常用坐標(biāo)系介紹及變換ppt課件

第十章坐標(biāo)系統(tǒng),2.1天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系2.2WGS-84坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系2.3坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換2.4時間系統(tǒng),為什么提出坐標(biāo)系？描述物體運(yùn)動，必須有參照物,為描述物體運(yùn)動而選擇的所有參照物叫參照系（參考系）。參照系是粗略的，不精確的，必須建立坐標(biāo)系。準(zhǔn)確和完善的描述物體的運(yùn)動，觀測的結(jié)果模擬及表示或解釋需要建立一個坐標(biāo)系統(tǒng)。,怎樣定義一個坐標(biāo)系？坐標(biāo)系固連在參照系上，且與參照系同步運(yùn)動。要完全定義一個三維空間直角坐標(biāo)系必須明確指出：坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。三個坐標(biāo)軸的指向。長度單位。,P,r,空間直角坐標(biāo)系符合右手法則或左手法則：,注：一經(jīng)定義坐標(biāo)系，空間一點(diǎn)對應(yīng)一組坐標(biāo)，坐標(biāo)系不同，坐標(biāo)值也不同。,為什么選用空間直角坐標(biāo)系？任一點(diǎn)的空間位置可由該點(diǎn)在三個坐標(biāo)面的投影（X，Y，Z）唯一地確定，通過坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換，可以將一個點(diǎn)的位置方便的從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至另一個坐標(biāo)系。與某一空間直角坐標(biāo)系所相應(yīng)的大地坐標(biāo)系（B，L，H），只是坐標(biāo)表現(xiàn)形式不同，實(shí)質(zhì)上是完全等價的，兩者之間可相互轉(zhuǎn)化。,GPS定位采用坐標(biāo)系：在GPS定位測量中，采用兩類坐標(biāo)系，即天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)均在地球的質(zhì)心，而坐標(biāo)軸指向不同。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài)。地球坐標(biāo)系隨同地球自轉(zhuǎn)，可看作固定在地球上的坐標(biāo)系，用于描述地面觀測站的位置。,2.1天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系,天球：指以地球質(zhì)心M為中心，半徑r為任意長度的一個假想的球體。,一、天球坐標(biāo)系,M,黃道,Pn,s,n,天球赤道,Ps,天球赤道面與天球赤道：通過地球質(zhì)心M與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。天球赤道面與天球相交的大圓，稱為天球赤道。,注：春分點(diǎn)和天球道赤面，是建立參考系的重要的基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。,黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓。黃赤交角：黃道與赤道的夾角。,春分點(diǎn)：當(dāng)太陽在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時，黃道與天球赤道的交點(diǎn)。,天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸；天軸與天球的交點(diǎn)Pn和Ps稱為天極，其中Pn為北天極，為Ps南天極。,黃極：通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)。其中靠近北天極的交點(diǎn)為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)為南黃極。,近日點(diǎn),遠(yuǎn)日點(diǎn),地球,太陽,春分點(diǎn),秋分點(diǎn),M,黃道,Pn,s,n,原點(diǎn)地球質(zhì)心MZ軸指向天球北極PnX軸指向春分點(diǎn)Y軸垂直于XMZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系統(tǒng)。,Z,X,Y,天球空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）的定義：,M,z,Ps,天球赤道,Pn,y,x,s,y,z,x,r,天球中心與地球質(zhì)心M重合，赤經(jīng)為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與過天體s的天球子午面之間的夾角，赤緯為原點(diǎn)M至天體s的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑為原點(diǎn)M至天體s的距離。,天球球面坐標(biāo)（，）的定義：,對同一空間點(diǎn)，直角坐標(biāo)系與其等效的球面坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：,M,z,Ps,天球赤道,Pn,x,s,y,z,x,r,y,歲差：地球?qū)嶋H上不是一個理想的球體，地球自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，這使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差。