2022年GPS原理与应用复习总结.docx

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1、GPS定位原理及应用第一章 绪论1.1 GPS 卫星定位技术的进展1.1.1 早期的卫星定位技术1、无线电导航系统罗兰 -C ：工作在 100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M；Omeg（a 奥米茄）：工作在十几千赫； 由八个地面导航台组成,可掩盖全球； 精度几英里；多卜勒系统： 利用多卜勒频移原理, 通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角） , 推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统；误差随航程增加而累加；缺点：掩盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高2、早期的卫星定位技术卫星三角网：以人造地球卫星作为空间观测目标,由地面观测站对其

2、进行摄影测量,测定测站至卫星的方向,来确定地面点的位置的三角网；卫星测距网：用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网就称为卫星测距网；20 世纪 60 70 岁月,美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门帮助下,建立了一个共 45 个点的全球卫星三角网,点位精度5 米；卫星三角网的缺点：易受卫星可见条件和天气条件影响,费时费劲,定位精度低；1.1.2 子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷多普勒频移：多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命名的, 他于 1842 年第一提出了这一理论；他认为电磁波频率在电磁源移向观看者时变高,而在波源远离观看者时变低；因此可利用频率的变化多少来

3、确定距离的变化量；多普勒效应的一个常被使用的例子是火车, 当火车接近观看者时, 其汽鸣声会比平常更刺耳； 你可以在火车经过时听出刺耳声的变化； 同样的情形仍有： 警车的警报声和赛车的发动机声；子午卫星导航系统 NNSS：将卫星作为空间动态已知点,通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号,利用多普勒定位技术,进行测速、定位的卫星导航系统；子午卫星导航系统的优点：经济快速、精度匀称、不受天气和时间的限制,且可获得测站的三维地心坐标；子午卫星导航系统的缺点：由于卫星数量少,故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低；1958 年,美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题,开头

4、研制军用导航卫星,命名为“子午仪方案”；1960 年 4 月,美国发射了世界第一颗子午导航卫星,传统的无线电导航系统从今被这种新的导航方式取代；美国1964 年建成子午导航卫星系统,主要由美国海军使用,到1967 年开头正式向民用开放；由于该系统卫星数目较小（ 5-6颗）,运行高度较低（平均1000KM）,从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h ）,因而它无法供应连续的实时三维导航,而且精度较低；单点定位精度约为 30 40米,每次定位约需810 分钟；而各测站观测了公共的17 次合格的卫星通过时,联测定位的精度才能达到 0.5 米左右； 子午导航卫星系统是低轨道导航卫星,它集中了远程无

5、线电导航台全球掩盖和近程无线电导航台定位精度高的优点,仅用 4 颗卫星组成的太空导航星座就能供应全天候全球导航掩盖和周期性二维（经纬度） 定位才能, 使全球用户统一于地心坐标系进行高精度定位,使导航技术产生了革命性突破；70 岁月中期,我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测,国家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网,石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网；前苏联卫星导航系统（CICADA）： 12 颗宇宙卫星组成,也存在上述缺点；1.1.3 GPS全球定位系统的建立GPS全球定位系统：全球定位系统（ GlobalPositioningSystem

6、 - GPS）是美国从本世纪70 岁月开头研制,历时 20 年,耗资 200 亿美元,于 1994 年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位才能的新一代卫星导航与定位系统；GPS方案实施的三个阶段：1) 第一阶段为方案论证和初步设计阶段；从1973 年到 1979 年,共发射了 4 颗试验卫星；研制了地面接收机及建立地面跟踪网；2) 其次阶段为全面研制和试验阶段；从 1979 年到 1984 年,又间续发射了7 颗试验卫星,研制了各种用途接收机；试验说明,GPS定位精度远远超过设计标准；3) 第三阶段为有用组网阶段； 1989 年 2 月 4 日第一颗 GPS工作卫星发射胜利,

