大地坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)換算基礎(chǔ)

1、第四章第四章 大地坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)換算基礎(chǔ)大地坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)換算基礎(chǔ) 18 橢球定位和定向概念橢球定位和定向概念 橢球定位是指確定橢球中心的位置，可分橢球定位是指確定橢球中心的位置，可分為兩類：為兩類：局部定位和地心定位。局部定位和地心定位。局部定位局部定位要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，而對橢球的中心位水準(zhǔn)面有最佳的符合，而對橢球的中心位置無特殊要求；置無特殊要求；地心定位地心定位要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，同時(shí)要求橢球中心水準(zhǔn)面有最佳的符合，同時(shí)要求橢球中心與地球質(zhì)心一致或最為接近。與地球質(zhì)心一致

2、或最為接近。 19 坐標(biāo)系統(tǒng)的類型 以參考橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo)系，叫做參心坐標(biāo)系； 以總地球橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo)系，叫做地心坐標(biāo)系。 與地球體固連在一起且與地球同步運(yùn)動，以地心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系則稱為地心地固坐標(biāo)系 另一類是空間固定的坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，稱為慣性坐標(biāo)系或天球坐標(biāo)系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運(yùn)行位置和狀態(tài)。20 地球參心坐標(biāo)系20.2 大地原點(diǎn)和大地起算數(shù)據(jù)大地原點(diǎn)和大地起算數(shù)據(jù)大地原點(diǎn)也叫大地基準(zhǔn)點(diǎn)或大地起算點(diǎn)，參考橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)上的起算數(shù)據(jù)的確立作為一個(gè)參心大地坐標(biāo)系建成的標(biāo)志 20.3 1954年北京坐標(biāo)系 1954年北京坐標(biāo)系可以認(rèn)為是前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系的延伸。它的原點(diǎn)不

3、在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃。相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球。 橢球參數(shù)有較大誤差。 參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜，在東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距最大達(dá)+68m。 54年北京坐標(biāo)系的大地水準(zhǔn)面 20.4 1980年國家大地坐標(biāo)系 1980年國家大地坐標(biāo)系的特點(diǎn)是： 采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會 (IUGG) 第16屆大會上推薦的4個(gè)橢球基本參數(shù).地球橢球長半徑 a=6 378 140 m ，地心引力常數(shù) GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2 =1.082 6310-8,地球自轉(zhuǎn)角速度 =7.292 11510-5 rad/

4、s 。八年坐標(biāo)系的大地水準(zhǔn)面 該坐標(biāo)系建立后，實(shí)施了全國天文大地網(wǎng)平差。平差后提供的大地點(diǎn)成果屬于1980年西安坐標(biāo)系，它和原1954年北京坐標(biāo)系的成果是不同的。這個(gè)差異除了由于它們各屬不同橢球與不同的橢球定位、定向外，還因?yàn)榍罢呤墙?jīng)過整體平差，而后者只是作了局部平差。 不同坐標(biāo)系統(tǒng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)可以通過一定的數(shù)學(xué)模型，在一定的精度范圍內(nèi)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，使用時(shí)必須注意所用成果相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。 20.5 新1954年北京坐標(biāo)系(BJ54新) 新1954年北京坐標(biāo)系，是在GDZ80基礎(chǔ)上，改變GDZ80相對應(yīng)的IUGG1975橢球幾何參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將坐標(biāo)原點(diǎn)(橢球中心)平移，使坐標(biāo)軸保

5、持平行而建立起來的。080540805408054ZZZYYYXXXGDZBJGDZBJGDZBJ新新新HHHBBBLLLGDZBJGDZBJGDZBJ805480548054新新新aBBeMBeaNBBHMBeMBBeaHMNZYXBLBLBHMBHMLBHMLBBHNLBHNLHBLGDZGDZ802222222200080sin)sin1 (1)sin1 (cossin)1)()sin2(cossin)(00sinsincoscoscoscossinsincossin0cos)(coscos)(sin 地心地固大地坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球面與大地水準(zhǔn)面在全球范圍

