概論第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)課件

全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院林承達(dá)linchengda@

1全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院1第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測(cè)站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)2第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面3地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面3坐標(biāo)和坐標(biāo)系坐標(biāo)定義：用于在一個(gè)給定維數(shù)的空間中相對(duì)于一個(gè)參照系來確定點(diǎn)的位置的一組數(shù)。坐標(biāo)系定義：坐標(biāo)系則是一種在給定維數(shù)的空間中用坐標(biāo)來表示點(diǎn)的方法，是測(cè)量參照系的核心數(shù)學(xué)元素。類型：笛卡爾坐標(biāo)系、曲線坐標(biāo)系4坐標(biāo)和坐標(biāo)系坐標(biāo)4位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系基準(zhǔn)基準(zhǔn)（Datum）指的是一組用于描述其它量的量。位置基準(zhǔn)定位中被用作測(cè)量或計(jì)算基礎(chǔ)的點(diǎn)、線或面，如：用于定義天體參照系的天球、赤道面、黃道面、春分點(diǎn)，用于定義大地坐標(biāo)系的參考橢球及其定位和定向，用于定義高程參照系的大地水準(zhǔn)面5位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系基準(zhǔn)5位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系坐標(biāo)參照系定義：提供系統(tǒng)原點(diǎn)、尺度、定向及其時(shí)間演變的一組協(xié)議、算法和常數(shù)。（IERS）坐標(biāo)參照系的確定：需要確定其原點(diǎn)、軸向及尺度。坐標(biāo)參照系的類型天球參照系CRS–CelestialReferenceSystem也被稱為空固系（Space-fixedReferenceSystem）地球參照系TRS–TerrestrialReferenceSystem也被稱為地固系（Earth-fixedReferenceSystem）6位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系坐標(biāo)參照系6參考框架坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)問題：坐標(biāo)參照系的定義雖然明確且嚴(yán)密，但是卻非常抽象，而且也不易于使用。參考框架-坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)。參考框架定義：參考框架是一組具有相應(yīng)參照系下坐標(biāo)及其時(shí)間演變的點(diǎn)。理論依據(jù)：一組相容的坐標(biāo)中，實(shí)際上隱含了定義一個(gè)坐標(biāo)參照系所必需的一個(gè)原點(diǎn)、一組正交坐標(biāo)軸的指向和一個(gè)尺度。7參考框架坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)7坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換兩種類型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換同一點(diǎn)的坐標(biāo)在相同基準(zhǔn)或參照系下由一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為另一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)際上是不同坐標(biāo)表達(dá)方式間的變換?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換同一點(diǎn)在基于某一基準(zhǔn)或參照系的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于另一基準(zhǔn)或照系的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如WGS84與1954年北京坐標(biāo)系下大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換，或WGS84下的笛卡爾坐標(biāo)與1954北京坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換。8坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換兩種類型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換8坐標(biāo)系統(tǒng)的類型在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對(duì)于描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)極其方便與地球體固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)：對(duì)于表達(dá)地面觀測(cè)站的位置和處理GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)尤為方便9坐標(biāo)系統(tǒng)的類型在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對(duì)于描述2.1天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系描述人造衛(wèi)星的位置采用球面坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系102.1天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系10空間直角坐標(biāo)系/笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)軸相互正交的坐標(biāo)系?？臻g直角坐標(biāo)系三維笛卡爾坐標(biāo)系。測(cè)量中的空間直角坐標(biāo)系11空間直角坐標(biāo)系/笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系11大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地基準(zhǔn)（GeodeticDatum）用于定義地球參考橢球的一系列參數(shù)，包括：橢球的大小和形狀：通常用長(zhǎng)半軸（Semi-majorAxis）和扁率（Flattening）（或偏心率（Eccentricity））來表示；橢球短半軸（Semi-minorAxis）的指向（Orientation）：通常與地球的平自轉(zhuǎn)軸平行；橢球中心的位置：根據(jù)需要確定，地心橢球的中心位于地球的質(zhì)心；本初子午線（PrimeMeridian）：通過固定平極和經(jīng)度原點(diǎn)的天文子午線，通常為格林尼治子午線。