7、 说明 GPS 系统进入工程建设阶段；1993 年底有用的 GPS网即（ 21+3） GPS星座已经建成,今后将根 据方案更换失效的卫星；卫星类型卫星数量 /发射时间 /颗年用途为了改进 GPS系统,美国方案并发射了第三代GPS卫星；表 1 GPS 卫星的进展概况第一代Block I1119781985试验其次代BlockII,IIA2819891996正式工作第三代Block IIR,IIF3319972022系统改 进GPS注： Block IIAA=Advanced,IIRR=Replacement,IIFF=Follow on GPS系统包括三大部分：1) 空间部分 GPS卫星星座；2

8、) 地面掌握部分地面监控系统；3) 用户设备部分 GPS信号接收机；GPS卫星星座的基本参数：1卫星数 21+3 颗；2) 6个卫星轨道面,轨道倾角55 度；3) 卫星高度为 20220km, 卫星运行周期为 11 小时 58 分；4载波 L1 频率为 1575.42MHz, L2 为 1227.60MHz；GPS工作卫星情形：1) 在轨重量 843.68kg ,设计寿命七年半；2) 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；3) 有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线,向地面发射张角为30 度的电磁波束；4) 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿势调整,卫星姿势调整采纳三轴稳固方式, 使卫星天线始终

9、对准地心；过天顶的卫星可见时间为 5 小时,在地表任意地点及任何时刻,在高度角 15 度以上, 平均可同时观测到 6 颗卫星, 最多可达 9 颗卫星, 但随着第三代 GPS卫星的发射, 可观测到的卫星个数大大增多；GPS接收机：采纳码分多址（ CDM）A 技术,实现了接收机多通道接收卫星信号,提高系统的稳固性；通信领域的联通 CDMA手机应用了此技术；经近 10 年我国测绘等部门的使用说明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显 著特点, 赢得广大测绘工作者的信任,并胜利地应用于大地测量、工程测量、 航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学

10、科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命；1.1.4 GLONASS 全球导航卫星系统GLONASS全球导航卫星系统的建成：前苏联于 1982 年开头发射 GLONASS卫星, 至 1996 年共发射 24+1 颗卫星, 经数据加载,调整和检验,于 1996 年 1 月 18 日系统正式运行,主要为军用；其原理和系统组成与GPS系统类似；主要特点：1、GLONASS卫星的识别方法采纳频分复用制,L1 频率为 1.602 1.616GHz, 频道间隔为0.5625MHz； L2 频率为 1.246 1.256GHz, 频道间隔为 0.4375MHz；2、GLONASS卫星上均装由激光反射镜,地面

11、掌握站组（GCS）对卫星进行激光测距,对测距数据作周期修正；3、GLONASS系统民用不带任何限制；不收费；4、民用的标准精度通道（CSA）精度数据为：水平精度为50 70m,垂直精度75m,测速精度 15cm/s, 授时精度为 1s；卫星定位系统的集成：目前已有 GPS与 GLONSS集成的接收机, 这样 GLONSS可与 GPS卫星一起定位, 使可接受的卫星数目增加一倍,提高定位精度, 也可有效地减弱美俄两国对各自定位系统的可能掌握,提高定位的牢靠性和安全性；1.1.5 伽利略 GalileoGNSS系统Galileo系统建设始于 2002 年,方案 2022 年投入使用, 我国参与了该系

12、统的投资建设, 是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统；卫星星座：30 颗卫星匀称分布在3 个中高度圆轨道平面上,轨道高度23616km,倾角 56 度；地面任一地点任一时间可见到4 颗 Galileo卫星,达到全天候、实时导航和定位；与GPS/GLONAS有S 机地兼容,增强系统使用的安全性和完善性；表 2三种卫星系统比较卫 星 系 统GalileoGLONASS卫 星 数 （颗 ）21+3GPS21+327+3轨 道 面 数 （ 个 ）363轨 道 倾 角 （ 度 ）64.85556平 均 高 度 （ km ） 23616周 期 （ hm ）14h191002022011h15m11