6、內(nèi)最佳符合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合(過地球質(zhì)心并指向北極) 地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置并不是固定地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置并不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置是隨時(shí)間的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置是隨時(shí)間而變化的，這種現(xiàn)象稱為而變化的，這種現(xiàn)象稱為地極移動地極移動，簡稱，簡稱極移。某一觀測瞬間地球北極所在的位置極移。某一觀測瞬間地球北極所在的位置稱為稱為瞬時(shí)極瞬時(shí)極，某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置，某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置稱為稱為平極平極。 21.1 極移與國際協(xié)議原點(diǎn)極移與國際協(xié)議原點(diǎn) 國際天文聯(lián)合會(IAU)和國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)在1967年于意大利共同召開的第32次討論

7、會上，建議采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)(ILS)站以19001905年的平均緯度所確定的平極作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通常稱為國際協(xié)議原點(diǎn)CIO，它相對于19001905年平均歷元1903.0。另外國際極移服務(wù)(IPMS)和國際時(shí)間局(BIH)等機(jī)構(gòu)分別用不同的方法得到地極原點(diǎn)，與CIO相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。 極移 由于地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動以及地球與其它天體的相互作用都真實(shí)存在，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部也在不斷運(yùn)動，所以地球極點(diǎn)在地表的位置隨時(shí)間而改變，這種現(xiàn)象稱為極移（Polar Displacement）。 19001998年極移年極移 以協(xié)議地極CIP(Conventional Terrestr

8、ial Pole)為指向點(diǎn)的地球坐標(biāo)系稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS(Conventional Terrestrial System)，而以瞬時(shí)極為指向點(diǎn)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。在大地測量中采用的地心地固坐標(biāo)系大多采用協(xié)議地極原點(diǎn)CIO為指向點(diǎn)，因而也是協(xié)議地球坐標(biāo)系，一般情況下協(xié)議地球坐標(biāo)系和地心地固坐標(biāo)系代表相同的含義。 21.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系建立地心坐標(biāo)系的方法可分為直接法和間接法兩建立地心坐標(biāo)系的方法可分為直接法和間接法兩類。類。所謂直接法所謂直接法，就是通過一定的觀測資料，就是通過一定的觀測資料( (如天文、如天文、重力資料、衛(wèi)星觀測資料等重力資料、衛(wèi)星觀測資料等)

9、 )，直接求得點(diǎn)的地，直接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動心坐標(biāo)的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動力法等。力法等。所謂間接法所謂間接法，就是通過一定的資料，就是通過一定的資料( (其中包括地其中包括地心系統(tǒng)和參心系統(tǒng)的資料心系統(tǒng)和參心系統(tǒng)的資料) )，求得地心坐標(biāo)系和，求得地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而后按其轉(zhuǎn)換參數(shù)參心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而后按其轉(zhuǎn)換參數(shù)和參心坐標(biāo)，間接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法和參心坐標(biāo)，間接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法 21.3 地心地固坐標(biāo)系的建立方法地心地固坐標(biāo)系的建立方法 20世紀(jì)60年代以來，美國和原蘇聯(lián)等國家利用衛(wèi)星觀測等資料，開展了建立

10、地心坐標(biāo)系的工作。美國國防部曾先后建立過世界大地坐標(biāo)系(World Geodetic System，簡稱為WGS)WGS-60，WGS-66和WGS-72，并于1984年開始，經(jīng)過多年修正和完善，建立起更為精確的地心坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為WGS-84。 21.4 WGS-84世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系WGS-84是一個(gè)協(xié)議地球參考系CTS。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球的質(zhì)心， Z 軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極CTP方向，X軸指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)， Y軸和Z、X 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系 21.5 國際地球參考系統(tǒng)國際地球參考系統(tǒng)(ITRS) 與國際地球參考框架與國際地球參考

