GPS坐标系统与时间系统资料.pptx

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1、Slide 1一 坐标系统Your Location is:36.067901o N94.171071o WYour Location is:-375434.4998875148030.0219523734385.940602Your Location is:3993161.250526515411.424436含义？不同类型的意义？如何实现他们之间的转换？第1页/共66页Slide 21)1)坐标系统站心赤道坐标系站心地平坐标系高斯平面直角坐标系天文坐标系参心大地坐标系参心空间直角坐标系地心大地坐标系地心空间直角坐标系投影平面地心参心站心总 地球 椭球面参 考椭 球面大 地水 准面表示方式坐

2、标原点参考面地球坐标系统笛卡尔坐标曲线坐标平面直角坐标第2页/共66页Slide 32)GPS2)GPS中的坐标系统uWGS-84坐标系u我国的国家大地坐标系u 地方独立坐标系uITRF坐标框架u站心坐标系p16第3页/共66页Slide 43)3)天球坐标系和地球坐标系北天极春分点第4页/共66页Slide 54)坐标系的变换u空间大地坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系高斯平面直角坐标系 第5页/共66页Slide 65)坐标转换P20，公式 2-20第6页/共66页Slide 7二 时间系统UT1t1972.0UTC1958.0IATt1980.1.619s

3、GPSTUT极移改正UT1地球自转速度改正UT2第7页/共66页Slide 8关于坐标系统常见的问题1.校园地形图测量成果属于什么坐标系？2.经纬度、空间直角坐标XYZ，平面直角坐标xyz之间的联系是什么？3.GIS软件中常见的“基准”指的是什么？4.为什么会存在北京54、国家80，WGS-84等等不同的坐标系？5.地方坐标系（如北京城建）和国家坐标系有哪些不同？6.为什么有了世界坐标系还要使用国家坐标系？7.我国的国家坐标系属于参心坐标系还是地心坐标系？8.GPS卫星坐标已知，相当于控制点，那么地面上还需要坐标已知的控制点吗？第8页/共66页Slide 9OUTLINEOUTLINEu常规大

4、地测量中的坐标系统u卫星大地测量中的坐标系统uGPS常用的坐标系统u坐标系统之间的转换u时间系统Your Location is:36.067901o N94.171071o W第9页/共66页Slide 10经典大地测量中的坐标系统常见的坐标系统u空间直角坐标系u大地坐标系u平面直角坐标系第10页/共66页Slide 111 1、复习建立测量坐标系的基准面是什么？v三种类型的坐标系之间的联系的纽带什么？第11页/共66页Slide 12基准不仅仅是椭球参数第12页/共66页Slide 13如果基准混淆了：第13页/共66页Slide 14基准的确定大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面和参心

5、坐标系参考椭球第14页/共66页Slide 152、参心坐标系的特点不关心地心是否与参心重合；只关心表面的拟和程度，使得椭球面上的计算简单第15页/共66页Slide 16我国的大地坐标系u1954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u1980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NO1GEOIDNO2P17第16页/共66页Slide 173、平面直角

6、坐标系的建立第17页/共66页Slide 18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度带第18页/共66页Slide 19结论：v定义一个坐标系统，包含了哪两个基本要素（方面）？坐标系统的基准坐标系统的形式第19页/共66页Slide 20第一节 天球坐标系与地球坐标系u描述卫星的位置天球坐标系u描述地球上的点的位置地球坐标系第20页/共66页Slide 21一、天球和天球坐标系天球以地球质心为中心，

7、半径为任意长度的一个假想球体。第21页/共66页Slide 221 1、天球天轴:地球自转轴的延伸线u天极:天轴与天球的交点u天球赤道面：通过地球质心，与天轴垂直的平面u天球子午面：包含天轴,并通过天球上任何一点的平面第22页/共66页Slide 23黄道和春分点u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u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春分点：在天球上的位置不随着地球的自转变化第23页/共66页Slide 242 2、天球坐标系的两种表示方法u天球空间直角坐标系(X,Y,Z)u天球球面坐标系 (赤经，赤

8、纬，向径)p11以天球为基准面，建立天球坐标系（春分点、北天极，天球的球心）北天极春分点第24页/共66页Slide 253 3、建立天球坐标系的两个问题u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P14-15u岁差：由于对隆起部分的作用，周期25800年u章动：由于月球轨道和月地距离的变化，周期18.6年第25页/共66页Slide 264 4、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P15北黄极第26页/共66页

9、Slide 27三种天球坐标系u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u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u标准历元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第27页/共66页Slide 28二、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第28页/共66页Slide 291 1、地心坐标系的定义u地心空间直角坐标系u地心大地坐标系P12图2-2和参心坐标系统的定义有何区别？第29页/共66页Slide 302 2、建立地球坐标系的问题：极移u

10、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。P15瞬时北地极1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置第30页/共66页Slide 313 3、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1900.001905.00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？P16第31页/共66页Slide 32WGS-84WGS-84坐标系 World geodetic syst

11、em u类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）u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u椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）P16第32页/共66页Slide 33CGCS20002000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000),国人称之为2000国家大地坐标系。CGCS2000为右手地固正交坐标系,其原点和轴向的定义是:原点在地球的质量中心;Z轴指向IERS参考极(IRP)方

12、向;X轴为IERS参考子午面(IRM)与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线;Y轴与Z、X轴构成右手正交坐标系。CGCS2000通过2000国家GPS大地网的点在历元2000.0的坐标和速度具体体现。2000国家GPS大地网由中国地壳运动观测网络、全国GPS一、二级网,国家GPSA、B级网和地壳形变监测网等空间网(共2518点)经联合平差得到。第33页/共66页Slide 34小结：天球坐标系与地球坐标系（1）原点都位于_；（2）天球的_和地球的_重合；（3）瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的_重合;（4）天球坐标系与地球坐标系X轴分别指向_和_；（5）瞬时天球坐标系和历元平天球坐标系之间的变换可