12大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地基準(zhǔn)（GeodeticDat大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地/橢球坐標(biāo)系定義：以大地基準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立的坐標(biāo)系被稱為大地坐標(biāo)系，由于大地基準(zhǔn)又是以參考橢球?yàn)榛A(chǔ)，因此，又被稱為橢球坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)大地緯度（B）大地經(jīng)度（L）大地高/橢球高（H）13大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地/橢球坐標(biāo)系13大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系 參考面長(zhǎng)半軸為a，短半軸b為旋轉(zhuǎn)軸的橢球面；橢球面幾何中心與直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，短半軸與直角坐標(biāo)系Z軸重合。14大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系14地球坐標(biāo)系的其它表達(dá)形式地球參心坐標(biāo)系天文坐標(biāo)系站心坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)系15地球坐標(biāo)系的其它表達(dá)形式地球參心坐標(biāo)系15天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系理解：地球坐標(biāo)是把地球視為理想球體，以其旋轉(zhuǎn)軸兩極的最短球面連線為經(jīng)線，垂直于經(jīng)線的是緯線形成的角度坐標(biāo)系。而宇宙中的星體位置遠(yuǎn)近不一，所以以地球?yàn)榍蛐模瑢⑿求w沿球徑投影到某個(gè)假想球面上，來表示星體的角位置。區(qū)別：天球坐標(biāo)是天文用的，地球坐標(biāo)是地理用的；天球坐標(biāo)能描述星體相對(duì)于地球的角度位置，地球坐標(biāo)只描述物體在地球表面的位置。它們都是角坐標(biāo)系，但是地球坐標(biāo)是以地球表面為球面的，是有半徑的；而天球坐標(biāo)與半徑無關(guān)，只要是某一球面即可。16天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系理解：地球坐標(biāo)是把地球視為理想球體，以2.2WGS－84大地坐標(biāo)系幾何定義：坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球質(zhì)心。Z軸指向協(xié)議地球極方向。X軸指向零度子午面和赤道的交點(diǎn)。Y軸和ZX軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。172.2WGS－84大地坐標(biāo)系幾何定義：17我國(guó)常用局部參照系我國(guó)常用局部參照系1954年北京坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000–ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）18我國(guó)常用局部參照系我國(guó)常用局部參照系18國(guó)家大地坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系橢球參數(shù)19國(guó)家大地坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系1954北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系的歷史：新中國(guó)成立以后，我國(guó)大地測(cè)量進(jìn)入了全面發(fā)展時(shí)期，再全國(guó)范圍內(nèi)開展了正規(guī)的，全面的大地測(cè)量和測(cè)圖工作，迫切需要建立一個(gè)參心大地坐標(biāo)系。由于當(dāng)時(shí)的“一邊倒”政治趨向，故我國(guó)采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系。因此，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)不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃。2054北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系的歷史：2054北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54）存在問題橢球參數(shù)與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，不包含表示地球物理特性的參數(shù)橢球定向不十分明確。參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常最大達(dá)67米。參考框架未進(jìn)行全國(guó)統(tǒng)一平差。2154北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54）2180西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系基本情況1978年決定對(duì)我國(guó)天文大地網(wǎng)進(jìn)行整體平差。重新選定橢球，并進(jìn)行定位、定向。該坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)設(shè)在我國(guó)中部的陜西省涇陽(yáng)縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標(biāo)系，又簡(jiǎn)稱西安大地原點(diǎn)?；鶞?zhǔn)面采用青島大港驗(yàn)潮站1952－1979年確定的黃海平均海水面（即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）。2280西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系2280西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)及定位、定向地球橢球參數(shù)的四個(gè)幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值橢球的短軸由地球質(zhì)心指向1968.0JYD，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)采用1956年黃海平均海水面為高程起算基準(zhǔn)。