测量坐标系统与时间系统.ppt
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1、第二章第二章 GPS坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统第一节 GPS测量的坐标系统 全球定位系统(全球定位系统(GPS)的最基本任务是确定用户)的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置,实际上是指该用在空间的位置。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,首先要设立适当的坐标系系而言的,为此,首先要设立适当的坐标系 GPS定位是以定位是以GPS卫星为动态已知点,根据卫星为动态已知点,根据GPS接收机观测的星战距离来确定接收机或者测站的接收机观测的星战距离来确定接收机或者测站的位置,而
2、位置的确定离不开坐标系。位置,而位置的确定离不开坐标系。GPS定位所采用的坐标系的特点定位所采用的坐标系的特点vGPSGPS定位的坐标系既有空固坐标系,又有地固定位的坐标系既有空固坐标系,又有地固坐标系。坐标系。v建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标系。系。vGPSGPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心,定位的地球坐标系原点在地球的质量中心,即为地心坐标系。即为地心坐标系。v必须要掌握坐标系间的转换。必须要掌握坐标系间的转换。GPSGPS测量坐标系的分类测量坐标系的分类坐坐标标系分系分类类坐坐标标系特征系特征空固坐空固坐标标系与地固坐系与地固坐标标系
3、系空固坐空固坐标标系与天球固系与天球固连连,与地球自,与地球自转转无关,用来确定天体位置无关,用来确定天体位置较较方便。方便。地固坐地固坐标标系与地球固系与地球固连连,随地球一起,随地球一起转动转动,用来确定地面点位置,用来确定地面点位置较较方便。方便。地心坐地心坐标标系与参心坐系与参心坐标标系系地心坐地心坐标标系以地球的系以地球的质质量中心量中心为为原点,如原点,如WGS-84坐坐标标系和系和ITRF参考参考框架均框架均为为地心坐地心坐标标系。而参心坐系。而参心坐标标系以参考系以参考椭圆椭圆体的几何中心体的几何中心为为原点,如北京原点,如北京54坐坐标标系和系和80国家大地坐国家大地坐标标系
4、。系。空空间间直角坐直角坐标标系、球系、球面坐面坐标标系、大地坐系、大地坐标标系及平面系及平面直角坐直角坐标标系系经经典大地典大地测测量采用的坐量采用的坐标标系通常有两种,一是以大地系通常有两种,一是以大地经纬经纬度表示点位度表示点位的大地坐的大地坐标标系,二是将大地系,二是将大地经纬经纬度度进进行高斯投影或横行高斯投影或横轴轴墨卡托投墨卡托投影后的平面直角坐影后的平面直角坐标标系。在系。在GPS测测量中,量中,为进为进行不同大地坐行不同大地坐标标系系之之间间的坐的坐标转换标转换,还还会用到空会用到空间间直角坐直角坐标标系和球面坐系和球面坐标标系。系。国家国家统统一坐一坐标标系与地系与地方方独
5、立坐独立坐标标系系采用采用单单独坐独坐标标系系统统既不是我国国家既不是我国国家统统一坐一坐标标系常用的是系常用的是80国家大地坐国家大地坐标标系也不是北京系也不是北京54坐坐标标系,系,天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系 GPSGPS测量技术是通过安置于地球表面的测量技术是通过安置于地球表面的GPSGPS接收机,接收接收机,接收GPSGPS卫星信号来测定地面点位置。观测站固定在地球表面,卫星信号来测定地面点位置。观测站固定在地球表面,其空间位置随地球自转而变动,而其空间位置随地球自转而变动,而GPSGPS卫星围绕地球质心旋卫星围绕地球质心旋转且与地球自转无关。因此,在卫星定位中,需建
6、立两类坐转且与地球自转无关。因此,在卫星定位中,需建立两类坐标系统和统一的时间系统,标系统和统一的时间系统,即天球坐标系与地球坐标系。即天球坐标系与地球坐标系。天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,空间保持不变,用于描述卫星运行位置和状态。用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系地球坐标系则是与地球相关联的坐标系,用于描述地面点的位置。并寻则是与地球相关联的坐标系,用于描述地面点的位置。并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系,从求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系,从而实现坐标系之间的转
7、换。而实现坐标系之间的转换。天球坐标系天球坐标系 1.1.天球空间直角坐标系的定义天球空间直角坐标系的定义 地球质心地球质心O O为坐标原点,为坐标原点,Z Z轴指向轴指向天球北极,天球北极,X X轴指向春分点,轴指向春分点,Y Y轴垂直轴垂直于于XOZXOZ平面,与平面,与X X轴和轴和Z Z轴构成右手坐标轴构成右手坐标系。则在此坐标系下,空间点的位置系。则在此坐标系下,空间点的位置由坐标(由坐标(X X,Y Y,Z Z)来描述。)来描述。2 2天球球面坐标系的定义天球球面坐标系的定义 天球球面坐标系的坐标原点也位天球球面坐标系的坐标原点也位于地球质心。天体所在天球子午面与于地球质心。天体所
8、在天球子午面与春分点所在天球子午面之间的夹角称春分点所在天球子午面之间的夹角称为天体的赤经,用为天体的赤经,用表示;天体到原表示;天体到原点点O的连线与天球赤道面之间的夹角的连线与天球赤道面之间的夹角称为赤纬,用称为赤纬,用表示;天体至原点的表示;天体至原点的距离称为向径,用距离称为向径,用r表示。这样,天体表示。这样,天体的位置也可用三维坐标(的位置也可用三维坐标(,r)唯一地确定。唯一地确定。天球坐标系天球坐标系3.3.直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换间的转换 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:
9、4、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春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动岁差、章动P14-15u岁差岁差:由于对隆起部分的作用,致由于对隆起部分的作用,致使春分点每年西移使春分点每年西移50.250.2移动一周移动一周2580025800年年u章动章动:由于月球轨道和月地距离的由于月球轨道和月地距离的变化,周期变
