常用坐标系及其转换.复习课程.ppt

第十章 坐标(zubio)系统2.1 天球坐标系和地球坐标系2.2 WGS-84坐标系和我国的大地坐标系2.3 坐标系统之间的转换(zhunhun)2.4 时间系统 第一页，共84页。为什么提出坐标系？描述物体运动，必须有参照物,为描述物体运动而选择的所有参照物叫参照系（参考(cnko)系）。参照系是粗略的，不精确的，必须建立坐标系。准确和完善的描述物体的运动，观测的结果模拟及 表示或解释需要建立一个坐标系统。第二页，共84页。怎样定义一个坐标系？坐标系固连在参照系上，且与参照系同步运动。要完全定义一个三维空间直角坐标系必须明确指出：坐标原点的位置。三个坐标轴的指向(zh xin)。长度单位。Pr第三页，共84页。zxyo左手坐标系空间直角坐标(zh jio zu bio)系符合右手法则或左手法则：xyzo右手坐标系注：一经定义坐标(zubio)系，空间一点对应一组坐标(zubio)，坐 标系不同，坐标(zubio)值也不同。第四页，共84页。为什么选用空间直角坐标系？任一点的空 间位置可由该点在三个坐标面的投影（X，Y，Z）唯一地确定，通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个点的位置方便的从一个坐标系转换至另一个坐标系。与某一空间直角坐标系所相应的大地坐标系（B，L，H），只是(zhsh)坐标表现形式不同，实质上是完全等价的，两者之间可相互转化。第五页，共84页。GPS定位采用坐标系：在GPS定位测量中，采用两类坐标系，即天球坐标系与地球坐标系，两坐标系的坐标原点均在地球的质心，而坐标轴指向不同。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星(wixng)运行位置和状态。地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标系，用于描述地面观测站的位置。在空间的位置和方向应保持不变，或仅作匀速直线运动。第六页，共84页。2.1 天球(tinqi)坐标系和地球坐标系天球：指以地球质心(zh xn)M为中心，半径r为任意长度 的一个假想的球体。一、天球(tinqi)坐标系M黄道黄道Pnsn天球天球赤道赤道Ps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和Ps称为天极，其中Pn为北天极，为Ps南天极。天球赤道面与天球赤道：通过地球质心M与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。天球赤道面与天球相交的大圆，称为天球赤道。黄道：地球公转的轨道面 与天球相交的大圆。黄赤交角：黄道与赤道的 夹角。黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点为北黄极，靠近南天极的交点为南黄极。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。注：春分点和天球道赤 面，是建立参考系的重要的基准点和基准面。第七页，共84页。近日点远日点地球(dqi)太阳(tiyng)春分点秋分点第八页，共84页。M黄道黄道(hungdo)Pnsn 原点地球质心M Z轴指向天球北极Pn X轴指向春分点 Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成(guchng)右 手坐标系统。ZXY天球(tinqi)空间直角坐标（X，Y，Z）的定义：第九页，共84页。MzPs天球天球(tinqi)赤道赤道Pnyxsyzxr 天球中心与地球(dqi)质心M重合，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与过天体s的天球子午面之间的夹角，赤纬为原点M至天体s的连线与天球赤道面之间的夹角，向径为原点M至天体s的距离。天球球面(qimin)坐标（，）的定义：第十页，共84页。对同一空间点，直角坐标系与其等效的球面坐标系参数间有如下(rxi)转换关系：MzPs天球天球(tinqi)赤道赤道Pnxsyzxry第十一页，共84页。岁差：地球实际上不是一个理 想的球体，地球自转轴 方向不再保持不变，这 使春分点在黄道上产生(chnshng)缓慢的西移，这种现象 在天文学中称为岁差。岁差(such)和章动的影响岁差(such)产生的原因：日月和其他天体对地球赤道隆起部分的吸引。第十二页，共84页。主要由日月引力引起。太阳的影响(yngxing)为月球影响(yngxing)的0.46，太阳的质量是月球的两千多万倍，为什么月球对岁差的影响(yngxing)反而更大呢？