地球旋轉(zhuǎn)軸天極課件

1、子情境1 坐標(biāo)系的類型一、GPS坐標(biāo)系的特點二、GPS常用坐標(biāo)系統(tǒng)的分類1、空固坐標(biāo)系、地固坐標(biāo)系；2、地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系；3、空間直角坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系；4、瞬時坐標(biāo)系、協(xié)議坐標(biāo)系。5、二維坐標(biāo)系、三維坐標(biāo)系。子情境2 天球坐標(biāo)系一、天球的基本概念天球以地心為球心，以任意長為半徑的球面。天軸地球旋轉(zhuǎn)軸。天極天軸與天球面的交點。Pn 、Ps。天球赤道面過球心且與天軸垂直的平面。黃道面地球公轉(zhuǎn)軌道所在平面，與赤道面夾角為23.5。春分點太陽從南半球向北半球運(yùn)行時，黃道與赤道的交點。重慶3月1日地方時12點春分點位置2、天球坐標(biāo)系的概念二、天球坐標(biāo)系1）天球空間直角坐標(biāo)系2）天球球

2、面坐標(biāo)系3）空間直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換天球空間直角坐標(biāo)系原點：地球質(zhì)量中心Z軸：指向北天極PnX軸：指向春分點Y軸：與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系赤經(jīng)：天體子午面與春分點子午面的夾角赤緯：天體與地心連線和天球赤道面的夾角向徑r ：天體到地心的距離右手坐標(biāo)系三、歲差與章動日月對地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋轉(zhuǎn)軸在空間的指向發(fā)生移動。歲差：假定月球軌道固定，北天極沿圓形軌道繞北黃極的運(yùn)動叫歲差，春分點每年西移50.2，周期約為25800年。章動：由月球軌道變化引起的北天極沿橢圓形軌道運(yùn)動叫章動，橢圓長半徑約為9.2，18.6年一周期。平北天極：不考慮章動的北天極。平春分點。瞬時北天極：繞平北

3、天極18.6年轉(zhuǎn)一周。真春分點。歲差與章動四、協(xié)議天球坐標(biāo)系1）瞬時天球坐標(biāo)系：z軸指向瞬時北天極，x軸指向瞬時春分點（真春分點）。2）平天球坐標(biāo)系：z軸指向平北天極，x軸指向平春分點。3）協(xié)議天球坐標(biāo)系1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天極為協(xié)議北天極，z軸指向協(xié)議北天極的天球坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系，x軸指向協(xié)議春分點。4）三者間的轉(zhuǎn)換：見教材P17。坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)子情境3 地球坐標(biāo)系一、地球坐標(biāo)系的概念常用的有空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系兩種?？臻g直角坐標(biāo)系：原點：一般取地球質(zhì)心。Z軸：指向地球北極。X軸：指向格林威治子午線與地球赤道的交點。Y軸：構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系：

4、大地經(jīng)度L；大地緯度B大地高H?？臻g直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換N法線長度，N=a/W；e地球橢球第一偏心率；地心緯度，即觀測點和地心連線與赤道面的夾角,tan=Z/（X2+Y2）1/2；W=(1-e2sin2B)1/2;R地心向徑，R=（X2+Y2+Z2）1/2。二、地極移動由于地球不是剛體，在地幔對流以及其他物質(zhì)遷移的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體發(fā)生移動的現(xiàn)象。三、協(xié)議地球坐標(biāo)系Z軸指向19001905年平均地球北極或其它國際協(xié)定的地球北極。應(yīng)當(dāng)注意，地極移動與歲差和章動是不同的概念，歲差和章動是指地球自轉(zhuǎn)軸在空間指向的移動，而地極移動則是指地球北極與地面參照物的相對移動。地球坐標(biāo)系與天

5、球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換衛(wèi)星位置用天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，而測站點位置用地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，要用衛(wèi)星坐標(biāo)求測站坐標(biāo)，需將天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換的步驟是：協(xié)議天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)系瞬時天球坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系。在轉(zhuǎn)換過程中，因兩者的坐標(biāo)原點一致，故只需多次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸即可。四、高斯投影與橫軸墨卡托投影高斯投影時，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處的投影變形為0.138%。高斯投影在控制測量課程中已做了詳細(xì)講授，在這不再贅述。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

6、墨卡托投影），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。子情境4 大地測量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換一、 大地測量基準(zhǔn)的概念大地測量基準(zhǔn)是指描述地球大小、形狀和地球在空間定位、定向的參數(shù)，包括：幾何參數(shù)：長半徑a、地球重力場二階帶諧系數(shù)J2；物理參數(shù)：GM、；定向定位參數(shù)。經(jīng)典大地測量基準(zhǔn)是由幾何測量確定的，缺少物理參數(shù)，現(xiàn)代大地測量基準(zhǔn)是由物理測量確定的，參數(shù)齊全。大地測量坐標(biāo)系與大地測量基準(zhǔn)的異同大地測量坐標(biāo)系是理論定義，空間一點在不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換不影響點位。大地測量基準(zhǔn)是依據(jù)若干觀測點的觀測數(shù)據(jù)確定的大地測量坐標(biāo)系，因觀測有誤差，故空間一點

7、在不同基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換會帶來誤差。在多數(shù)場合下，兩者不加區(qū)別。二、常用大地測量基準(zhǔn)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)心為原點的大地測量基準(zhǔn)。大小形狀參數(shù)見后，Z軸指向1984北極，X軸指向1984格林威治子午線與赤道交點，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，先求得測站點的WGS-84坐標(biāo)，再換算為當(dāng)?shù)厥褂玫淖鴺?biāo)。2.ITRF參考框架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

8、采用。但其日后必將代替WGS-84。IERS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。參考網(wǎng)站：http:/3.北京54坐標(biāo)系（1）克拉索夫斯基橢球，與現(xiàn)代值相差較大；（2）指向不明；（3）參考橢球面與大地水準(zhǔn)面差距大；（4）誤差積累大；（5）未整體平差，各部分結(jié)合部有2m誤差。4.西安80坐標(biāo)系對國家網(wǎng)進(jìn)行了整體平差，在我國國內(nèi)，橢球面與似大地水準(zhǔn)面吻合最好。Z軸、X軸分別指向1968北極和格林威治子午線與赤道交點。存在問題：是局部基準(zhǔn)而非全球基準(zhǔn)；二維坐標(biāo)系，不適合衛(wèi)星定位。各基準(zhǔn)的參數(shù)比較 坐標(biāo)

9、系統(tǒng)地球橢球1954年北京坐標(biāo)系1980年西安坐標(biāo)系WGS-84世界大地坐標(biāo)系橢球名稱克拉索夫斯基1980大地坐標(biāo)系WGS-84建成年代194019791984橢球類型參考橢球參考橢球總地球橢球a（m）637824563781406378137J2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）7.29211510-57.29211510-5三、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換1.七參數(shù)法(適合于空間直角坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換） 七參數(shù)法公式2.四參數(shù)法（適合于高斯平面坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換）3.參數(shù)估算七參數(shù)法需已知三個點在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。四參數(shù)法需已知兩個點在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。其中m用測距儀確定也可。4.地方獨立坐標(biāo)系地方獨立坐標(biāo)