,歲差和章動的影響,歲差產(chǎn)生的原因：日月和其他天體對地球赤道隆起部分的吸引。,主要由日月引力引起。太陽的影響為月球影響的0.46，太陽的質(zhì)量是月球的兩千多萬倍，為什么月球?qū)q差的影響反而更大呢？,M,黃道,Pn,s,n,天球赤道,歲差周期：25800年，每年春分點(diǎn)西移50.371,M,黃道,Pn,s,n,天球赤道,章動：在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北天極旋轉(zhuǎn)，大致呈橢圓，這種現(xiàn)象稱為章動。,章動產(chǎn)生的主要原因：月球軌道面（白道）位置的變化。,章動的規(guī)律章動的周期：18.6年章動橢圓的長半軸：9.2,a,b,r,n,章動橢圓,歲差、章動疊加,Pn,歲差章動的疊加效果,M,黃道,Pn,s,n,天球赤道,黃極,天極,為了研究問題的方便，我們把歲差和章動分開研究，分別研究兩種現(xiàn)象的規(guī)律，然后再綜合疊加。,在歲差和章動的影響下，瞬時天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的指向在不斷的變化，將不能直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運(yùn)動規(guī)律。,地球的自轉(zhuǎn)軸不僅受日、月引力作用而使其在空間變化，而且還受地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響在地球內(nèi)部運(yùn)動。前者導(dǎo)致歲差和章動，后者導(dǎo)致極移。,歲差、章動和極移的影響,極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置并不是固定的，因而，地極點(diǎn)在地球表面上的位置，是隨時間而變化的，這種現(xiàn)象稱為極移。,研究分析表明，極移周期有兩種：一種周期約為一年，振幅約為0.1的變化；另一種周期約為432天，振幅約為0.2的變化，即張德勒（S.C.Chandler）周期變化。,地極移動在平面上的投影,1971.0,1975.0,1,CIO,-0.2,+0.2,+0.5,瞬時極：隨時間變化的極點(diǎn)。瞬時自轉(zhuǎn)軸：隨時間變化的自轉(zhuǎn)軸。,瞬時天球坐標(biāo)系：,原點(diǎn)：地球質(zhì)心,坐標(biāo)軸指向：z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸x軸指向瞬時春分點(diǎn)y軸與x軸、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,M,黃道,Pn,s,n,Z,X,Y,協(xié)議天球坐標(biāo)系：為了建立一個與慣性坐標(biāo)系統(tǒng)相接近的坐標(biāo)系，人們通常選擇某一時刻，作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時春分點(diǎn)的方向，經(jīng)過瞬時的歲差和章動改正后，分別作為X軸和Z軸的指向，由此建立的坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系。,在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運(yùn)動,M,z,Ps,天球赤道,Pn,y,x,s,y,z,x,r,國際大地測量學(xué)會（InternationalAssociationofGeodesy-IAG）和國際天文學(xué)聯(lián)合會（InternationalAstronomicalUnion-IAU）決定，標(biāo)準(zhǔn)歷元設(shè)為J2000.0。,協(xié)議天球坐標(biāo)系CIS（慣性坐標(biāo)系）：,J2000.0：公歷為2000年1月1日12:00:00,協(xié)議天球坐標(biāo)系,觀測瞬間的平天球坐標(biāo)系,瞬時天球坐標(biāo)系,歲差,章動,協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：,地球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)O：地球質(zhì)心Z軸：指向地球北極PnX軸：指格林尼治子午面與地球赤道的交點(diǎn)EY軸：垂直于XOZ平面，與X軸和Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,赤道平面,O,P,PS,PN,E,Z,X,Y,Y,X,Z,二、地球坐標(biāo)系,赤道平面,O,P,大地經(jīng)度L,大地緯度B,n,L,B,起始子午面（首子午面）,大地坐標(biāo)系的定義：地球橢圓的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。,PS,PN,H,任一地面點(diǎn)P在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，可表示為（X，Y，Z）或（B，L，H），兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換為：,式中，,，N為該點(diǎn)的卯酉圈,曲率半徑。,注：極移的存在，致使地面點(diǎn)的坐標(biāo)具有類似周期性的變化，使用起來十分不便。