M黄道黄道(hungdo)Pnsn天球天球(tinqi)赤道赤道岁差周期：25800年，每年春分点西移50.371第十三页，共84页。M黄道(hungdo)Pnsn天球(tinqi)赤道章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极旋转，大致呈椭圆(tuyun)，这 种现象称为章动。章动产生的主要原因：月球轨道面（白道）位置的变化。第十四页，共84页。章动的规律 章动的周期(zhuq)：18.6年 章动椭圆的长半轴：9.2 abr n章动椭圆(tuyun)岁差(such)、章动叠加Pn第十五页，共84页。岁差(such)章动的叠加效果M黄道(hungdo)Pnsn天球天球(tinqi)赤赤道道黄极天极 为了研究问题的方便，我们把岁差和章动分开研究，分别研究两种现象的规律，然后再综合叠加。在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴的指向在不断的变化，将不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。第十六页，共84页。地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化，而且(r qi)还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。前者导致岁差和章动，后者导致极移。岁差(such)、章动和极移的影响极移：地球自转轴相对地球体的 位置并不是固定的，因而，地极点(jdin)在地球表面上的位 置，是随时间而变化的，这种现象称为极移。研究分析表明，极移周期有两种：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，即张德勒（S.C.Chandler）周期变化。第十七页，共84页。地极移动(ydng)在平面上的投影1971.01975.01CIO-0.2+0.2+0.5 瞬时(shn sh)极：随时间变化的极点。瞬时(shn sh)自转轴：随时间变化的自转轴。第十八页，共84页。瞬时(shn sh)天球坐标系：原点：地球(dqi)质心坐标轴指向：z轴指向瞬时地球(dqi)自 转轴x轴指向瞬时春分点y轴与x轴、z轴构成 右手坐标系M黄道黄道PnsnZXY第十九页，共84页。协议天球坐标系：为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻，作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向(zh xin)北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分别作为X轴和Z轴的指向(zh xin)，由此建立的坐标系称为协议天球坐标系。在空间的位置和方向应保持(boch)不变，或仅作匀速直线运动第二十页，共84页。MzPs天球(tinqi)赤道Pnyxsyzxr国际大地测量学 会（International Association of Geodesy-IAG）和国际天文学联合(linh)会（International Astronomical Union-IAU）决定，标准历元设为J2000.0。协议天球(tinqi)坐标系CIS（惯性坐标系）：J2000.0：公历为2000年1月1日12:00:00第二十一页，共84页。协议(xiy)天球坐标系观测(gunc)瞬间的平天球坐标系瞬时(shn sh)天球坐标系岁差章动 协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换：第二十二页，共84页。地球空间直角坐标系的定义：原点O：地球质心 Z轴：指向地球北极Pn X轴：指格林尼治子午 面与地球赤道的交点E Y轴：垂直于XOZ平面，与X轴和Y轴构成(guchng)右手坐标系。赤道赤道(chdo)平平面面OPPSPNEZXYYXZ二、地球(dqi)坐标系第二十三页，共84页。赤道赤道(chdo)平面平面OP大地(dd)经度L大地(dd)纬度BnLB起始子午面（首起始子午面（首子午面）子午面）大地坐标系的定义：地球椭圆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。PSPNH第二十四页，共84页。任一地面点P在地球(dqi)坐标系中的坐标，可表示为（X，Y，Z）或（B，L，H），两种坐标系之间的转换为：式中，N为该点的卯酉圈曲率(ql)半径。第二十五页，共84页。注：极移的存在(cnzi)，致使地面点的坐标具有类似周期性 的变化，使用起来十分不便。