13、h58m卫 星 射 电 频 率1561-1569MHz卫 星 射 电 频 率1224-1232MHzC/A码 频 率1176.75 MHz EL11602-1616MHz1575.42MHzL21246-1256MHz1227.6MHz511kHz1.023MHz1.1.6 双星导航定位系统 北斗一号 系统组成：北斗导航定位卫星、地面掌握中心、北斗用户终端；星座由 2 颗 1 颗（备用）的地球同步卫星组成；其特点为：主动式、全天候、区域性、短信通讯和低动态；功能：1、定位2、通讯3、授时第一章 绪论1.2 GPS 系统组成GPS系统包括三大部分： 空间部分 GPS卫星星座；地面掌握部分地面监控

14、系统；用户设备部分 GPS信号接收机；1.2.1 GPS工作卫星及其星座GPS卫星星座的基本参数： 卫星数 21+3 颗；6 个卫星轨道面,轨道倾角55 度；卫星高度为 20220km,卫星运行周期为 11 小时 58 分； 载波 L1 频率为 1575.42MHz, L2 为 1227.60MHz；GPS工作卫星情形：在轨重量 843.68kg ,设计寿命七年半； 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线,向地面发射张角为30 度的电磁波束；由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿势调整,卫星姿势调整采纳三轴稳固方式,使卫星天线始终对准地心；1.2.2 地面监控系

15、统GPS的地面监控系统包括一个主控站、五个监控站和三个注入站；主控站位于美国克罗拉多（Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地,它的作用是依据各监控站对 GPS的观测数据, 运算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时, 它仍对卫星进行掌握,向卫星发布指令,当工作卫星显现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作；另外,主控站也具有监控站的功能；监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷（Hawaii ）、阿松森群岛（Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia）、卡瓦加兰（ Kwajalein）,监控站的作用是接

16、收卫星信号,监测卫星的工作状态；注入站分别位于阿松森群岛（Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）,注入站的作用是将主控站运算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去；1.2.3 GPS信号接收机GPS的用户部分由GPS接收机、 数据处理软件及相应的用户设备如运算机气象仪器等所组成；GPS接收机采纳码分多址（ CDM）A 技术,实现了接收机多通道接收卫星信号,提高系统的稳固性；它的作用是接收 GPS卫星所发出的信号, 利用这些信号进行导航定位等工作；以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统；第 1.1 1.2 1.3节GPS定位原

17、理及应用授课教案第一章 绪论1.3 GPS 在国民经济建设中的应用1.3.1 GPS系统的特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等；1、定位精度高应用实践已经证明, GPS相对定位精度在 50KM以内可达 10-6 ,100-500KM 可达 10-7 ,1000KM可达 10-9 ；在 300-1500m 工程精密定位中,1 小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于 1mm,与 ME-5000 电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为0.5mm,较差中误差为 0.3mm；2、观测时间短随着 GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM以内相对静态

18、定位,仅需 15-20 分钟；快速静态相对定位测量时,当每个流淌站与基准站相距在15KM以内时,流淌站观测时间只需1-2 分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟；3、测站间无须通视GPS测量不要求测站之间相互通视,只需测站上空开阔即可,因此可节约大量的造标费用；由于无需点间通视,点位位置可依据需要,可稀可密,使选点工作甚为敏捷,也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作；4、可供应三维坐标经典大地测量将平面与高程采纳不同方法分别施测；GPS可同时精确测定测站点的三维坐标；目前 GPS水准可满意四等水准测量的精度；5、操作简便随着 GPS接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的已达“傻瓜化

19、”的程度；接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作者的工作紧急程度和劳动强度； 使野外工作变得轻松开心；6、全天候作业目前 GPS观测可在一天24 小时内的任何时间进行, 不受阴天黑夜、 起雾刮风、 下雨下雪等气候的影响；7、功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航,仍可用于测速、测时；测速的精度可达0.1M/S ,测时的精度可达几十毫微秒；其应用领域不断扩大；GPS系统的应用前景起初,设计GPS系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的；但是,后来的应用开发说明,GPS系统不仅能够达到上述目的, 而且用 GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定

