02GPS概论-第二章_坐标系统和时间系统.pptx
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1、全球定位系统概论全球定位系统概论资源与环境学院资源与环境学院林承达林承达 1第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 坐标系统与时间系统是描述卫星运动处坐标系统与时间系统是描述卫星运动处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础理基础2地形面、参考椭球面和大地水准面地形面、参考椭球面和大地水准面3坐标和坐标系坐标和坐标系坐标坐标定义:定义:用于在一个给定维数的空间中相对于用于在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定点的位置的一组数。一个参照系来确定点的位置的一组数。坐标系坐标系定义:定义:坐标系则是一种在给定维数的空间中坐标系则是一种在给定维数
2、的空间中用坐标来表示点的方法,是测量参照系的核用坐标来表示点的方法,是测量参照系的核心数学元素。心数学元素。类型:笛卡尔坐标系、曲线坐标系类型:笛卡尔坐标系、曲线坐标系4位置基准和坐标参照系位置基准和坐标参照系基准基准基准(基准(Datum)指的是一组用于描述其它量指的是一组用于描述其它量的量。的量。位置基准位置基准定位中被用作测量或计算基础的点、线或面,定位中被用作测量或计算基础的点、线或面,如:如:用于定义天体参照系的天球、赤道面、黄道面、用于定义天体参照系的天球、赤道面、黄道面、春分点,春分点,用于定义大地坐标系的参考椭球及其定位和定向,用于定义大地坐标系的参考椭球及其定位和定向,用于定
3、义高程参照系的大地水准面用于定义高程参照系的大地水准面5位置基准和坐标参照系位置基准和坐标参照系坐标参照系坐标参照系定义:提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协定义:提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。(议、算法和常数。(IERS)坐标参照系的确定:需要确定其原点、轴向及尺度。坐标参照系的确定:需要确定其原点、轴向及尺度。坐标参照系的类型坐标参照系的类型天球参照系天球参照系CRS Celestial Reference System也被称为空固系(也被称为空固系(Space-fixed Reference System)地球参照系地球参照系TRS Terrestr
4、ial Reference System也被称为地固系(也被称为地固系(Earth-fixed Reference System)6参考框架参考框架坐标参照系的实现坐标参照系的实现问题:坐标参照系的定义虽然明确且严密,问题:坐标参照系的定义虽然明确且严密,但是却非常抽象,而且也不易于使用。但是却非常抽象,而且也不易于使用。参考框架参考框架-坐标参照系的实现。坐标参照系的实现。参考框架参考框架定义:参考框架是一组具有相应参照系下坐定义:参考框架是一组具有相应参照系下坐标及其时间演变的点。标及其时间演变的点。理论依据:一组相容的坐标中,实际上隐含理论依据:一组相容的坐标中,实际上隐含了定义一个坐标
5、参照系所必需的一个原点、了定义一个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一个尺度。一组正交坐标轴的指向和一个尺度。7坐标系转换与基准转换坐标系转换与基准转换两种类型的坐标转换两种类型的坐标转换坐标系转换与基准转换坐标系转换与基准转换坐标系转换坐标系转换同一点的坐标在相同基准或参照系下由一种坐标系下的同一点的坐标在相同基准或参照系下由一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标,如空间直角坐标与坐标转换为另一种坐标系下的坐标,如空间直角坐标与大地坐标之间的相互转换。大地坐标之间的相互转换。坐标系转换实际上是不同坐标表达方式间的变换。坐标系转换实际上是不同坐标表达方式间的变换。基准转换
6、基准转换同一点在基于某一基准或参照系的坐标系下的坐标转换同一点在基于某一基准或参照系的坐标系下的坐标转换为基于另一基准或照系的坐标系下的坐标,如为基于另一基准或照系的坐标系下的坐标,如WGS 84与与1954年北京坐标系下大地坐标之间的相互转换,或年北京坐标系下大地坐标之间的相互转换,或WGS 84下的笛卡尔坐标与下的笛卡尔坐标与1954北京坐标系下的大地坐标之间北京坐标系下的大地坐标之间的相互转换。的相互转换。8坐标系统的类型坐标系统的类型在在空间固定空间固定的坐标系统:与地球自转无的坐标系统:与地球自转无关,对于描述卫星的运动位置和状态极关,对于描述卫星的运动位置和状态极其方便其方便与与地