瞬时(shn sh)地球坐标系Z轴指向瞬时地球自转轴X轴指向格林尼治子午面 与瞬时赤道的交点(jiodin)Y轴与x轴、z轴构 成右手系原点：地球质心赤道赤道平面平面OPPSPNEZXYYXZ第二十六页，共84页。协议(xiy)地球坐标系（CTS）1960年国际大测量与地球物理联合会决定以1900.01905.0五年地球自转轴瞬时位置(wi zhi)的平均值作为地球的固定级称为国际协定原点CIO。平地球坐标系的Z轴指向国际协定原点CIO。赤道赤道(chdo)平平面面OPMPN（协议）（协议）E（协议）（协议）ZXYYXZPS第二十七页，共84页。协议(xiy)地球坐标系和瞬时地球坐标系之间的转换 地极(dj)的瞬时坐标由国际地球自转服务组织（International Earth Rotation Service-IERS）根据多个台站计算出来的。协议地球坐标系和瞬时地球坐标系之间的转换关系为：第二十八页，共84页。协议地球坐标系和协议天球(tinqi)坐标系之间的转换协议天球协议天球坐标系坐标系协协议议地地球球坐坐标标系系（平平地地球球坐坐标系）标系）瞬时极地瞬时极地球坐标系球坐标系真天球真天球坐标系坐标系平天球平天球坐标系坐标系第二十九页，共84页。三、站心赤道直角坐标(zh jio zu bio)系和站心地平直角坐标(zh jio zu bio)系 站心地平直角坐标系能够比较直观方便的描述卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角，了解卫星在天空(tinkng)中的分布情况。OXYZPyzxHLBO-XYZ球心空间直角坐标系P-xyz站心地(xnd)平直角坐标系P-站心赤道直角坐标系返回第三十页，共84页。2.2 WGS-84坐标系和我国的大地(dd)坐标系 WGS84（World Geodetic System，1984年）是美国国防部研制(ynzh)确定的大地坐标系。一、WGS-84大地(dd)坐标系（地心坐标系）CTP赤道平面OPNEZWGS84PSBIH定义的零子午圈（1984.0）XWGS84YWGS84几何定义：原点在地球质心 Z轴指向 BIH 1984.0 定义的协议地球 (CTP）方向。X轴指向BIH 1984.0 的零子午面和CTP 赤道的交点。Y轴与Z、X轴构成右 手坐标系。WGS84世界大地坐标系第三十一页，共84页。对应于 WGS-8大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数采用 IAG和IUGG第 17届大会大地测量常数的推荐值。WGS-84椭球两个(lin)最常用的几何常数：长半轴：6378137 2（m）扁率(bin l)：1：298.257223563 WGS-84大地(dd)水准面高N等于由GPS定位测定的点的大地(dd)高H减该点的正高H正。N值可以利用地球重力场模型系数计算得出；也可以用特殊的数学方法精确计算局部大地(dd)水准面高N。一旦N确定，可利用H正=H-N计算GPS各点的的正高H正。第三十二页，共84页。二、国家(guji)大地坐标系（参心坐标系）1、1954年北京(bi jn)坐标系 建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线(jxin)网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。第三十三页，共84页。BJ54坐标系的几何(j h)定义：大地原点在前苏联的普尔科沃天文台。空间直角坐标系的原点在参考椭球的中心，Z轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968的方向，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直(chuzh)指向经度零方向，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。1954北京(bi jn)坐标系椭球常数采用克拉索夫斯基Krassovsky椭球参数，基本常数为：长半轴：6378245（m）扁率：1：298.3第三十四页，共84页。BJ54可归结为：a属参心大地坐标系；b采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；c.大地原点在原苏联的普尔科沃；d采用多点定位法进行椭球定位；e高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平 均海水面。f高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算(tu sun)而得。