10、化,周期18.618.6年,北天极变成瞬时年,北天极变成瞬时平天极,绕瞬时平天机旋转轴旋转。平天极,绕瞬时平天机旋转轴旋转。地球坐标系地球坐标系 1 1地球直角坐标系的定义地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系的定义是:地球直角坐标系的定义是:原点原点O O与地球质心重合,与地球质心重合,Z Z轴指向地轴指向地球北极,球北极,X X轴指向地球赤道面与格轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点,林尼治子午圈的交点,Y Y轴在赤道轴在赤道平面里与平面里与XOZXOZ构成右手坐标系构成右手坐标系 2.2.地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是:地球大地坐标系的定义是:地球椭球的
11、中心与地球质心重合椭地球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(点位置在该坐标系中表述为(L L,B B,H H)。)。地球直角坐标系和地球大地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图地坐标系可用图2-22-2表示:表示:地球坐标系地球坐标系1 1、瞬时地球坐标系:、瞬时地球坐标系:原点位于地球质心原点位于地球质心 z z轴指向瞬时北极轴指向瞬时北极 x x轴指向起始子午面与赤道面的交点轴指向起始子午面与赤道面的交点 y y轴构成右手坐标系取向。轴构成右手坐标系取向。地球坐标系地球坐标系2 2、协议地球坐标系、协议地球坐标系 极
12、移极移:在地幔对流以及其他物质迁移的影响下,地球自转轴的位置随时间的不同而发生改变的现象称为地极移动,简称极移。国际协定原点国际协定原点CIOCIO:采用国际上5个纬度服务站的资料,以1900至 1905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。原点:地球质心原点:地球质心 z z轴:指向轴:指向CIOCIO x x轴:指向与轴:指向与CIOCIO相对应的赤道面与起始子午面相对应的赤道面与起始子午面的交点的交点 y y轴:按构成右手坐标系取向轴:按构成右手坐标系取向 地球坐标系之间的转换地球坐标系之间的转换 瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系-协议地球坐协议地球坐标系标系
13、 极移改正极移改正天球坐标系与地球坐标系之间的转换天球坐标系与地球坐标系之间的转换 卫星的位置是由天球坐标系的坐标表示,卫星的位置是由天球坐标系的坐标表示,测站的位置是由地球坐标系的坐标表示,要测站的位置是由地球坐标系的坐标表示,要想用卫星的坐标测出测站的坐标,需将天球想用卫星的坐标测出测站的坐标,需将天球坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。高程系统高程系统一、正高(海拔高)一、正高(海拔高)H H正正 1 1、定义:、定义:指地面点沿铅垂线到大地水准面的指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离距离 2 2、特点、特点:(:(1 1)正高高程是唯一的;正高高程是唯
14、一的;(2 2)一点在不同深度处的重力加速)一点在不同深度处的重力加速度的平均值度的平均值二、正常高二、正常高H H常常 1 1、定义:、定义:指地面点沿铅垂线到似大地水准面指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。的距离。我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面 高程系统高程系统三、大地高(椭球高)三、大地高(椭球高)H H 1 1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的大地高大地高 2 2、特点:大地高是纯几何量,不具物理意义。、特点:大地高是纯几何量,不具物理意义。同一个点在不同基准下有不同的大地高同一个点在不同
15、基准下有不同的大地高大地水准面差距大地水准面差距:椭球面与大地水准面之间的距离。:椭球面与大地水准面之间的距离。高程异常高程异常:椭球面与似大地水准面之间的距离。:椭球面与似大地水准面之间的距离。GPSGPS测量中的常用坐标系统测量中的常用坐标系统一、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别一、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别 大地测量坐标系是理论定义,空间一点在大地测量坐标系是理论定义,空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位不同坐标系之间转换不影响点位 大地测量基准是依据若干观测点的观测数大地测量基准是依据若干观测点的观测数据确定的大地测量坐标系,因观测有误差,据确定的大地测量坐标系,因观测
16、有误差,故空间一点在不同基准之间的转换会带来误故空间一点在不同基准之间的转换会带来误差。差。在多数场合下,两者不加区别。在多数场合下,两者不加区别。我们常用的坐标系都是大地测量基准我们常用的坐标系都是大地测量基准GPSGPS测量中的常用坐标系统测量中的常用坐标系统 WGS-84WGS-84坐标系坐标系 WGS-84WGS-84坐标系是美国根据卫星大地测量数坐标系是美国根据卫星大地测量数据建立的大地测量基准,是目前据建立的大地测量基准,是目前GPSGPS所采用的坐所采用的坐标系。标系。坐坐标标系系类类型型WGS-84坐坐标标系属地心坐系属地心坐标标系系原点原点地球地球质质量中心量中心z轴轴指向国
17、指向国际时间际时间局定局定义义的的BIH1984.0的的协议协议地球北极地球北极x轴轴指向指向BIH1984.0的起始子午的起始子午线线与赤道的交点与赤道的交点参考参考椭椭球球椭椭球参数采用球参数采用1979年第年第17届国届国际际大地大地测测量与地球物理量与地球物理联联合合会推荐会推荐值值椭椭球球长长半径半径a=6378137m椭椭球扁率球扁率由相关参数由相关参数计计算的扁率:算的扁率:=1/298.257223563表表2 WGS-84坐标系定义坐标系定义GPSGPS测量中的常用坐标系统测量中的常用坐标系统国家大地坐标系国家大地坐标系 1.19541.1954年北京坐标系(年北京坐标系(B
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