大地坐标系建立

第2章大地坐标系建立1椭球定位与定向概念2坐标参考系统3地球参心坐标系4地心地固坐标系5站心坐标系6坐标系的转换模型第4章大地坐标系建立1椭球定位与定向概念椭球定位与定向(orientationofreferenceellipsoid)：是指按一定的条件，将具有某一元素的地球椭球同大地体的相关位置确定下来，为大地测量工作提供测量计算的基准面和大地起算数据。大地基准（GeodeticDatum）：能够最佳拟合地球形状的地球椭球参数和椭球的定位与定向。建立大地基准就是求定旋转椭球的参数及其定向（椭球旋转轴平行于地球的旋转轴，椭球的起始子午面平行于地球的起始子午面）和定位（旋转椭球中心与地球中心的关系）。大地坐标系(geodeticcoordinatesystem)：是建立在一定大地基准上的用于表达地球空间位置及相对关系的数学参考系。大地测量参考系统（GeodeticSystem）：坐标参考系统、高程参考系统、重力参考系统1）坐标参考系统：以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式。2）高程参考系统：以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的高程系统称为正常高，以旋转椭球面为参照面的高程系统称为大地高。3）重力参考系统：重力观测值的参考系统大地测量参考框架(GeodeticReferenceFrame)：是大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面上的控制网（点）所构建的，分为坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。1.2关系图椭球定位与定向大地基准大地坐标系大地测量参考框架大地测量参考系统大地控制网物理实现包含具体表现形式基础最佳1.3椭球定位与定向的含义椭球定位是确定地球椭球中心的位置。定位满足的条件:椭球面与大地水准面有最佳拟合优点:垂线偏差和大地水准面差距小,归算简单椭球定向是确定以地球椭球中心为原点的直角空间坐标系，也就是确定坐标轴的指向。椭球定位地心定位：全球范围内椭球面与大地水准面有最佳拟合，椭球中心与地心一致或接近局部定位：一定范围内椭球面与大地水准面有最佳拟合，对椭球中心无特殊要求满足的2个平行条件:⑴椭球短轴//地球自转轴⑵大地起始子午面//天文起始子午面目的:简化大地坐标、大地方位角与天文坐标、天文方位角之间的换算经过椭球的定位与定向，产生了2个不同的椭球：参考椭球总地球椭球2坐标参考系统2.1坐标系统的定义坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所定义的。对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中心或地心。坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上通用的坐标系一般采用协议地极方向CTP(ConventionalTerrestrialPole)作为Z轴指向，因而称为协议坐标系。尺度地固坐标系参心坐标系地心地固坐标系惯性坐标系与地球一起公转和自转,描述地面点相对位置又叫天球坐标系,与地球自转无关,用于研究地球和卫星的运动2.2补充（p42）：欧勒角与旋转矩阵两个直角坐标系进行相互变换的旋转角称为欧勒角对于二维直角坐标系1122cossinsincosyxyx12OPOP旋转矩阵cossinsincos对于三维空间直角坐标系O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通过三次旋转，可实现O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的变换1000cossin0sincos)(3ZZZZZRYYYYYRcos0sin010sin0cos)(2XXXXXRcossin0sincos0001)(1)()()(3210ZYXRRRR1110111321222)()()(ZYXRZYXRRRZYXZYXYXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYRcoscossinsincoscossinsinsincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscoscos00sinsinsinsinsinsinsin,sin,sin1coscoscosZYZXYXZZYYXXZYX1110XYXZYZR3地球参心坐标系3.1参考椭球定位与定向的实现方法①选择或求定椭球的几何参数(长半径a和扁率α)②确定椭球短轴的指向(椭球定向)③确定椭球中心的位置(椭球定位）④建立大地原点传统做法：①选大地原点②测该点的③通过和得到④完成参考椭球定位与定向KKKKH、、、正KKKN、、ZYX、、KKKKAHBL、、、3.2广义垂线偏差和拉普拉斯方程式ZYXALB0secsinseccos1tansintancos0cossintansecKKKKXKYkKKeNNHHcossinsincos2正满足定向的2个平行条件，有0ZYXtansecALBkKKNHH正得到下列方程一点定位：椭球中心位置由大地原点的大地坐标所确定00,0KKKNKKKiKiKKKKHHABL正,,3.3椭球定位与定向的2种方法物理意义：法线和垂线；大地水准面和大地原点多点定位：椭球中心位置由一组大地点的大地坐标所确定，大地原点的起算数据按下式求得。kKKkkKiKikkkkkkkNHHABL正tansecmin)min(222新新新或N代入3-235式可建立新的参心大地坐标系，使椭球面不和大地原点相切，而是椭球面和大地水准面最佳密合3.4椭球定位与定向的简单方法澳大利亚的约翰斯顿（Johnston）的原点垂线偏差值直接由分布全国的275个天文大地点的垂线偏差值平均得到，ζ=0.15秒，η=-0.36秒。