20、位, 米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量；因此,GPS系统呈现了极其宽阔的应用前景；1.3.2 GPS系统的应用前景1、GPS的最初用途GPS最初就是为军方供应精确定位而建立的,至今它仍旧由美国军方掌握； 军用 GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标,给海中的军舰导航, 为军用飞机供应位置和导航信息等；2、GPS系统用途广泛目前, GPS系统的应用已将特别广泛,我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航, 导弹的制导, 大地测量和工程测量的精密定位,时间的传递和速度的测量等；对于测绘领域, GPS卫星定位技术已经用于建立

21、高精度的全国性的大地测量掌握网,测定全球性的地球动态参数； 用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘； 用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量, 成为建立城市与工程掌握网的主要手段； 用于测定航空航天摄影瞬时的相机位置,实现仅有少量地面掌握或无地面掌握的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命；很多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置, 这一般需要借助无线通信技术；一些 GPS接收器集成了收音机、 无线电话和移动数据终端来适应车队治理的需要；3、多元化空间资源环境的显现目前, GPS, GLONAS,S INMARSAT等系统

22、都具备了导航定位功能,形成了多元化的空间资源环境； 这一多元化的空间资源环境, 促使国际民间形成了一个共同的策略, 即一方面对现有系统充分利用,一方面积极筹建民间 GNSS系统,待到 2022 年前后, GNSS纯民间系统建成,全球将形成 GPS/GLONASS/GNS三S足鼎立之势,才能从根本上摆脱对单一系统的依靠, 形成国际共有、 国际共享的安全资源环境； 世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境域； 国际民间的这一策略, 反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整； 总之, 由于多元化空间资源环境的确立,给 GPS的进展应用制造了一个前所未有的良好的国际环境；4、

23、进展 GPS产业今后 GPS 将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化；美国已将广域增强系统WAA（S即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送,使地球同步卫星也具有 C/A 码功能, 形成广域 GPS增强系统） 方案进展成国际标准； 我国目前也有一些单位生产车载 GPS系统；为进展我国的GPS产业,武汉已经成立中国GPS工程中心；5、GPS的应用将进入人们的日常生活最近几年, 越来越多一般消费者买得起的GPS接收器显现了； 随着技术的进步, 这些设备的功能越来越完善, 几乎每月都有新的功能显现,但价格在下跌, 尺寸也越来越小了；两三年前 GPS设备仍像艺术品一样令人望而却步,而现

24、在消费者最终可以拥有一款理想已久的 GPS接收器了,仍带有以前做梦也想不到的很多先进的功能；消费类 GPS手持机的价格从几百元到几千元不等,它们基本上都有12 个并行通道和数据功能；有些甚至能与便携电脑相连,可以上传/ 下载 GPS信息,并且使用精确到街道级的地图软件,可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航；GPS信号接收机在人们生活中的应用,是一个难以用数字猜测的宽阔天地,手表式的 GPS接收机,将成为旅行者的忠实导游；尽管目前大多数人仍不知道什麽是 GPS,但有人预言, GPS将转变我们的生活方式；今后,全部运载器,都将依靠于 GPS；GPS就象移动电话、传真机、运算机互联网对我们生

25、活的影响一样,人们日常生活将离不开它；1.3.3 我国的 GPS定位技术应用和进展情形新中国成立后, 我国的航天科技事业在独立更生、艰苦创业的征途上, 逐步建立和进展, 跻身于世界先进水平的行列,成为世界空间强国之一；从1970 年 4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来, 我国已胜利地发射了三十多颗不同类型的人造卫星,为空间大地测量工作的开展制造了有利条件；70岁月后期,有关单位在从事多年理论争论的同时,引进并试制胜利了各种人造卫星观测仪器； 其中有人卫摄影仪、 卫星激光测距仪和多普勒接收机；依据多年的观测实践, 完成了全国天文大地网的整体平差,建立了1980 年国家大地坐标系,进行了南海群岛的

