地心大地坐标系的定义课件.ppt
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1、GNSS 坐标系统及转换2.2.1 GNSS坐标系统GNSS 坐标系统及转换天球坐标系和地球坐标系:全球定位系统(GPS)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。GNSS 坐标系统及转换 坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义,根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赖性,每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。不管采用什么形式,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。GNS
2、S 坐标系统及转换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GNSS 坐标系统及转换地心空间大地直角坐标系的定义: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。地心大地坐标系的定义:地球大地坐标系的定义是:原点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表示:一、地心坐标系统直角坐标系和大地坐标系GNSS 坐标系统及转换1、大地坐标系(geodetic coordinate system)赤道面起始大地
3、子午面:NGS椭球面法线n 基本面、线参考椭球一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换1、大地坐标系(geodetic coordinate system)参考椭球测站法线:PKP测站大地子午面:NP0Sn 大地坐标(B,L,H)一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换地面点大地经度:L,0o360o或0o180o地面点大地纬度:B,0o90o地面点大地高:H,可正可负。1、大地坐标系(geodetic coordinate system)n 大地坐标(B,L,H)参考椭球一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换原点:椭球中心OZ 轴:与椭球短轴重合,指 向北极方向X轴:指向起始大地子午面与椭
4、球赤道的交点方向Y轴:构成右手坐标系n 原点及轴向2、大地空间直角坐标系(space rectangular coordinate system)参考椭球一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换2、大地空间直角坐标系(space rectangular coordinate system)地面点X坐标:n 大地空间直角坐标(X,Y,Z)地面点Y坐标:地面点Z坐标:参考椭球一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换地轴相对于地球本身相对位置变化(极移)地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化,从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化,这种现象称为极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为
5、瞬时极,某段时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化,导致地面点的纬度发生变化。一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换地球瞬时坐标系与协议地球坐标系 一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点,通常称为国际协议原点CIO(Conventional International Origin)一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换 国际极移服务(IPMS)和国际时间局(BIH)等机构分别用不同的方法得到地极原点。与CIO相应的地球赤道面称为平赤
6、道面或协议赤道面。一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换平地球坐标系和瞬时(真)地球坐标系v瞬时(真)地球坐标系 Z轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系v平地球坐标系 Z轴指向空间中某一固定点(平极)的地球坐标系平地球坐标(X,Y,Z)和瞬时(真)地球坐标(x,y,z)的转换关系一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换CIO-BIH经度零点 通过CIO和天文经度零点的子午线称为起始子午线,其与CIO赤道的交点称为赤道参考点或CIO-BIH经度零点一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换Slide 173、WGS-84坐标系一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换u类型:协议地球坐标系,地
7、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)一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换长半径:a=63781372(m);地球引力常数:GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2;正常化二阶带谐系数:C20=-484.1668510-61.310-9;J2=10826310-8地球自转角速度:=729211510-11rads-10.15010-11rads-1一、地心坐标系统GNSS
8、 坐标系统及转换背 景 上世纪八九十年代以来,国际上通行以地球质量中心作为坐标系原点,采用以地球质心为大地坐标系的原点,可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象,特别是空间物体的运动。4、2000国家大地坐标系一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换 国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心;2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向(该历元的指向由国际时间局(BIH)给定的历元为1984.0的初始指向推算)定义一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转
9、换采用2000国家大地坐标系的必要性 二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用,它的表现形式为平面的二维坐标。表示两点之间的距离精确度也比用现代手段测得的低10倍左右。比如将卫星导航技术获得的高精度的点的三维坐标表示在现有地图上,不仅会造成点位信息的损失(三维空间信息只表示为二维平面位置),同时也将造成精度上的损失。一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换 参考椭球参数。随着科学技术的发展,国际上对参考椭球的参数已进行了多次更新和改善。1980西安坐标系所采用的IAG1975椭球,其长半轴要比现在国际公认的WGS84椭球长半轴的值大3米左右,而这可能引起地表长度误差达1
10、0倍左右。一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换 维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大,维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点,与国际上通用的地面坐标系如ITRS,或与GPS定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向(BIH1984.0)不同。一、地心坐标系统GNSS 坐标系统及转换二、参考椭球面和参心坐标系大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面参考椭球GNSS 坐标系统及转换1、椭球定位和定向概念 椭球的类型:参考椭球:具有确定参数(长半径 a和扁率),经过局部定位和定向,同某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球.
11、总地球椭球:除了满足地心定位和双平行条件外,在确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球.二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换参心坐标系的特点二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换经典大地测量中的坐标系统v定义一个坐标系统,包含哪几个基本要素?v建立参心坐标系的出发点是什么?v建立一个参心大地坐标系,必须解决哪些问题?二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换2、地球参心坐标系 建立地球参心坐标系,需如下几个方面的工作:选择或求定椭球的几何参数(半径a和扁率)。确定椭球中心的位置(椭球定位)。确定椭球短轴的指向(椭球定向)。建立大地原点。二、参考
12、椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换大地原点和大地起算数据 大地原点也叫大地基准点或大地起算点,参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标志.二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换v地心坐标系坐标原点位于地球质心v参心坐标系坐标原点不位于地球质心思考:和地心坐标系统的定义有何区别?二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换v地心坐标系和参心坐标系的特点 地心坐标系适合于全球用途的应用 参心坐标系适合于局部用途的应用 有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好 保持国家坐标系的稳定 有利于地心坐标的保密二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系
13、统及转换3、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二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换 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。二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换u 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
14、年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换 特点:(1)采用1975年国际椭球。(2)参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基 础上建立起来的。(3)椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合,是多点定位。(4)定向明确。(5)大地原点地处我国中部。(6)大地高程基准采用1956年黄海高程。二、参考椭球面和参心坐标系GNSS 坐标系统及转换三、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。为了确定卫星、宇宙飞船等在宇宙空间的位置和飞行状态,首先需要确定一个在宇宙空间可视为不变的参考系。假设以地球的质心M为球心,半径为无穷大的球存在于
15、宇宙空间,天文学中称之为天球。GNSS 坐标系统及转换1、天球坐标系的两种表示方法u天球球面坐标系(赤经,赤纬,向径)u天球空间直角坐标系(X,Y,Z)二、天球坐标系GNSS 坐标系统及转换二、天球坐标系天轴: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GNSS 坐标系统及转换二、天球坐标系u地球质心O为坐标原点,uZ轴指向天球北极,uX轴指向春分点,uY轴垂直于XOZ平面,与X轴和Z轴构成右手坐标系。在此坐标系下,空间点的位置由坐标(X,Y,Z)来描述。天球空间直角坐标系的定义:GNSS 坐标系统
16、及转换地球质心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,)。天球球面坐标系的定义:天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示:二、天球坐标系GNSS 坐标系统及转换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、章动二、天球坐标系GNSS 坐标系统及转换二分点由西向东缓慢漂移(也称为“旋进”)。这一现象在我国被称之为岁差。二、天球坐标系GNSS 坐标系统
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