7、球体固联地球体固联的坐标系统:对于表达地的坐标系统:对于表达地面观测站的位置和处理面观测站的位置和处理GPS观测数据尤观测数据尤为方便为方便92.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系天球坐标系天球坐标系描述人造卫星的位置采用球面坐标系描述人造卫星的位置采用球面坐标系大地坐标系大地坐标系10空间直角坐标系空间直角坐标系/笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系坐标轴相互正交的坐标系。坐标轴相互正交的坐标系。空间直角坐标系空间直角坐标系三维笛卡尔坐标系。三维笛卡尔坐标系。测量中的空间直角坐标系测量中的空间直角坐标系11大地基准与大地大地基准与大地/椭球坐标系椭球坐标系大地基准(
8、大地基准(Geodetic Datum)用于定义地球参考椭球的一系列参数,包括:用于定义地球参考椭球的一系列参数,包括:椭球的大小和形状:通常用长半轴(椭球的大小和形状:通常用长半轴(Semi-major Axis)和扁率(和扁率(Flattening)(或偏心率(或偏心率(Eccentricity)来表示;)来表示;椭球短半轴(椭球短半轴(Semi-minor Axis)的指向)的指向(Orientation):通常与地球的平自转轴平行;):通常与地球的平自转轴平行;椭球中心的位置:根据需要确定,地心椭球的中心位椭球中心的位置:根据需要确定,地心椭球的中心位于地球的质心;于地球的质心;本初子
9、午线(本初子午线(Prime Meridian):通过固定平极和经):通过固定平极和经度原点的天文子午线,通常为格林尼治子午线。度原点的天文子午线,通常为格林尼治子午线。12大地基准与大地大地基准与大地/椭球坐标系椭球坐标系大地大地/椭球坐标系椭球坐标系定义:以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地定义:以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地坐标系,由于大地基准又是以参考椭球为基础,因坐标系,由于大地基准又是以参考椭球为基础,因此,又被称为椭球坐标系。此,又被称为椭球坐标系。大地坐标大地坐标大地纬度(大地纬度(B)大地经度(大地经度(L)大地高大地高/椭球高(椭球高(H)13大地坐标系大地坐标系
10、大地坐标系大地坐标系参考面长半轴为参考面长半轴为a,短半轴,短半轴b为旋转轴的为旋转轴的椭球面;椭球面几何中心与直角坐标系原椭球面;椭球面几何中心与直角坐标系原点重合,短半轴与直角坐标系点重合,短半轴与直角坐标系Z轴重合。轴重合。14地球坐标系的其它表达形式地球坐标系的其它表达形式地球参心坐标系地球参心坐标系天文坐标系天文坐标系站心坐标系站心坐标系高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系15天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系理解:理解:地球坐标是把地球视为理想球体,以其旋地球坐标是把地球视为理想球体,以其旋转轴两极的最短球面连线为经线,垂直于经线的转轴两极的最短球面连线为经线,垂直于经线
11、的是纬线形成的角度坐标系。是纬线形成的角度坐标系。而宇宙中的星体位置远近不一,所以以地球为球而宇宙中的星体位置远近不一,所以以地球为球心,将星体沿球径投影到某个假想球面上,来表心,将星体沿球径投影到某个假想球面上,来表示星体的角位置。示星体的角位置。区别:区别:天球坐标是天文用的,地球坐标是地理用天球坐标是天文用的,地球坐标是地理用的;天球坐标能描述星体相对于地球的角度位置,的;天球坐标能描述星体相对于地球的角度位置,地球坐标只描述物体在地球表面的位置。地球坐标只描述物体在地球表面的位置。它们都是角坐标系,但是地球坐标是以地球表面它们都是角坐标系,但是地球坐标是以地球表面为球面的,是有半径的;
12、而天球坐标与半径无关,为球面的,是有半径的;而天球坐标与半径无关,只要是某一球面即可。只要是某一球面即可。162.2 WGS84大地坐标系大地坐标系几何定义:几何定义:坐标系的原点是地坐标系的原点是地球质心。球质心。Z轴指向协议地球轴指向协议地球极方向。极方向。X轴指向零度子午轴指向零度子午面和赤道的交点。面和赤道的交点。Y轴和轴和ZX轴构成右轴构成右手坐标系。手坐标系。17我国常用局部参照系我国常用局部参照系我国常用局部参照系我国常用局部参照系1954年北京坐标系年北京坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系2000国家大地坐标系(国家大地坐标系(CGCS 2000 China Geode
13、tic Coordinate System 2000)18国家大地坐标系国家大地坐标系1954年北京坐标系年北京坐标系椭球参数椭球参数1954北京坐标系北京坐标系1954年北京坐标系的历史:年北京坐标系的历史:新中国成立以后,我国大地测量进入了全面发展新中国成立以后,我国大地测量进入了全面发展时期,再全国范围内开展了正规的,全面的大地时期,再全国范围内开展了正规的,全面的大地测量和测图工作,迫切需要建立一个参心大地坐测量和测图工作,迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的标系。由于当时的“一边倒一边倒”政治趋向,故我国政治趋向,故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数,并与前采用了前苏联的克