13、以通过_和_两次变换来实现。（6）瞬时地球坐标系和平地球坐标系的变换可以通过_变换来实现。第34页/共66页Slide 35转换关系瞬时平天球坐标系标准历元的平天球坐标系GAST旋转瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系极移改正章动岁差天球坐标系与地球坐标系的瞬时坐标系的X轴夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST第35页/共66页Slide 36例如：极移改正瞬时地球坐标系平地球坐标系第36页/共66页Slide 37第二节 ：GPSGPS中的坐标系统uWGS-84坐标系u我国的国家大地坐标系u 地方独立坐标系uITRF坐标框架u站心坐标系p16第37页/共66页Slide 381、地方独立

14、坐标系u国家统一坐标系有利于统一互算投影变形u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地方参考椭球？平面控制网的坐标系统应当保证长度综合变形不超过2.5cm/km(相对变形为1/40000)第38页/共66页Slide 39如何确定地方参考椭球的参数？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）以测区卯酉圈曲率半径的变化量求长半径变化量p18第39页/共66页Slide 402 2、ITRFITRF国际地球参考框架uITRS和ITRFITRS-International Terrestrial Reference SystemITRF-

15、International Terrestrial Reference Frameu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u实质:地心地固系的具体体现uIERS已经公布了10个版本的ITRF，分别为：ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000。p19第40页/共66页Slide 413 3、站心坐标系站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系p12天顶东北第41页/共66页Slide 42第三节 坐标系统之间的转换区分u

16、坐标变换在相同的基准之上，不同坐标系表示形式之间进行变换u坐标转换在不同的参考基准间进行变换（基准的转换）p19第42页/共66页Slide 43一、坐标系的变换u空间大地坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系高斯平面直角坐标系 第43页/共66页Slide 441 1、(B L H)B L H)(X Y Z)(X Y Z)需要哪些参数？第44页/共66页Slide 452 2、(X Y Z)X Y Z)(B L H)(B L H)需要哪些参数？第45页/共66页Slide 463 3、(B L)(B L)(x y)(x y)高斯投影的计算公式：需要哪些参数？第46

17、页/共66页Slide 47思考1.校园测图成果能够直接转换成大地坐标？2.校园测图成果能够直接转换成空间直角坐标？第47页/共66页Slide 48*坐标变换的实质同一个基准第48页/共66页Slide 49*坐标转换的实质不同的基准第49页/共66页Slide 50*坐标转换要解决的问题 BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2第50页/共66页Slide 51*坐标转换的流程图 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2坐标变换坐标变换七参数第51页/共66页

18、Slide 52*七参数模型？OB ZB XB YB OA YA ZA XA wx wY wZ C XCA XCB X0 第52页/共66页Slide 53*七参数模型P20，公式 2-20第53页/共66页Slide 54*大地测量中的七参数模型P20，公式 2-21第54页/共66页Slide 55*应用七参数模型的关键：转换参数 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2坐标变换坐标变换七参数第55页/共66页Slide 56思考：uGPS的定位原理是空间的后方交会，卫星作为坐标已知的控制点，但是在做GPS控制网时，通常的要

19、求网中包含3个以上的地方坐标已知的控制点，为什么？u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，称公共点第56页/共66页Slide 57*求转换参数的模型P20，公式 2-22第57页/共66页Slide 58*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第58页/共66页Slide 59关于坐标转换的常见问题1.北京地区进行wgs-84坐标系测量成果到北京54坐标系的转换，使用的转换参数和武汉的测量成果的转

20、换参数是一样的吗？2.如果进行bj54坐标系大地坐标到wgs-84大地坐标的转换，总共需要几个参数?3.有人说：如果进行bj54坐标系高斯平面直角坐标到wgs-84高斯平面直角坐标的转换，实际上是一种二维的转换，采用四参数模型（原点平移2、旋转1，缩放1）即可。如何理解？BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2第59页/共66页Slide 60第四节 时间系统u时间系统u常用的时间系统uGPS时间系统u时间系统间的转换第60页/共66页Slide 61意义：u卫星的位置误差1cm，要求相应的时刻误差应小于2.6x10-6秒；u测

21、距误差1cm，要求信号传播时间的测量误差，应不超过3x10-11秒；第61页/共66页Slide 62一、时间系统u时间：包含时刻和时间间隔两种意义u时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度（单位）和原点（起始历元），一般来说任何一个可观测的周期运动现象，只要满足：连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准第62页/共66页Slide 63思考v世界时是参照_运动的时间系统。v一个太阳日和一个恒星日相比，那个时间长？v世界时是以平子夜为_的格林尼治_时。v由于地球自传在变慢，世界时比原子时越来越_（快/慢）v协调世界时是时刻上接近于_，以_秒长为基准的时间系统。v2006年以后，世界时和原子时间的跳秒数是33；那么，GPS时间和UTC时间之间的差异是_秒？第63页/共66页Slide 64*太阳时和恒星时参照于遥远星体的地球自转周期参考点：一个天体或天球上某个特殊点测站点子午圈参考点连续两次经过测站点子午圈的时间段参照于太阳的地球自转周期第64页/共66页Slide 65*时间系统的关系UT1t1972.0UTC1958.0IATt1980.1.619sGPSTUT极移改正UT1地球自转速度改正UT2第65页/共66页Slide 66感谢您的观看！第66页/共66页