,瞬時地球坐標(biāo)系,Z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸X軸指向格林尼治子午面與瞬時赤道的交點(diǎn)Y軸與x軸、z軸構(gòu)成右手系,原點(diǎn)：地球質(zhì)心,赤道平面,O,P,PS,PN,E,Z,X,Y,Y,X,Z,協(xié)議地球坐標(biāo)系（CTS）,1960年國際大測量與地球物理聯(lián)合會決定以1900.01905.0五年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均值作為地球的固定級稱為國際協(xié)定原點(diǎn)CIO。平地球坐標(biāo)系的Z軸指向國際協(xié)定原點(diǎn)CIO。,赤道平面,O,P,M,PN（協(xié)議）,E（協(xié)議）,Z,X,Y,Y,X,Z,PS,協(xié)議地球坐標(biāo)系和瞬時地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,地極的瞬時坐標(biāo)由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（InternationalEarthRotationService-IERS）根據(jù)多個臺站計算出來的。協(xié)議地球坐標(biāo)系和瞬時地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：,協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,三、站心赤道直角坐標(biāo)系和站心地平直角坐標(biāo)系,站心地平直角坐標(biāo)系能夠比較直觀方便的描述衛(wèi)星與觀測站之間的瞬時距離、方位角和高度角，了解衛(wèi)星在天空中的分布情況。,O-XYZ球心空間直角坐標(biāo)系P-xyz站心地平直角坐標(biāo)系P-站心赤道直角坐標(biāo)系,2.2WGS-84坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系,WGS84（WorldGeodeticSystem，1984年）是美國國防部研制確定的大地坐標(biāo)系。,一、WGS-84大地坐標(biāo)系（地心坐標(biāo)系）,CTP赤道平面,O,PN,E,ZWGS84,PS,BIH定義的零子午圈（1984.0）,XWGS84,YWGS84,幾何定義：原點(diǎn)在地球質(zhì)心Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球(CTP）方向。X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)。Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,WGS84世界大地坐標(biāo)系,對應(yīng)于WGS-8大地坐標(biāo)系有一個WGS-84橢球，其常數(shù)采用IAG和IUGG第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值。WGS-84橢球兩個最常用的幾何常數(shù)：,長半軸：63781372（m）扁率：1：298.257223563,WGS-84大地水準(zhǔn)面高N等于由GPS定位測定的點(diǎn)的大地高H減該點(diǎn)的正高H正。N值可以利用地球重力場模型系數(shù)計算得出；也可以用特殊的數(shù)學(xué)方法精確計算局部大地水準(zhǔn)面高N。一旦N確定，可利用H正=H-N計算GPS各點(diǎn)的的正高H正。,二、國家大地坐標(biāo)系（參心坐標(biāo)系）,1、1954年北京坐標(biāo)系,建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時的實(shí)際情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，然后以連接處呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴(kuò)大邊端點(diǎn)的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標(biāo)系就定名為1954年北京坐標(biāo)系。,BJ54坐標(biāo)系的幾何定義：,大地原點(diǎn)在前蘇聯(lián)的普爾科沃天文臺?？臻g直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)在參考橢球的中心，Z軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)JYD1968的方向，X軸在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度零方向，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,1954北京坐標(biāo)系橢球常數(shù)采用克拉索夫斯基Krassovsky橢球參數(shù)，基本常數(shù)為：,長半軸：6378245（m）扁率：1：298.3,BJ54可歸結(jié)為：a屬參心大地坐標(biāo)系；b采用克拉索夫斯基橢球的兩個幾何參數(shù)；c.大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃；d采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位；e高程基準(zhǔn)為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面。f高程異常以原蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)。按我國天文水準(zhǔn)路線推算而得。