11、框架(ITRF) 21.5.2 國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)ITRS是一種協(xié)議地球參考系統(tǒng)，它的定義為： 原點(diǎn)為地心，并且是指包括海洋和大氣在內(nèi)的整個(gè)地球的質(zhì)心； 長度單位為米(m)，并且是在廣義相對論框架下的定義； Z 軸從地心指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)； X 軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點(diǎn)； Y軸與XOZ 平面垂直而構(gòu)成右手坐標(biāo)系； 時(shí)間演變基準(zhǔn)是使用滿足無整體旋轉(zhuǎn)NNR條件的板塊運(yùn)動模型，來描述地球各塊體隨時(shí)間的變化。ITRS的建立和維持是由IERS全球觀測網(wǎng)，以及觀測數(shù)據(jù)經(jīng)綜合分析后得到的站坐標(biāo)和速度場來具體實(shí)現(xiàn)的，即國際地球參考框架ITRF。2

12、1.5.3 國際地球參考框架(ITRF) ITRF是ITRS的具體實(shí)現(xiàn)，是通過IERS分布于全球的跟蹤站的坐標(biāo)和速度場來維持并提供用戶使用的。IERS每年將全球站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，得到一個(gè)ITRF框架，并以IERS年報(bào)和IERS技術(shù)備忘錄的形式發(fā)布。 ITRF2000 STATION POSITIONS（m) AT EPOCH 1997.0 AND VELOCITIES(m/y) BJFS -2148743.784 4426641.236 4044655.935 -.0444 .0141 -.0013WUHN -2267749.162 5009154.325 3221290.762

13、 -.0325 -.0077 -.0119TRANSFORMATION PARAMETERS AND THEIR RATES FROM ITRF2000 TO PREVIOUS FRAMESSOLUTION T1 T2 T3 D R1 R2 R3 EPOCH Ref. UNITS- cm cm cm ppb .001 .001 .001 IERS Tech. . . . . . . . Note # RATES T1 T2 T3 D R1 R2 R3UNITS- cm/y cm/y cm/y ppb/y .001/y .001/y .001/y- ITRF97 0.67 0.61 -1.85

14、1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 27 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF96 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 24 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF94 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 20 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ZYXDRRRDRRRDTTTZYXZSYSXS121323321 I

15、TRF93 1.27 0.65 -2.09 1.95 -0.39 0.80 -1.14 1988.0 18 rates -0.29 -0.02 -0.06 0.01 -0.11 -0.19 0.07 ITRF92 1.47 1.35 -1.39 0.75 0.00 0.00 -0.18 1988.0 15 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF91 2.67 2.75 -1.99 2.15 0.00 0.00 -0.18 1988.0 12 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF90

16、 2.47 2.35 -3.59 2.45 0.00 0.00 -0.18 1988.0 9 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF89 2.97 4.75 -7.39 5.85 0.00 0.00 -0.18 1988.0 6 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF88 2.47 1.15 -9.79 8.95 0.10 0.00 -0.18 1988.0 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 Very Long Baseline I

17、nterferometry DORIS is a Doppler satellite tracking system developped for precise orbit determination and precise ground location。It is onboard the Jason-1 and ENVISAT altimetric satellites and the remote sensing satellites SPOT-2, SPOT-4 and SPOT-5. It also flew with SPOT-3 and TOPEX/POSEIDON 九峰22

18、站心坐標(biāo)系 22.1 垂線站心直角坐標(biāo)系垂線站心直角坐標(biāo)系 22.2 法線站心直角坐標(biāo)系 PQPPPQQQzyxBBLBLLBLBLLBZYXZYXsin0cossincoscossinsincoscossincossinPQPQPQPQZZYYXXBLBLBLLBLBLBzyxsinsincoscoscos0cossincossinsincossin23 坐標(biāo)系換算坐標(biāo)系換算 23.1 歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣 兩個(gè)直角坐標(biāo)系進(jìn)行相互變換的旋轉(zhuǎn)角稱為歐勒角 對于二維直角坐標(biāo)系 1122cossinsincosyxyx21OPOP23.2 不同空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換不同空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換布爾莎公式布爾莎公式 000111222111)1 (ZYXZYXmZYXXYXZYZ 由于公共點(diǎn)的坐標(biāo)存在誤差，求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將受其影響，公共點(diǎn)坐標(biāo)誤差對轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響與點(diǎn)位的