26、联测；80 岁月初,我国一些院校和科研单位已开头争论 GPS技术；十多年来,我国的测绘工作者在 GPS定位基础理论争论和应用开发方面作了大量工作；80 岁月中期,我国引进 GPS接收机,并应用于各个领域；同时着手争论建立我国自己的卫星导航系统； 至今十多年来, 据有关人士估量, 目前我国的 GPS接收机拥有量约在4 万台左右,其中测量类约 500-700 台,航空类约几百台,航海类约 3 万多台,车载类数千台；而且以每年 2 万台的速度增加；足以说明 GPS技术在我国各行业中应用的广泛性；在大地测量方面, 利用 GPS技术开展国际联测, 建立全球性大地掌握网, 供应高精度的地心坐标, 测定和精

27、化大地水准面；组织各部门 10 多个单位, 30 多台 GPS双频接收机 参与 1992 年全国 GPS定位大会战；经过数据处理,GPS网点地心坐标精度优于02m,点间位置精度优于 10 8；在我国建成了平均边长约100km 的 GPSA级网,供应了亚米级精度地心坐标基准；此后,在A 级网的基础上,我国又布设了边长为30 100km 的 B 级网,全国约 2500 个点； A、B 级 GPS网点都联测了几何水准；这样,就为我国务部门的测绘工作,建立各级测量掌握网, 供应了高精度的平面和高程三维基准；我国已完成西沙、 南沙群岛各岛屿与大陆的 GPS联测,使海岛与全国大地网联成一整体；在工程测量方

28、面, 应用 GPS静态相对定位技术, 布设精密工程掌握网, 用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、 高层建筑变形监测、隧道贯穿测量等精密工程；加密测图掌握点, 应用 GPS实时动态定位技术 简称 RTK测绘各种比例尺地势图和用于施工放样；在航空摄影测量方面,我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业掌握测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；我国已开头用 GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动,建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等；GPS

29、技术已经用于海洋测量、水下地势测绘；我国的全球定位系统 GPS 测量规范已于 1992 年 10 月 1 日起实施；此外,在军事部门、交通部门、邮电部门,地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地治理、金融、公安等部门和行业,在航空航天、测时授时、物理探矿、姿势测定等领域,也都开展了GPS技术的争论和应用；在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深化的争论,研制开发了 GPS 静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件；在理论争论与应用开发的同时,培育和造就了一大批技术人才和产业队伍；近几年,我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站, 进行对 GPS卫

30、星的精密定轨, 为高精度的 GPS定位测量供应观测数据和精密星历服务,致力于我国自主的广域差分GPSWADGP方S案的建立,参与全球导航卫星系统GNSS和GPS增强系统 WAAS的筹建；同时,我国已着手建立自己的卫星导航系统 双星定位系统 , 能够生产导航型和测地型GPS接收机； GPS技术的应用正向更深层次进展；为了适应 GPS技术的应用与进展, 1995 年成立了中国 GPS协会,协会下设四个专业委员会,期望通过广泛的沟通与合作,进展我国的GPS应用技术；其次章 坐标系统和时间系统2.1 天球坐标系和地球坐标系懂得各种坐标系统的定义和相互关系；全球定位系统（ GPS）的最基本任务是确定用户

31、在空间的位置；而所谓用户的位置,实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标,位置是相对于参考坐标系而言的,为此, 第一要设立适当的坐标系；坐标系统是由原点位置、3 个坐标轴的指向和尺度所定义,依据坐标轴指向的不同,可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系；由于坐标系相对于时间的依靠性,每一类坐标系又可划分为如干种不同定义的坐标系；不管采纳什么形式, 坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换, 可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去；2.1.1 天球坐标系天球坐标系是利用基本星历表的数据把基本坐标系固定在天球上,星历表中列出肯定数 量的恒星在某历元的天体赤道坐标值,以及由于岁差和自转共同影响而产生的