自BJ54建立以來，在該坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行了許多地區(qū)的局部平差，其成果得到了廣泛的應(yīng)用。,C80是為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球定位的基本原理，在建立C80坐標(biāo)系時有以下先決條件：（1）大地原點(diǎn)在我國中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)；（2）C80坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面；X軸在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度0方向；Y軸與Z、X軸成右手坐標(biāo)系；,2、1980年國家大地坐標(biāo)系,（3）橢球參數(shù)采用IUG1975年大會推薦的參數(shù)因而可得C80橢球兩個最常用的幾何參數(shù)為：長軸：63781405（m）；扁率：1：298.257橢球定位時按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。（4）多點(diǎn)定位；（5）大地高程以1956年青島驗潮站求出的黃海平均水面為基準(zhǔn)。,3、1954年新北京坐標(biāo)系,盡管1980年國家大地坐標(biāo)系具有先進(jìn)性和嚴(yán)密性，但1954年原北京坐標(biāo)系畢竟在我國測繪工作中潛移默化，影響深遠(yuǎn)。由于幾十年來，我國數(shù)十萬個國家控制點(diǎn)都是在1954年原北京坐標(biāo)系內(nèi)完成計算的，一切測量工程和測繪成果均無一例外地采用著這個系統(tǒng)，考慮到1980年國家大地坐標(biāo)系有著它的先進(jìn)性和嚴(yán)密性，于是就產(chǎn)生了1954年新北京坐標(biāo)系。,1954年新北京坐標(biāo)系的成果，就是將1980年國家大地坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)系經(jīng)3個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫基橢球中心，就成了新北京坐標(biāo)系的成果。據(jù)統(tǒng)計，新北京坐標(biāo)系與原北京坐標(biāo)系相比較，就控制點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)而言，縱坐標(biāo)差值在-6.5+7.8米之間，橫坐標(biāo)的差值在-12.9+9.0米之間，差值在5米以內(nèi)者約占全國80%的地區(qū)。,4、2000國家大地坐標(biāo)系（地心坐標(biāo)系）根據(jù)中華人民共和國測繪法，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標(biāo)系。公告如下：2000國家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)心。2000國家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下：長半軸a6378137m扁率f1/298.257222101地心引力常數(shù)GM3.9860044181014m3s-2自轉(zhuǎn)角速度7.29211510-5rads-1,2000國家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8年至10年?，F(xiàn)有各類測繪成果，在過渡期內(nèi)可沿用現(xiàn)行國家大地坐標(biāo)系；2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測繪成果應(yīng)采用2000國家大地坐標(biāo)系?，F(xiàn)有地理信息系統(tǒng)，在過渡期內(nèi)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系；2008年7月1日后新建設(shè)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)采用2000國家大地坐標(biāo)系。,國家測繪局負(fù)責(zé)啟用2000國家大地坐標(biāo)系工作的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，制定2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)施方案，為各地方、各部門現(xiàn)有測繪成果坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換提供技術(shù)支持和服務(wù)；負(fù)責(zé)完成國家級基礎(chǔ)測繪成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并向社會提供使用。國務(wù)院有關(guān)部門按照國務(wù)院規(guī)定的職責(zé)分工，負(fù)責(zé)本部門啟用2000國家大地坐標(biāo)系工作的組織實(shí)施和本部門測繪成果的轉(zhuǎn)換。,縣級以上地方人民政府測繪行政主管部門，負(fù)責(zé)本地區(qū)啟用2000國家大地坐標(biāo)系工作的組織實(shí)施和監(jiān)督管理，提供坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換技術(shù)支持和服務(wù)，完成本級基礎(chǔ)測繪成果向2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并向社會提供使用。