为了使全国大地水准面高程接近零，直接取N=-6m，说明椭球的局部定位要求并不严格。3.5大地原点和大地起算数据依据和归算到椭球面上的各种观测值（至少有一个已知的？，来确定？），可以精确的计算出天文大地网中控制点的大地坐标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构成经典大地测量基准。KKKKAHBL、、、3.6大地原点的作用①为参考椭球定位与定向提供数据②为天文大地网在椭球面上的计算提供起算数据③为计算大地水准面差距提供起算数据④作为大地测量的一种标志选定大地原点的注意事项:①尽量布设在国家中部②尽量避免给观测结果带来地区性系统误差，点位稳定，垂线偏差数值小，变化比较缓慢③便于研究国家大地坐标系、地心坐标系或其他坐标系，大地原点尽量与天文台、卫星观测站相联系3.71954年北京坐标系1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。椭球参数有较大误差。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的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不一致。定向不明确3.81980年国家大地坐标系(1980西安坐标系)1980年国家大地坐标系是在1954北京坐标系的基础上建立起来的，利用广义弧度测量方程式建立的，其建立方法见p92。详细的见徐绍铨吴祖仰《大地测量学》武测出版社1980年国家大地坐标系大地原点的垂线偏差和大地水准面数值为：mN2.149.16.11111980年国家大地坐标系的特点是：①采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4地球椭球长半径a=6378140m地心引力常数GM=3.986005×1014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2=1.08263×10-8,地球自转角速度ω=7.292115×10-5rad/s②参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。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。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968.0的方向⑤大地原点地处我国中部，位于西安市以北60km处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。⑥大地高程基准采用1956年黄海高程系平差后提供的大地点成果属于1980年西安坐标系，它和原1954年北京坐标系的成果是不同的。这个差异除了由于它们各属不同椭球与不同的椭球定位、定向外，还因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。3.9新1954年北京坐标系(BJ54新)新1954年北京坐标系，是在GDZ80基础上，改变GDZ80相对应的IUGG1975椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点(椭球中心)平移，使坐标轴保持平行而建立起来的。080540805408054ZZZYYYXXXGDZBJGDZBJGDZBJ新新新HHHBBBLLLGDZBJGDZBJGDZBJ805480548054新新新aBBeMBeaNBBHMBeMBBeaHMNZYXBLBLBHMBHMLBHMLBBHNLBHNLHBLGDZGDZ802222222200080sin)sin1(1)sin1(cossin)1)(()sin2(cossin)(00sinsincoscoscoscossinsincossin0cos)(coscos)(sinBJ54新的特点是：①采用克拉索夫斯基椭球参数。②是综合GDZ80和BJ54建立起来的参心坐标系。③采用多点定位，但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。④定向明确，坐标轴与GDZ80相平行，椭球短轴平行于地球质心指向1968.0地极原点的方向⑤大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。⑥大地高程基准采用1956年黄海高程系。⑦与旧BJ54相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。旧BJ54的坐标是局部平差结果，而新BJ54是GDZ80整体平差结果的转换值，两者之间无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。4地心地固坐标系4.1定义地心地固空间直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极点的变动将引起坐标轴方向的变化。地心地固大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球面与大地水准面在全球范围内最佳符合，椭球的短轴与地球自转轴重合(过地球质心并指向北极)4.2极移与国际协议原点地球旋转轴的指向1)空间指向的变化（岁差、章动）2)地球旋转轴相对于地球内部结构的变化（极移）3)地球绕地轴旋转速度的变化（日长变化）空间指向的变化：岁差(precession),章动(nutation)地球旋转轴相对于地球内部结构的变化：极点的变化(极移,polarmotion，国际协议原点CIO)地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的，这种现象称为地极移动，简称极移。某一观测瞬间地球北极