坐标系、2000中国大地坐标系的建立方法大地原点：普尔科沃天文台圆形大厅中心椭球参数：贝塞尔椭球参数定位方法：一点定位在1932年普尔科沃坐标系基础上改用克拉索夫斯基椭球参数，进行多点定位实际上就是前苏联1942年普尔科沃坐标系的在我国的延伸α১0001.9''1.6''14.0mξηζ=−=−=−、、0===ZYXεε19541980IUGG19751980X0Y0Z0⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫Δ−=Δ−=Δ−=oooZZZYYYXXX198054191980541919805419新新新    DX1195419781954DX1119541978−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡ΔΔΔ+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡DXoooZYXZYXZYX197810m1988ZCIO(BIH1968)X(BIH1968)YZXma6378140m1:298.257DX27DX21954DX21980DX25m北京北京5454坐标系坐标系¾¾精度低；精度低；¾¾精度不均匀；精度不均匀；¾¾基准意义不明确。基准意义不明确。西安西安8080坐标系坐标系地心地心11号坐标系号坐标系地心地心22号坐标系号坐标系¾¾并非真正的地心坐并非真正的地心坐标系；标系；¾¾精度低（精度低（10m10m）。）。¾¾精度低；精度低；¾¾精度不均匀；精度不均匀；¾¾局部椭球密合。局部椭球密合。¾¾并非真正的地心坐并非真正的地心坐标系；标系；¾¾精度低（精度低（5m5m）。）。‹坐标系统不统一；‹精度偏低；‹使用混乱。19054200771721954a6378245mf=1:298.3IUGGGRS80a=6378137m,f=1:298.257222101a108m,1/f0.0431980IUGG75a6378140mf=1:298.257GRS80a3m,1/f0.00022231954101980141954地心参考椭球中心160mZBJ54XBJ54YBJ54我们需要什么样的坐标系？如何实现坐标系？测绘工作者的主要任务！2000中国大地坐标系是全体测绘部门集体协作的结晶；是几代大地测量工作者共同努力的成果！包括：大地网的设计、观测、数据处理等。z总参测绘局与国家测绘局就我国新一代大地坐标系的技术问题，进行了深入讨论，达成一致意见。z我国新一代国家坐标系定名为2000中国大地坐标系。已经在全国正式启用。z2000中国大地坐标系，在不致误解的场合，可叫作2000国家大地坐标系。英译为ChinaGeodeticCoordinateSystem，缩写为CGCS2000。需求分析概括直接需求：武器发射、航天试验、导航、国际合作、大地测量等。间接需求：地图制图、工程建设、城市规划等。1.总参测绘局总参测绘局1998、2000年在郑州召开了大地坐标系研讨会，会议达到使用地心系的基本共识。2.国家测绘局总参测绘局与国家测绘局业务主管部门根据两局领导关于修改“大地测量法式”的意见，从2002年起组织有关专家进行大地测量法式的修订工作，大地坐标系问题是核心内容之一。国家测绘局决定采用地心坐标系，并定名“2000国家大地坐标系”。2005年12月30日，在北京世纪金源大酒店国家测绘局主持了“我国建立使用地心坐标系方案评审会”，测绘界的10名院士、国务院各部委代表参加了会议。会上作了“我国建立使用地心坐标系方案”、“我国建立使用地心坐标系安全风险评估”两个报告。经总参批准，自2007年8月1日起，启用2000中国大地坐标系（CGCS2000）。经国务院批准，自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系（CGCS2000）。过渡期：8－10年建立建立20002000中国大地测量系统的目的中国大地测量系统的目的¾为经济建设服务¾为空间技术服务¾为地质勘探服务¾为海洋开发服务¾为地震预报服务¾为国防建设服务¾…2000中国家大地坐标系大地坐标框架建设大地坐标系统定义大地坐标框架维持大地坐标系统启用¾2000国家大地坐标系，是一协议地球参考系¾由原点、尺度、坐标轴的定向及其时间演化定义¾由已知其坐标（和速度）的地面点集合实现赤道首子午线ZXY地球质心IERSIRMIERSIRP参考椭球面¾原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；¾长度单位是在引力相对论意义下的局部地球框架内定义的米（SI）；¾初始定向由1984.0时BIH的定向给定；¾定向时间演化：整个地球水平构造运动无净旋转（no-net-rotation）。（CGCS2000）满足IERS规范规定的下列条件：ZYX¾CGCS2000参考椭球,也作为CGCS2000正常椭球，既作地球的数学表面,也是正常重力场等位面¾参考椭球的中心与地球质心重合¾参考椭球由四个常数（两个几何常数和两个物理常数）定义长半轴a=6378137.0m地球含大气层引力常数GM=3986004.418×108m3s-2地球的动力形状因子J2=1.082629832258地球自转角速度ω=7292115.0×10-11rads-1框架：ITRF97；历元：2000.0;由三个层次框架点组成。¾第一层次：连续运行参考站，28个点，CGCS2000基本骨架。精度mm级。¾第二层次：“2000国家GPS大地控制网”。精度cm级。¾第三层次：全国天文大地网，约5万个点。大地经纬度精度：0.3m，大地高误差优于0.5m。全国天文大地控制网约50000点2000国家GPS大地控制网2500多点IGS站和永久跟踪站28点3mm3cm3dm第一层次坐标框架——连续运行参考站基准网第二层次坐标框架——2000中国GPS大地网框架：框架：ITRF96ITRF96历元：历元：1997.01997.0精度约为：精度约为：3*103*10--88一、二级网一、二级网框架：框架：ITRF93ITRF93历元：历元：1996.3651996.365精度约为：精度约为：1010--77AA、、BB级网级网框架：框架：ITRF96ITRF96历元：历元：1998.6801998.680精度优于精度优于2mm2mm地壳运动观测网络地壳运动观测网络框架：框架：ITRF96ITRF96历元：历元：1996.5821996.582精度约为：精度约为：1010--88形变监测网形变监测网20002000中国中国GPSGPS大地控制网的组成部分大地控制网的组成部分第三层次坐标框架——全国天文大地网1、参考框架和历元的统一“2000网”的参考框架ITRF97；参考历元为2000.0。2、起始数据选定47个国际GPS永久跟踪站(IGS)定义参考框架。对IGS核心站坐标和速度施加1σ约束，先平差网络工程网，网络工程平差结果是ITRF97的一部分。根据各坐标点的坐标和速度，将坐标值归算到参考历元2000.0。确定参考框架的确定参考框架的IGSIGS核心站分布核心站分布2000国家GPS大地控制网点位分布图B93%7%0.01m0.01mL73%27%0.01m0.01mXYZBLH位置平均中误差0.901.571.060.370.771.922.13平均平面点位中误差约为5mm；平均高程中误差约为20mm；平均三维点位中误差优于25mm。H54%46%0.01m0.01m平差计算结果早在1933年我国即开始地面大地网的建设，已建成国家一等锁、二等网、三等网等——这是我国大地测量极其宝贵的数据资源。联合平差工程是在2000国家GPS网的基础上进行的一项大型、复杂的大地测量数据处理工程，分为两个阶段，一期工程始于1991年，二期工程始于1999年；历时13年，参加数据处理的有100多人。二期工程集成了我国大地测量工作者70多年的劳动成果，在理论和实践方面都取得了重大进展——集体劳动的成果。最后完成平差解算及精度估计最后完成平差解算及精度估计地面网库空间网库天文库