,3、高斯平面直角坐標(biāo)系,（1）高斯投影的概念高斯投影是一種等角投影。它是由德國數(shù)學(xué)家高斯(Gauss，17771855)提出，后經(jīng)德國大地測量學(xué)家克呂格(Kruger，18571923)加以補(bǔ)充完善，故又稱“高斯克呂格投影”，簡稱“高斯投影”。,N,S,c,中央,子,午線,赤道,（2）高斯投影的原理,高斯投影采用分帶投影。將橢球面按一定經(jīng)差分帶，分別進(jìn)行投影。,高斯投影必須滿足：1高斯投影為正形投影，即等角投影；2中央子午線投影后為直線，且為投影的對稱軸；3中央子午線投影后長度不變。,（3）高斯投影的特性,1）中央子午線投影后為直線，且長度不變。2）除中央子午線外，其余子午線的投影均為凹向中央子午線的曲線，并以中央子午線為對稱軸。投影后有長度變形。3）赤道線投影后為直線，但有長度變形。,赤道,中央子午線,平行圈,子午線,O,x,y,4）除赤道外的其余緯線，投影后為凸向赤道的曲線，并以赤道為對稱軸。5）經(jīng)線與緯線投影后仍然保持正交。6）所有長度變形的線段，其長度變形比均大于l。7）離中央子午線愈遠(yuǎn)，長度變形愈大。,赤道,中央子午線,平行圈,子午線,O,x,y,(4)投影帶的劃分,我國規(guī)定按經(jīng)差6和3進(jìn)行投影分帶。6帶自首子午線開始，按6的經(jīng)差自西向東分成60個帶。3帶自1.5開始，按3的經(jīng)差自西向東分成120個帶。,高斯投影帶劃分,6帶與3帶中央子午線之間的關(guān)系如圖:,3帶的中央子午線與6帶中央子午線及分帶子午線重合，減少了換帶計算。,工程測量采用3帶，特殊工程可采用1.5帶或任意帶。,(5)高斯平面直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)系的建立：x軸中央子午線的投影y軸赤道的投影原點(diǎn)O兩軸的交點(diǎn),O,x,y,P,（X，Y）,高斯自然坐標(biāo),注：X軸向北為正，y軸向東為正。,赤道,中央子午線,由于我國的位于北半球，東西橫跨12個6帶，各帶又獨(dú)自構(gòu)成直角坐標(biāo)系。故：X值均為正，而Y值則有正有負(fù)。,x,y,o,500km,=500000+=+636780.360m=500000+=+227559.720m,國家統(tǒng)一坐標(biāo)：,（帶號）,（帶號）,4、橫軸墨卡托（UTM)投影,N,S,c,中央,子,午線,赤道,特性：屬于橫軸等角割橢圓柱投影；中央子午線投影長度比不等于1而是等于0.9996，兩條割線上沒有變形；該投影在南緯80至北緯84范圍內(nèi)使用；全球分60個帶，從西經(jīng)180連續(xù)向東編號。,4、地方獨(dú)立坐標(biāo)系,許多城市、礦區(qū)基于使用方便、和科學(xué)的目的，將地方獨(dú)立測量控制網(wǎng)建立在當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叱堂嫔?，并以?dāng)?shù)刈游缇€作為中央子午線進(jìn)行高斯投影求得平面坐標(biāo)。這些網(wǎng)都有自己的原點(diǎn)，自己的定向。,2.3坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,在GPS測量中，經(jīng)常要進(jìn)行坐標(biāo)變換和基準(zhǔn)變換。,坐標(biāo)變換：在不同的坐標(biāo)表示形式間進(jìn)行變換?；鶞?zhǔn)變換：在不同的參考基準(zhǔn)間進(jìn)行變換。基準(zhǔn)：為描述空間位置的點(diǎn)、線、面。在大地測量中基準(zhǔn)是指用以描述地球形狀的參考橢球的參數(shù)。,坐標(biāo)系的變換方法（同一基準(zhǔn)）,1、空間直角坐標(biāo)系與空間大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。2、空間坐標(biāo)系與平面直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。,坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法（不同基準(zhǔn)）,不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上就是不同基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換，常用布爾薩七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法。即3個平移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，1個尺度參數(shù)。,1、坐標(biāo)平移,繞x軸旋轉(zhuǎn)：,2、繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),繞Z軸旋轉(zhuǎn)：,繞y軸旋轉(zhuǎn)：,繞三軸旋轉(zhuǎn)：,當(dāng)均為小角度時，將、分別展開成泰勒級數(shù)，僅保留其一階有：舍棄二階小量，則有：,旋轉(zhuǎn)矩陣：對右手系逆時針旋轉(zhuǎn)，對左手系順時針旋轉(zhuǎn)，否則需要改變旋轉(zhuǎn)角度的符號。,當(dāng)不是小角度時，三個旋轉(zhuǎn)矩陣的次序不能交換。當(dāng)均為小角度時，不論三個旋轉(zhuǎn)矩陣的次序如何交換，都能夠得到上面的結(jié)果。,尺度比例因子：,3、尺度變換,尺度變換：在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中由兩坐標(biāo)系的長度單位不一致引起的變換叫尺度變換。