GPS定位時間系統(tǒng)課件

1、1GPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 蘭州交通大學(xué)蘭州交通大學(xué) 土木學(xué)院測繪工程系土木學(xué)院測繪工程系 李建章李建章2第三講 坐標(biāo)和時間系統(tǒng)C協(xié)議天球坐標(biāo)系C協(xié)議地球坐標(biāo)系C協(xié)議天球坐標(biāo)系和協(xié)議地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換C國家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系CWGS坐標(biāo)系C時間系統(tǒng)3地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面橢球橢球面面橢球高橢球高 h 正正 高高 H h = N + H地表面地表面NN= 大地水準(zhǔn)面差距大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面橢球面橢球面H1地表面地表面N1h1h2H2N2 h1 = H1 + N1 h 2 = H2 + N2(h1- h 2) = (H1 -H2 )+ ( N1- N2)大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)

2、面橢球橢球面面地表面地表面 垂直于橢球面垂直于大地水準(zhǔn)面垂線偏差似大地水準(zhǔn)面似大地水準(zhǔn)面7第四節(jié)、國家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系一、地球參心坐標(biāo)系 所謂參心坐標(biāo)系的參心，指參考橢球的中心。經(jīng)典大地測量中，利用局部測量數(shù)據(jù)計算的橢球來代替地球形狀，所以該橢球只是與本地區(qū)大地水準(zhǔn)面很好的接近，而在別的地區(qū)相差較大，且該橢球中心不在地球質(zhì)心，因此將該橢球叫做參考橢球。為什么要使用參心坐標(biāo)系？8 參心坐標(biāo)系也分參心大地坐標(biāo)系和參心空間直角坐標(biāo)系。9建立一個參心坐標(biāo)系，必須解決如下問題：A橢球的大小和形狀。A橢球中心的位置。A確定橢球中心為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的方向，簡稱定向。A確定大地原點(diǎn)。10國家大地

3、原點(diǎn)1112二、國家大地坐標(biāo)系1、1954年北京坐標(biāo)系 20世紀(jì)50年代，在我國天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當(dāng)時的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素（=6378245m, e=1/298.3），并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系。13 19541954年北京坐標(biāo)系和前蘇聯(lián)19421942年普爾科沃坐標(biāo)系有一定的關(guān)系（橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)一致）但又不完全是前蘇聯(lián)19421942年普爾科沃坐標(biāo)系。如大地點(diǎn)高程是以19561956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面為基準(zhǔn)，高程異常是以前蘇聯(lián)19551955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算值，按

4、我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的。大地水準(zhǔn)面自東向西最大差距達(dá)67米。142、1980年西安坐標(biāo)系 為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差，采用了新的橢球元素和進(jìn)行了新的定位和定向，1978年以后，建立了1980年國家大地坐標(biāo)系。151980年國家大地坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)設(shè)在我國中部陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。該坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系。橢球短軸Z軸平行于由地球地心指向1968.0地極原點(diǎn)（JYD）的方向；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)度零方向；Y軸與Z，X軸成右手坐標(biāo)系。16 橢球參數(shù)采用1975國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第16屆大會的推薦值，四個基本常數(shù)為：a= 6

5、378140 =1/298.25717 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)。高程系統(tǒng)基準(zhǔn)是1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面。183、新1954年北京坐標(biāo)系 1980年國家大地坐標(biāo)系建立后，實施了全國天文大地網(wǎng)整體平差。提供了屬于1980年國家大地坐標(biāo)系的大地點(diǎn)成果。這種成果與原大地點(diǎn)局部平差成果二者屬于兩個不同的參心坐標(biāo)系。這給實際的使用帶來一定的問題。實用部門和單位大量成果是1954北京坐標(biāo)系的。而大地控制點(diǎn)在兩坐標(biāo)系中最大差100米以上。19 因而有的部門和單位將1980年國家大地坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)經(jīng)三個平移參數(shù)平移變換至克氏橢球中心，橢球參數(shù)保持與1954

6、北京坐標(biāo)系相同而建立所謂新1954北京坐標(biāo)系，這樣新1954北京坐標(biāo)系與原1954北京坐標(biāo)系接近，但其精度和1980年國家大地坐標(biāo)系完全一樣。20三、高斯平面直角坐標(biāo)系與UTM坐標(biāo)系 高斯投影與全球橫軸墨卡托投影（UTM) 高斯投影時，中央子午線長度不變，離中央子午線愈遠(yuǎn)，長度變形愈大，對于6帶，赤道與邊界子午線交點(diǎn)處的投影變形為0.138%。 在投影帶寬度不變的情況下，采用橫軸墨卡托投影，使中央子午線長度縮短為原長度的0.9996倍（通用橫軸墨卡托），以減小長度變形的絕對值。 通用橫軸墨卡托投影，對于6帶，在y為 180km范圍內(nèi)長度縮短，以外長度伸長。21四、站心坐標(biāo)系 以測站為原點(diǎn)構(gòu)成的

7、坐標(biāo)系叫做測站中心坐標(biāo)系，簡稱站心坐標(biāo)系。戰(zhàn)心坐標(biāo)系分為站心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。 站心地平直角坐標(biāo)系是以測站所在橢球法線方向為Z軸，以測站所在大地子午線北端與地平面的交線為X軸，平行圈與地平面的交線為Y軸，構(gòu)成左手直角坐標(biāo)系。 站心極坐標(biāo)系以測站所在的鉛垂線為準(zhǔn)，以測站到目標(biāo)點(diǎn)的空間距離D、天頂距Z和大地方位角A來表示該目標(biāo)的位置。2223五、獨(dú)立坐標(biāo)系 在工程測量中，當(dāng)測區(qū)高程大于160m時，地面長度與參考橢球面長度相差太大，需建立地方獨(dú)立坐標(biāo)系。 建立獨(dú)立坐標(biāo)系時，先選一點(diǎn)作原點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)與統(tǒng)一坐標(biāo)一致，其它各點(diǎn)與原點(diǎn)的坐標(biāo)增量的絕對值增大D（H/R）倍。方法有彭脹法與平移法兩