32、坐标变化；常用的天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系；在天球坐标系中, 天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述；1. 天球空间直角坐标系的定义地球质心 O为坐标原点, Z 轴指向天球北极,X 轴指向春分点, Y 轴垂直于 XOZ平面, 与 X 轴和 Z 轴构成右手坐标系；就在此坐标系下,空间点的位置由坐标（X,Y,Z）来描述；2. 天球球面坐标系的定义地球质心 O为坐标原点, 春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经） 测量基准基准子午面, 赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标；空间点的位置在天球坐标系下的表述 为（ r ,）；天球空间直角坐标系与天

33、球球面坐标系的关系可用图2-1 表示：图 2-1天球直角坐标系与球面坐标系对同一空间点,天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：Xr coscosYr sincos21 Zr sinrX 2Y 2Z 2arctanY / X 222.1.2 地球坐标系arctanZ /X 2Y2地球坐标系有两种几何表达方式,即地球直角坐标系和地球大地坐标系；1. 地球直角坐标系的定义地球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 轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点,Y 轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系；2. 地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义是：地球

34、椭球的中心与地球质心重合,椭球的短轴与地球自转轴重合；空间点位置在该坐标系中表述为（L, B, H）；地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2 表示：图 2-2地球直角坐标系和大地坐标系对同一空间点,直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：X NH cos B cosLY NH cosBsin L23Z N 1e2 Hsin BLarctanY / X BarctanZ NH /X 2Y 2 N 1e2 H 24HZ / sin BN 1e2 式 中 ,Na /1e2 sin2 B, N为 该 点 的 卯 酉 圈 曲 率 半 径 ；e2a 2b 2 / a 2,分别为该大地坐标系对应椭球

35、的长半径和第一偏心率；a,e2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系1. 站心赤道直角坐标系如图 2-3 , P1 是测站点, O为球心；以O为原点建立球心空间直角坐标系OXYZ ；_ _以 P1 为原点建立与 O系；XYZ 相应坐标轴平行的P1X Y Z坐标系叫站心赤道直角坐标_ _明显, P1_X Y Z 同 OXYZ坐标系有简洁的平移关系：X XNH cos BcosL_Y YNH cos Bsin L2-5Z _N 1 Ze2 Hsin B2. 站心地平直角坐标系以 P1 为原点, 以 P1 点的法线为 z 轴（指向天顶为正） ,以子午线方向为 x 轴（向北为正）, y 轴与

36、 x, z 垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系；站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：_X_YR z_Z站赤180L R（y90 - B） Pyx yz 地平sin B cosLsin LcosB cosLsin B sin L cosBcosL 0cos B sin L sin B25代入（ 2-4 ）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式：Xsin B cosLYsin B sin L ZcosBsin L cos L0cosB cosLx cos Bsin Ly sin Bz NH cosB cosL NH cosBsin L 27 N

37、 1e2 H sin B3. 站心地平极坐标系以测站 P1 为原点,用测站 P1 至卫星 s 的距离 r 、卫星的方位角 A、卫星的高度角 h 为参数建立的与站心地平直角坐标系 P1 xyz 相等价的坐标系称为站心地平极坐标系 P1 rAh ；站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的关系为：x r cosy r sinA coshA cosh28z r sinhx 2arcy 2z2tan y / xtan z /x2y2r A29harc2.1.4 卫星测量中常用坐标系1. 瞬时极天球坐标系与地球坐标系瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心,z 轴指向瞬时地球自转方向 （真天极）,x 轴指向瞬时春

38、分点（真春分点）,y 轴按构成右手坐标系取向；瞬 时 极 地 球坐标系： 原点位于地球质心, z 轴指向瞬时地球自转 轴方向, x 轴指向瞬时赤道面和包 含瞬时地球自转 轴与平均天文台 赤道参考点的子 午面之交点, y 轴构成右手坐标系 取向；瞬 时 极 天 球坐标系与瞬时极 地球坐标系的关 系如图 2-4 所示；2. 固 定 极 天球坐标系平天球坐标系由于瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化,对争论卫星的运动很不便利,需要建立一个三轴指向不变的天球坐标系平天球坐标系；即挑选某一历元时刻, 以此瞬时的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬时的章动值作为z 轴和 x 轴指向, y 轴按构成右手坐标系