自BJ54建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。第三十五页，共84页。C80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。根据椭球定位的基本原理，在建立C80坐标系时有以下先决条件：（1）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳 县永乐镇；（2）C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行 于地球质心指向地极原点方向(fngxing)，大地起始子午 面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在 大地起始子午面内与 Z轴垂直指向经度 0方 向；Y轴与 Z、X轴成右手坐标系；2、1980年国家(guji)大地坐标系第三十六页，共84页。（3）椭球参数采用IUG 1975年大会推荐的参数 因而可得C80椭球两个最常用的几何参数为：长轴：63781405（m）；扁率：1：298.257 椭球定位时按我国范围(fnwi)内高程异常值平方和最小为原则求解参数。（4）多点定位；（5）大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平 均水面为基准。第三十七页，共84页。3、1954年新北京(bi jn)坐标系 尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。由于几十年来，我国数十万个国家控制点都是在1954年原北京坐标系内完成计算的，一切(yqi)测量工程和测绘成果均无一例外地采用着这个系统，考虑到1980年国家大地坐标系有着它的先进性和严密性，于是就产生了1954年新北京坐标系。第三十八页，共84页。1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标系经3个平移参数(cnsh)平移变换至克拉索夫基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。据统计，新北京坐标系与原北京坐标系相比较，就控制点的平面直角坐标而言，纵坐标差值在-6.5+7.8米之间，横坐标的差值在-12.9+9.0米之间，差值在5米以内者约占全国80%的地区。第三十九页，共84页。4、2000国家大地坐标系（地心坐标系）根据中华人民共和国测绘法，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用(qyng)2000国家大地坐标系。公告如下：2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：长半轴 a6378137m 扁率f1/298.257222101 地心引力常数GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度7.29211510-5rad s-1第四十页，共84页。2000国家大地(dd)坐标系与现行国家大地(dd)坐标系转换、衔接的过渡期为8年至10年。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地(dd)坐标系；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地(dd)坐标系。现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地(dd)坐标系；2008年7月1日后新建设的地理信息系统应采用2000国家大地(dd)坐标系。第四十一页，共84页。国家测绘局负责启用2000国家大地坐标系工作的统一领导，制定2000国家大地坐标系转换实施方案，为各地方、各部门现有测绘成果坐标系转换提供技术支持和服务；负责完成国家级基础测绘成果向2000国家大地坐标系转换，并向社会提供使用。国务院有关部门按照国务院规定的职责分工，负责本部门启用2000国家大地坐标系工作的组织(zzh)实施和本部门测绘成果的转换。第四十二页，共84页。县级以上地方人民政府测绘行政主管部门，负责本地区启用2000国家大地(dd)坐标系工作的组织实施和监督管理，提供坐标系转换技术支持和服务，完成本级基础测绘成果向2000国家大地(dd)坐标系的转换，并向社会提供使用。第四十三页，共84页。3、高斯(o s)平面直角坐标系（1）高斯投影的概念 高斯投影是一种等角投影。它是由德国数学家高斯(Gauss，17771855)提出(t ch)，后经德国大地测量学家克吕格(Kruger，18571923)加以补充完善，故又称“高斯克吕格投影”，简称“高斯投影”。