第二章GPS定位的坐标系统及时间系统

第二章坐标系统与时间系统阳泉职业技术学院——薛迎春Slide2OUTLINE常规大地测量中的坐标系统卫星大地测量中的坐标系统GPS常用的坐标系统坐标系统之间的转换时间系统YourLocationis:36.067901oN94.171071oWSlide3第一节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平面直角坐标系Slide41、复习建立测量坐标系的基准面是什么？Slide5参考椭球面和参心坐标系大地水准面海洋陆地地球表面参考椭球面参考椭球Slide62、参心坐标系的特点Slide7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：克拉索夫斯基椭球问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好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NO1GEOIDNO2P17Slide83、平面直角坐标系的建立Slide9高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标系的定义X轴：中央子午线的投影Y轴：赤道的投影原点：两轴的交点假东、假北为了避免坐标系中出现负值，统一规定将每一带的坐标轴西移或南移一定距离。我国的假北为0，假东为500km高斯分带投影6度带3度带Slide10经典大地测量中的坐标系统定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？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，必须解决那些问题？Slide11第二节卫星定位中的坐标系描述卫星的位置——天球坐标系描述地球上的点的位置——地球坐标系Slide12一、天球和天球坐标系天球——以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。Slide131、天球天轴:地球自转轴的延伸线天极: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Slide14黄道和春分点黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的轨道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Slide152、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)p11Slide163、建立天球坐标系的两个问题实际地球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P14、15Slide174、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P15Slide18三种天球坐标系瞬时真天球坐标系——〉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Slide19二、地球坐标系空间技术和远程武器的发展，要求提供高精度的地心坐标Slide201、地心坐标系的定义地心空间直角坐标系地心大地坐标系P12图2-2思考：和参心坐标系统的定义有何区别？Slide212、建立地球坐标系的问题：极移极移——地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，因而地极点在地球表面的位置是随时间而变化的，这种现象称为极移。-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0PolePositionXPole(m)YPole(m)19932001P15瞬时北地极1900.00~1905.00年地球自转轴的瞬时平均位置Slide223、两种地球坐标系地球坐标系原点Z轴X轴瞬时地球坐标系地心瞬时北地极平地球坐标系地心协议地极原点（如1900.00~1905.00年地球自转轴的瞬时平均位置)与地心和CIO连线正交之平面和格林尼治平子午面的交线瞬时真赤道面和包含瞬时自转轴的格林尼治平子午面的交线协议地球坐标系？？P16Slide23WGS-84坐标系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）235631/298.2572:2m6378137:长半径f扁率P16Slide24小结：GPS中的坐标系统WGS-84坐标系我国的国家大地坐标系地方独立坐标系ITRF坐标框架站心坐标系p16Slide251、地方独立坐标系产生：高斯投影3度带、六度带——〉有利于统一互算——〉投影变形地方独立坐标系——〉以当地子午线为中央子午线——〉以当地平均海拔高程面为参考椭球面SRySRHSRySHRHSSSmAmmmAm220222122地方参考椭球？？Slide26为什么讨论地方参考椭球？1、为什么GPS控制网要选择地方参考椭球参数？而常规控制网计算时只强调投影面？Slide27如何确定地方参考椭球的参数？1、仅改变已知椭球的长半径1）直接以投影面到椭球面距离H为长半径变化量2）由测区平均曲率半径的变动量求长半径3）以测区卯酉圈曲率半径的变化量求长半径变化量2、仅改变椭球中心位置，并不改变定向及元素3、改变长半径及偏心率,不改变椭球定位和定向aaaa1XYZLBOPQhHBehBeahaNdNadaadaNdNhdN2222sin1)(sin1)(p18Slide282、ITRF参考框架InternationalTerrestrialReferenceFrame产生:综合了SLR、VLBI、LLR观测数据，得到观测站的数据集，通过联合解算得到统一的数据集，定义出的一个地心参考框架实质:地心地固系的具体体现p19Slide293、站心坐标系站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系p12Slide30第三节坐标系统之间的转换区分坐标变换——在不同坐标系表示形式之间进行变换坐标转换——在不同的参考基准间进行变换（基准的转换）p19Slide31一、坐标系的变换空间大地坐标系—〉空间直角坐标系空间直角坐标系—〉空间大地坐标系空间大地坐标系—〉高斯平面直角坐标系Slide321、(BLH)——〉(XYZ)该点卯酉圈曲率半径（其中：),sine-1/coscos])1([sincos)(coscos)(22BaNLBHeNZLBHNYLBHNX需要哪些参数？Slide332、(XYZ)——〉(BLH))1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tanBeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH其中：需要哪些参数？Slide343、(BL)——〉(xy)2cos)tantan185(cos120)tan1(cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBNBBNSx——弧长—该点到赤道的子午线—线的经差—该点经度到中央子午—其中：高斯投影的计算公式：需要哪些参数？Slide35二、坐标转换的基本方法XYZXYZBJ54WGS84(B,L)1——(B,L)2(x,y)1——(x,y)2(X,Y,Z)1——(X,Y,Z)2Slide36空间直角坐标系的转换Slide37布尔沙模型IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1(000BBBZBYBXBBBuZYXOZYXOuZYXOOZYX11,,,,2222111122221000的尺度为，的尺度为—尺度参数，设—欧拉角—三个旋转参数，三个—在—三个平移参数，—1000cossin0sincos)(,cos0sin010sin0cos)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYYYYYYXXXXXXRRRP20，公式2-20Slide38布尔沙模型000100010001)(111)()()()(,1cos,sin,,BXBYBXBZBYBZBXBYBXBZBYBZBZZBYYBXXBZBYBXQIRRRR忽略互乘项则：通常为三个微小量，在大地测量中，IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1(000P20，公式2-21Slide392、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Slide40求转换参数的模型IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1(000ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001P20，公式2-22Slide41转换参数的求解方法三点法：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个方程求解多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001Slide42三、WGS-84坐标系—我国国家坐标系BJ54WGS84(x,y)1(x,y)2(B,L)1(B,L)2(X,Y,Z)1(X,Y,Z)2Slide43转换中的参数设置（BLH）WGS-84（XYZ）WGS-84（XYZ）BJ54/STATE80（BLH）BJ54/STATE80（xy）高斯平面提供转换参数七参数椭球参数椭球参数投影参数三个平移椭球参数差（化简）长半轴之差：-108扁率之差：+0.00480795原点平移参数：+15-150-90Slide44第四节时间系统时间系统常用的时间系统GPS时间系统时间系统间的转换Slide45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；Slide46一、时间系统时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间系统：作为测时的基准，包含