14、拉索夫斯基椭球参数,并与前苏联苏联1942年坐标系进行联测,通过计算建立了我年坐标系进行联测,通过计算建立了我国大地坐标系,定名为国大地坐标系,定名为1954年北京坐标系。因此,年北京坐标系。因此,1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。尔科沃。2054北京坐标系北京坐标系1954年北京坐标系(年北京坐标系(BJZ54)存在问题存在问题椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大,不椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大,不包含表示地球物理特性的参数包含表示地球物理
15、特性的参数椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地水椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜,东部高程异常最准面呈西高东低的系统性倾斜,东部高程异常最大达大达67米。米。参考框架未进行全国统一平差。参考框架未进行全国统一平差。2180西安大地坐标系西安大地坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系基本情况基本情况1978年决定对我国天文大地网进行整体平差。年决定对我国天文大地网进行整体平差。重新选定椭球,并进行定位、定向。重新选定椭球,并进行定位、定向。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇,位于西安市西北方向约
16、县永乐镇,位于西安市西北方向约60公里,故称公里,故称1980年西安坐标系,又简称西安大地原点。基年西安坐标系,又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站准面采用青岛大港验潮站19521979年确定的年确定的黄海平均海水面(即黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。国家高程基准)。2280西安大地坐标系西安大地坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系椭球参数及定位、定向椭球参数及定位、定向地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推年的推荐值荐值椭球的短轴由地球质心指向椭球的短轴由地球质心指向1968.0 JYD,起始子午面平,起始子
17、午面平行于格林尼治平均天文子午面,椭球面同似大地水准面在行于格林尼治平均天文子午面,椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好,高程系统采用我国境内符合最好,高程系统采用1956年黄海平均海水年黄海平均海水面为高程起算基准。面为高程起算基准。232000国家大地坐标系(国家大地坐标系(CGCS 2000)原点:包括海洋和大气在内的整个地球的质心。原点:包括海洋和大气在内的整个地球的质心。长度单位:米(长度单位:米(SI),与局部地心框架下的地心坐标时的时),与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致,通过建立适当的相对论模型获得;间坐标一致,通过建立适当的相对论模型获得;定向:初始定向由定向:初始
18、定向由1984.0时的时的BIH(国际时间局)定向给定;(国际时间局)定向给定;定向的时间演化:定向的时间演化不产生相对于地壳的残余定向的时间演化:定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全球旋转;全球旋转;CGCS 2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心;心;轴为国际地球自转局(轴为国际地球自转局(IERS)参考极()参考极(IRP)方向,)方向,轴为轴为IERS的参考子午面(的参考子午面(IRM)与垂直于)与垂直于 轴的赤道面的轴的赤道面的交线,交线,轴与轴与 轴和轴和 轴构成右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。242000国家大地坐标系国
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- 02 GPS 概论 第二 坐标 系统 时间
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