第四十四页，共84页。NSc中中中中央央央央(z zh h n ng gy y n ng g)子子子子午午午午线线线线赤道赤道(chdo)高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中中央央子子午午线线（2）高斯(o s)投影的原理 高斯投影高斯投影采用分带投影。将椭球面按采用分带投影。将椭球面按一定经差分带，分别进行投影。一定经差分带，分别进行投影。第四十五页，共84页。高斯投影必须高斯投影必须(bx)(bx)满足：满足：1 1高斯投影为正形投影，高斯投影为正形投影，即等角投影；即等角投影；2 2中央子午线投影后为中央子午线投影后为直直 线，且为投影的对称线，且为投影的对称轴；轴；3 3中央子午线投影后长中央子午线投影后长度度 不变。不变。高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中中央央子子午午线线第四十六页，共84页。（3）高斯(o s)投影的特性1 1）中央子午线投影后为直线，）中央子午线投影后为直线，且长度且长度(chngd)(chngd)不变。不变。2 2）除中央子午线外，其余子除中央子午线外，其余子午线的投影均为凹向中央子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午午线的曲线，并以中央子午线为对称轴。投影后有长度线为对称轴。投影后有长度(chngd)(chngd)变形。变形。3 3）赤道线投影后为直线，但赤道线投影后为直线，但有长度有长度(chngd)(chngd)变形。变形。赤道赤道(chdo)中央子午线中央子午线平行圈平行圈子午线子午线O Ox xy y第四十七页，共84页。4 4）除赤道外的其余纬线，除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴。并以赤道为对称轴。5 5）经线与纬线投影后仍然）经线与纬线投影后仍然保持正交。保持正交。6 6）所有所有(suyu)(suyu)长度变形长度变形的线段，其长度变形比均大的线段，其长度变形比均大于于l l。7 7）离中央子午线愈远，长）离中央子午线愈远，长度变形愈大。度变形愈大。赤道赤道(chdo)中央中央(zhngyng)(zhngyng)子午线子午线平行圈平行圈子午线子午线O Ox xy y第四十八页，共84页。(4)投影(tuyng)带的划分 我国规定按经差我国规定按经差66和和33进进行投影分带。行投影分带。6 6带自首子午线开始带自首子午线开始(kish)(kish)，按，按66的经差自西的经差自西向东分成向东分成6060个带。个带。3 3带自带自1.5 1.5 开始开始(kish)(kish)，按，按33的经差自西向东分成的经差自西向东分成120120个带。个带。高斯高斯(o s)投影带划分投影带划分第四十九页，共84页。6带与3带中央(zhngyng)子午线之间的关系如图:3带的中央子午线与6带中央子午线及分带 子午线重合(chngh)，减少了换带计算。工程测量采用3 带，特殊(tsh)工程可采用1.5 带 或任意带。第五十页，共84页。(5)(5)高斯平面高斯平面(pngmin)(pngmin)直角坐标直角坐标系系坐标系的建立坐标系的建立(jinl)：x轴轴 中央子午线的投影中央子午线的投影y轴轴 赤道的投影赤道的投影原点原点O 两轴的交点两轴的交点OxyP（X，Y）高斯自然高斯自然(zrn)坐坐标标注：注：X轴向轴向北北为为正正，y轴向轴向东东为为正正。赤道赤道中央子午线中央子午线第五十一页，共84页。由于我国的位于北半由于我国的位于北半球，东西球，东西(dngx)横跨横跨12个个6带，各带又独自构成带，各带又独自构成直角坐标系。直角坐标系。故：故：X值均为正，值均为正，而而Y值则有正有负。值则有正有负。世界地图世界地图赤赤 道道第五十二页，共84页。xyo500km =500000+=+636780.360m =500000+=+227559.720m国家统一国家统一(tngy)坐标：坐标：（带号）（带号）（带号）（带号）第五十三页，共84页。4、横轴墨卡托（UTM)投影(tuyng)NSc中中中中央央央央(z zh h n ng gy y n ng g)子子子子午午午午线线线线赤道赤道(chdo)特性：属于横轴等角割椭圆柱投影；中央子午线投影长度比不等于1而是等于 0.9996，两条割线上没有变形；该投影在南纬80至北纬84范围内使用；全球分60个带，从西经180连续向东编号。第五十四页，共84页。4、地方(dfng)独立坐标系 许多城市、矿区基于使用方便、和科学的目的，将地方独立测量(cling)控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。