8、種，彭脹法是對各點(diǎn)與原點(diǎn)的坐標(biāo)增量加改正。平移法是將參考橢圓體中心沿原點(diǎn)法線方向平移H。兩種方法計算結(jié)果相差很小。此外，當(dāng)y坐標(biāo)大于45km時。還需以高斯投影正反算或換帶計算更換投影帶中央子午線。24第五節(jié) WGS坐標(biāo)系1）WGS-84坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系是美國84年在衛(wèi)星大地測量的基礎(chǔ)上建立的以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地測量基準(zhǔn)。大小形狀參數(shù)見后，Z軸指向1984協(xié)議地極，X軸指向1984格林威治子午線與赤道交點(diǎn)，Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數(shù)是WGS-84坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，故GPS測量時，先求得測站點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，再換算為當(dāng)?shù)厥褂玫淖鴺?biāo)。252）ITRF參考框

9、架 ITRF是國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局根據(jù)分布全球的地面觀測站，以最先進(jìn)的測量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)確定的大地測量基準(zhǔn)。是世界公認(rèn)的精度最高的大地測量基準(zhǔn)。目前尚未普遍采用。但其日后必將代替WGS-84。 IERF已發(fā)布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多個地心參考框架，橢球參數(shù)與WGS-84相同，定向不同。26坐標(biāo)系統(tǒng)地球橢1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系1980年西安坐標(biāo)系年西安坐標(biāo)系WGS-84世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系橢球名稱橢球名稱克拉索夫斯基克拉索夫斯基1980大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系WGS-84建成年代建成年代194019791984橢球類型橢球類型參考橢

10、球參考橢球參考橢球參考橢球總地球橢球總地球橢球a（m）637824563781406378137J2或或C20(f)（1：298.3）J2: 1.0826310-3（1：298.257）C20 ： -484.1668510-6（1：298.257223563）GM3.98600510143.9860051014（rad/s）7.29211510-57.29211510-527第六節(jié)第六節(jié) 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)Y時間概念時間概念Y世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)Y力學(xué)時力學(xué)時 Y原子時原子時 28時間系統(tǒng)在定位中的意義C確定GPS衛(wèi)星的在軌位置。C確定測站位置。C確定地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系。29一、時間的

11、概念： 時間包括時刻（絕對時間）與時間間隔（相對時間）兩個概念。如：“上一堂課需要多長時間？”，這是說時間間隔；而“幾點(diǎn)鐘上課？”，這是說時刻，是一個時間點(diǎn)。時刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。時間間隔：指發(fā)生某一現(xiàn)象經(jīng)歷過程的始末時刻差。測量時間同樣需要建立測量基準(zhǔn)，包括尺度與原點(diǎn)?？勺鳛闀r間基準(zhǔn)的運(yùn)動現(xiàn)象必須是周期性的，且其周期應(yīng)有復(fù)現(xiàn)性和足夠的穩(wěn)定性。在GPS導(dǎo)航定位中，通常采用的時間系統(tǒng)有三種，即：恒星時、力學(xué)時、原子時。30二、世界時系統(tǒng) 以地球自轉(zhuǎn)作為時間基準(zhǔn)的時間系統(tǒng)叫做世界時系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動時所選的參考點(diǎn)不同，可分為恒星時、平太陽時、世界時。311）恒星時 以春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過

12、本地子午線的時間間隔為一恒星日，含24恒星小時。分真恒星時和平恒星時。322）平太陽時 太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上子午圈的時間間隔叫做一個真太陽日。由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)軌道是一個橢圓，其運(yùn)動角速度不相同，再加上地球公轉(zhuǎn)軌道在黃道面上，而時角是在赤道平面上度量，因此真太陽日的長度是不相同的，也就是說真太陽時不具備作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。33 但是日常生活中人們已經(jīng)習(xí)慣用太陽來確定時間，安排工作和休息。為了彌補(bǔ)真太陽時的缺陷，人們設(shè)想一個假太陽來代替真太陽，這個假太陽和真太陽一樣也在做周年運(yùn)動，但有兩點(diǎn)不同：第一，其周年運(yùn)動軌跡是赤道平面上而非黃道平面；第二，它在赤道上的運(yùn)動角速度是恒定的，等于

13、真太陽的平均角速度。我們把這個太陽叫平太陽。 以平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔為一平太陽日，含24平太陽小時。343）世界時 因為平太陽時是從平正午開始起算的，在同一天，若早上是10月17日，下午就是10月18日。1925年天文學(xué)家決定將起始點(diǎn)從平正午移到平午夜，并稱這個平太陽時為民用時。 以子夜為零時起算的格林威治平太陽時，用UT0表示。與平太陽時相差12小時，即UT0=GAMT+12h35 平太陽時和世界時均以地球自轉(zhuǎn)為參照，而地球自轉(zhuǎn)速度是變化的，包括極移、自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化和逐年變慢等。1956年引入極移改正和自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化改正：UT1=UT0+， UT2=UT1+TS，加逐年變慢改正。 世界時系統(tǒng)在天文學(xué)、大地測量學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。在GPS中，主要用于天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。36三、力學(xué)時 在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體力學(xué)中的運(yùn)動方程編算的，在這些天體運(yùn)動方程中，時間T是一個獨(dú)立的變量。37四、 原子時 以銫原子基態(tài)兩超精細(xì)能級的輻射躍遷定義時間尺度，以