39、取向,坐标系原点与真天球坐标系相同；瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现；（ 1）岁差旋转变换ZM（ t0 表示历元 J2000.0年平天球坐标系 z 轴指向, ZM（ t ）表示所论历元时刻t 真天球坐标系 z 轴指向；由于岁差导致地球自转轴的运动使二坐标系z 轴产生夹角 A；同理, 因岁差导致春分点的运动使二坐标系的x 轴 XMt0 与 XMt 产生夹角 A ,ZA；通过旋转变换得到这样两个坐标系间的变换式为：xxy Rz Z A Ry A Rz A y211z M t zM t0式中： A , A, ZA 为岁差参数；（ 2）章动旋转变换类似地有章动旋转

40、变换式：xxy Rx Rz Rx y212z c t zM t 式中：为所论历元的平黄赤交角,分别为黄经章动和交角章动参数；3. 固定极地球坐标系平地球坐标系（ 1）极移： 地球瞬时自转轴在地球上随时间而变,称为地极移动,简称极移；（ 2）瞬时极： 与观测瞬时相对应的自转轴所处的位置,称为该瞬时的地球极轴,相应的极点称为瞬时极；依瞬时地球自转轴定向的坐标系称为瞬时极地球坐标系；（ 3）国际协定原点CIO：采纳国际上 5 个纬度服务站的资料,以1900.00至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO；平地球坐标系的 z 轴指向 CIO；图 2-5 为瞬

41、时极与平极关系（ 4）平地球坐标系： 取平地极为坐标原点, z 轴指向 CIO,x 轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点, y 轴在协定赤道面里,与xoz 构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系；平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：xxy Ry xp Rx yp y213z emz et下标 em表示平地球坐标系, et 表示 t时的瞬时地球坐标系, 表示的极移值；4、坐标系的两种定义方式与协议坐标系x p , y p为 t 时刻以角度通常,理论上坐标系的定义过程是先选定一个尺度单位,然后定义坐标原点的位置和坐标轴的指向；实际应用中,在已知如干测站点的坐标值后,通过观测又可反过来定义

42、该坐标系；前一种方式称为坐标系的理论定义；而由一系列已知测站点所定义的坐标系称为协定坐标系；其次章 坐标系统和时间系统2.2 WGS-84 坐标系和我国大地坐标系2.2.1 WGS-84 坐标系WGS-84的定义： WGS-84是修正 NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化,并旋转其参考子午面与 BIH 定义的零度子午面一样而得到的一个新参考系,WGS-84坐标系的原点在地球质心,Z 轴指向 BIH1984.0 定义的协定地球极 （ CTP）方向, X 轴指向 BIH1984.0 的零度子午面和 CTP赤道的交点, Y 轴和 Z、X 轴构成右手坐标系；它是一个地固坐标系；WGS-84椭球及其有

43、关常数： WGS-84采纳的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数举荐值,其四个基本参数长半径： a=6378137 2（ m）；地球引力常数： GM=3986005 108m3s-2 0.6 108m3s-2；正常化二阶带谐系数：C20=-484.16685 10-6 1.3 10-9 ；5C20=-J2/J2=108263 10-8地球自转角速度： =7292115 10-11rads-10.150 10-11rads-1建立 WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的,是在世界上建立一个统一的地心坐标系；2.2.2 国家大地坐标系1.1954年北京坐标系（ BJ54 旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃；参考椭球：克拉索夫斯基椭球；平差方法：分区分期局部平差；存在问题：（ 1）椭球参数有较大误差；（ 2）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倾斜；（ 3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一；（ 4）定向不明确；2.1980年国家大地坐标系（ GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇；参考椭球： 197