这些网都有自己的原点，自己的定向。返回第五十五页，共84页。2.3 坐标(zubio)系统之间的转换在GPS测量(cling)中，经常要进行坐标变换和基准变换。坐标变换：在不同的坐标表示形式间进行变换。基准变换：在不同的参考基准间进行变换。基准：为描述空间(kngjin)位置的点、线、面。在大地测 量中基准是指用以描述地球形状的参考椭 球的参数。第五十六页，共84页。坐标系的变换方法（同一(tngy)基准）1、空间直角坐标系与空间大地(dd)坐标系间的转换。2、空间坐标系与平面直角坐标系间的转换。坐标系的转换方法（不同(b tn)基准）不同坐标系之间的转换实质上就是不同基准间的转换，常用布尔萨七参数转换方法。即3个平移参数，3个旋转参数，1个尺度参数。第五十七页，共84页。1、坐标(zubio)平移第五十八页，共84页。绕x轴旋转(xunzhun)：oxyzPzy（x）绕x轴旋转yzyz2、绕坐标轴旋转(xunzhun)第五十九页，共84页。绕 Z轴 旋 转(xunzhun)：oZxyxP(Z)y绕z轴旋转第六十页，共84页。oxzPzy(y)绕y轴旋转x绕y轴旋转(xunzhun)：第六十一页，共84页。绕三轴旋转(xunzhun)：第六十二页，共84页。当 均为小角度时，将 、分别展开成泰勒(ti l)级数，仅保留其一阶有：舍弃二阶小量，则有：旋转矩阵：对右手系逆时针旋转，对左手系顺时针 旋转，否则需要改变旋转角度(jiod)的符号。当 不是小角度时，三个旋转矩阵的次序不能交换。当 均为小角度时，不论三个旋转矩阵的次序如何交换，都能够(nnggu)得到上面的结果。第六十三页，共84页。尺度(chd)比例因子：3、尺度(chd)变换尺度变换(binhun)：在坐标转换过程中由两坐标系的长度 单位不一致引起的变换(binhun)叫尺度变换(binhun)。第六十四页，共84页。4、布尔萨（Bursa-Wolf）七参数(cnsh)模型：当：均为小角度(jiod)时：第六十五页，共84页。一、空间(kngjin)大地坐标与空间(kngjin)直角坐标的转换 （B，L，H)(X，Y，Z)式中，N为该点的卯酉圈曲率(ql)半径。第六十六页，共84页。二、不同(b tn)空间直角坐标系之间的转换(X，Y，Z)84 (X，Y，Z)54 布尔萨七参数(cnsh)转换模型：式中：，为3个平移(pn y)参数；m为比例参数；，为3个旋转参数。通常，选择同时具有两套坐标的三个地面控制点，通过平差的方法，解算七参数。若要提高参数的精度，在数据处理时，常采用GPS基线向量网与地面网联合平差。第六十七页，共84页。(X，Y，Z)（B，L，H)式中，N为该点的卯酉圈曲率(ql)半径。三、空间直角坐标(zubio)向大地坐标(zubio)的转换 第六十八页，共84页。四、大地坐标向高斯平面(pngmin)直角坐标的转换 式中：B为参考椭球面的大地坐标，以弧度计；为点经度到中央(zhngyng)子午线的经差；S 为点到赤道的子午线弧长；。第六十九页，共84页。GPS坐标(zubio)与我国北京54（西安80）坐标(zubio)的转换流程图：GPS大地(dd)坐标（B，L，H）GPS空间(kngjin)直角坐标 （X，Y，Z）空间直角坐标 （X，Y，Z）54（80）大地坐标（B，L，H）54（80）高斯平面直角坐标（x，y）返回第七十页，共84页。2.4 时间(shjin)系统 时间的概念时间包含时刻和时间间隔两个概念。时刻：发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位 中，与所获数据对应的时刻也成为历元。时间间隔：发生某一现象所经历的过程，是这一过 程始末(shm)的时刻之差。所以，时间间隔测量，也称为相对时间测量，时刻测量，相应地称为绝对时间测量。卫星大地测量(d d c ling)的任何一个观测量归根到底都是对时间的测量，对时间测量精度要求很高。第七十一页，共84页。时间基准 包含时间原点（时刻）和时间尺度（时间段）。时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位）与原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。不同的原点和尺度对应不同的时间系统。任何一个可观测的周期的运动(yndng)现象，只要符合条件，都可用作确定时间间隔。第七十二页，共84页。GPS定位(dngwi)对时间系统的要求 GPS时间系统要求：全球统一的时间原点和高精 度的时间尺度。原因：GPS卫星作为高空动态已知点，其位置是瞬息变化 的。时间(shjin)度量的精度就意味着空间位置的精度。