,4、布爾薩（Bursa-Wolf）七參數(shù)模型：,當(dāng)：均為小角度時：,一、空間大地坐標(biāo)與空間直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,（B，L，H)(X，Y，Z),式中，,，N為該點(diǎn)的卯酉圈,曲率半徑。,二、不同空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,(X，Y，Z)84(X，Y，Z)54,布爾薩七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型：,式中：,，為3個平移參數(shù)；m為比例參數(shù)；,，為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。,通常，選擇同時具有兩套坐標(biāo)的三個地面控制點(diǎn)，通過平差的方法，解算七參數(shù)。若要提高參數(shù)的精度，在數(shù)據(jù)處理時，常采用GPS基線向量網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差。,(X，Y，Z)（B，L，H),式中，,，N為該點(diǎn)的卯酉圈,曲率半徑。,三、空間直角坐標(biāo)向大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,四、大地坐標(biāo)向高斯平面直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,式中：B為參考橢球面的大地坐標(biāo)，以弧度計；為點(diǎn)經(jīng)度到中央子午線的經(jīng)差；S為點(diǎn)到赤道的子午線弧長；,。,GPS坐標(biāo)與我國北京54（西安80）坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換流程圖：,GPS大地坐標(biāo)（B，L，H）,GPS空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）,空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）54（80）,大地坐標(biāo)（B，L，H）54（80）,高斯平面直角坐標(biāo)（x，y）,2.4時間系統(tǒng),時間的概念時間包含時刻和時間間隔兩個概念。時刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也成為歷元。時間間隔：發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時刻之差。所以，時間間隔測量，也稱為相對時間測量，時刻測量，相應(yīng)地稱為絕對時間測量。,衛(wèi)星大地測量的任何一個觀測量歸根到底都是對時間的測量，對時間測量精度要求很高。,時間基準(zhǔn)包含時間原點(diǎn)（時刻）和時間尺度（時間段）。時間系統(tǒng)與坐標(biāo)系統(tǒng)一樣，應(yīng)有其尺度（時間單位）與原點(diǎn)（起始?xì)v元）。其中時間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。不同的原點(diǎn)和尺度對應(yīng)不同的時間系統(tǒng)。任何一個可觀測的周期的運(yùn)動現(xiàn)象，只要符合條件，都可用作確定時間間隔。,GPS定位對時間系統(tǒng)的要求GPS時間系統(tǒng)要求：全球統(tǒng)一的時間原點(diǎn)和高精度的時間尺度。,原因：GPS衛(wèi)星作為高空動態(tài)已知點(diǎn)，其位置是瞬息變化的。時間度量的精度就意味著空間位置的精度。例如:若要定軌誤差小于1cm，則時間精度至少要求2.610-6s。GPS定位是通過測定電磁波信號傳播時間來測定站星距離的。例：若要距離誤差小于1cm，則時間精度至少要求310-11s。,慣性坐標(biāo)系和地固坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要精確的時間尺度。地球在不斷的作自轉(zhuǎn)運(yùn)動，地球上的點(diǎn)位在慣性系中的坐標(biāo)也在以相同的速度變化。例如：時間誤差為0.01s，該坐標(biāo)誤差就至少可達(dá)5m。,注：而我們平時所采用的時間，是按地球的自轉(zhuǎn)規(guī)律，以太陽為基準(zhǔn)的。如北京時、東京時、莫斯科時等等，他們的時間原點(diǎn)是不一樣的，尺度也不一樣。機(jī)械表、石英表、原子鐘。,任何一個可觀測的周期的運(yùn)動現(xiàn)象，只要符合條件，都可用作確定時間間隔。運(yùn)動應(yīng)是：連續(xù)的，周期性的；運(yùn)動的周期就具有充分的穩(wěn)定性；運(yùn)動的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性（可重復(fù)性）。常用下列周期性運(yùn)動作為測時標(biāo)準(zhǔn)：地球自轉(zhuǎn)；地球公轉(zhuǎn)；原子內(nèi)部能級躍遷。,一、恒星時恒星時：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動所確定的時間。時間尺度：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一恒星日，一恒星日分為24個恒星時。起算原點(diǎn)：恒星時以春分點(diǎn)通過本地子午圈時刻為起算原點(diǎn)，所以恒星時在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于本地子午圈的時角。,恒星時的特性：恒星時