例如:若要定轨误差小于1cm，则时间(shjin)精度至少要求 2.610-6s。GPS定位是通过测定电磁波信号传播时间(shjin)来测定站 星距离的。例：若要距离误差小于1cm，则时间(shjin)精度 至少要求310-11s。第七十三页，共84页。惯性坐标系和地固坐标系之间的坐标转换需要精确 的时间尺度。地球在不断的作自转运动，地球上的 点位在惯性系中的坐标也在以相同的速度变化。例如：时间误差(wch)为0.01s，该坐标误差(wch)就至少可达 5m。注：而我们平时所采用(ciyng)的时间，是按地球的自转 规律，以太阳为基准的。如北京时、东京时、莫斯科时等等，他们的时间原点是不一样的，尺度也不一样。机械表、石英表、原子钟。第七十四页，共84页。任何一个可观测的周期的运动现象，只要符 合条件(tiojin)，都可用作确定时间间隔。运动应是：连续的，周期性的；运动的周期就具有充分的稳定性；运动的周期必须具有复现性（可重复性）。常用下列周期性运动作为测时标准：地球自转；地球公转；原子内部能级跃迁。第七十五页，共84页。一、恒星时恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运 动所确定(qudng)的时间。时间尺度：春分点连续两次经过本地子午圈的时 间间隔为一恒星日，一恒星日分为24 个恒星时。起算原点：恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为 起算原点，所以恒星时在数值上等于春 分点相对于本地子午圈的时角。第七十六页，共84页。恒星时的特性：恒星时具有地方性，导致时间 尺度不稳定。恒星时是以地球 自转为基础的，由于岁差和章 动的影响，春分点在天球上的 位置并不确定(qudng)。因此，恒星时 不具有统一的时间原点。第七十七页，共84页。二、平太阳时平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视 运动所确定的时间。时间尺度：平太阳连续两次经过(jnggu)本地子午圈的时间 间隔为一平太阳日，一平太阳日分为24 个平太阳时。起算原点：平太阳时以平太阳通过本地子午圈时刻 为起算原点，所以平太阳时在数值上等 于平太阳相对于本地子午圈的时角。第七十八页，共84页。三、世界时世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳 时。世界时与平太阳时尺度基准相同，其差别仅在于起算点不同(b tn)。世界时的特性：世界时虽然属全球性，但时间尺 度还是不稳定。平太阳时的特性：平太阳时具有地方性，导致(dozh)时间 尺度不稳定。第七十九页，共84页。四、原子时 随着对时间准确度和稳定度的要求不断提高，以地球自转为基础的世界时系统难以满足要求。20世纪50时年代，便开始建立以物质内部原子运动特征为基础的原子时系统。原子时：秒长被定义为铯原子基态的两个超精细能级 间跃迁辐射震荡9192631170周所持续的时间；起点：按国际协定取为1958年1月1日0时0秒，事后(shhu)发 现该瞬间原子时与世界时有差异。特性：原子时虽然时间尺度还是稳定，但没有统一的 时间原点。第八十页，共84页。五、协调世界时协调世界时：是原子时和世界时的结合。既有时间 原点，也有稳定的时间尺度。协调世界时产生的原因：1、许多部门惯用天体作为观测(gunc)对象，确定时间；2、地球自转的速度逐渐转慢；3、时间原点应尽量靠近世界时。第八十一页，共84页。六、GPS时间系统 GPS系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本的观测量。卫星的信号，卫星的运动，卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定(wndng)又要连续。为此，GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定(wndng)而连续的GPS时间系统。GPS时间系统：采用原子时ATI秒长作为时间基准，时 间的起算点定义在1980年1月6日的 UTC0时。第八十二页，共84页。GPS时间(shjin)系统与各种时间(shjin)系统的关系：19S7S第八十三页，共84页。课后作业：1、简述天球坐标系与地球坐标系的区别。2、简述由协议天球坐标系到协议地球坐标系 的转换步骤？3、简述将某点的WGS-84坐标转换为北京54 （国家80）高斯平面直角坐标的方法。4、简述GPS时间(shjin)系统要求有全球统一的时间(shjin)原 点和高精度的时间(shjin)尺度的原因。5、GPS时间(shjin)系统是如何建立的？返回第八十四页，共84页。