2380西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系232000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）原點(diǎn)：包括海洋和大氣在內(nèi)的整個(gè)地球的質(zhì)心。長(zhǎng)度單位：米（SI），與局部地心框架下的地心坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間坐標(biāo)一致，通過建立適當(dāng)?shù)南鄬?duì)論模型獲得；定向：初始定向由1984.0時(shí)的BIH（國(guó)際時(shí)間局）定向給定；定向的時(shí)間演化：定向的時(shí)間演化不產(chǎn)生相對(duì)于地殼的殘余全球旋轉(zhuǎn)；CGCS2000大地坐標(biāo)系是右手地固直角坐標(biāo)系。原點(diǎn)在地心；軸為國(guó)際地球自轉(zhuǎn)局（IERS）參考極（IRP）方向，軸為IERS的參考子午面（IRM）與垂直于軸的赤道面的交線，軸與軸和軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。242000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）原點(diǎn)：包括海洋2000國(guó)家大地坐標(biāo)系經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》，中國(guó)自2008年7月1日起啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。為此，國(guó)家測(cè)繪局6月18日發(fā)布公告。公告同時(shí)對(duì)新舊坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和使用作出說明：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8至10年。2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測(cè)繪成果應(yīng)采用2000國(guó)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(guó)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(guó)家大地坐標(biāo)系。252000國(guó)家大地坐標(biāo)系經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）橢球參數(shù)長(zhǎng)半軸：地球（包括大氣）引力常數(shù)：地球動(dòng)力形狀因子：地球自轉(zhuǎn)速度：262000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）2000國(guó)家大2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）CGCS2000的實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次第一層次：連續(xù)運(yùn)行參考站。由它們構(gòu)成CGCS2000的基本骨架，其坐標(biāo)精度為mm級(jí)，速度精度為1mm/a。第二層次：大地控制網(wǎng)。包括中國(guó)全部領(lǐng)土和領(lǐng)海內(nèi)的高精度GPS網(wǎng)點(diǎn)，其三維地心坐標(biāo)精度為cm級(jí)，速度精度為2~3mm/a。第三層次：天文大地網(wǎng)。包括經(jīng)空間網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差的約5萬個(gè)天文大地點(diǎn)，其大地經(jīng)緯度誤差不超過0.3m，大地高誤差不超過0.5m。272000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）272000國(guó)家大地坐標(biāo)系的必要性1.二維坐標(biāo)系統(tǒng)。1980西安坐標(biāo)系是經(jīng)典大地測(cè)量成果的歸算及其應(yīng)用，它的表現(xiàn)形式為平面的二維坐標(biāo)。高精度、三維與低精度、二維之間的矛盾是無法協(xié)調(diào)的。2.參考橢球參數(shù)。1980西安坐標(biāo)系所采用的IAG1975橢球，其長(zhǎng)半軸要比現(xiàn)在國(guó)際公認(rèn)的WGS84橢球長(zhǎng)半軸的值大3米左右，而這可能引起地表長(zhǎng)度誤差達(dá)10倍左右。3.隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，維持非地心坐標(biāo)系下的實(shí)際點(diǎn)位坐標(biāo)不變的難度加大，維持非地心坐標(biāo)系的技術(shù)也逐步被新技術(shù)所取代。4.橢球短半軸指向。1980西安坐標(biāo)系采用指向JYD1968.0極原點(diǎn)，與國(guó)際上通用的地面坐標(biāo)系如ITRS，或與GPS定位中采用的WGS84等橢球短軸的指向(BIH1984.0)不同。282000國(guó)家大地坐標(biāo)系的必要性1.二維坐標(biāo)系統(tǒng)。1980西安2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的意義1.科學(xué)意義，定義更加科學(xué)、原點(diǎn)位于地球質(zhì)量中心的三維國(guó)家大地坐標(biāo)系。2.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系可對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益3.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系將進(jìn)一步促進(jìn)遙感技術(shù)在中國(guó)的廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其在資源和生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的作用。4.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系也是保障交通運(yùn)輸、航海等安全的需要。5.衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與通信、遙感和電子消費(fèi)產(chǎn)品不斷融合，將會(huì)創(chuàng)造出更多新產(chǎn)品和新服務(wù)，市場(chǎng)前景更為看好292000國(guó)家大地坐標(biāo)系的意義1.科學(xué)意義，定義更加科學(xué)、原2.3時(shí)間系統(tǒng)在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置，及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，因而也是人們利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)302.3時(shí)間系統(tǒng)在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述GPS時(shí)間系統(tǒng)的重要意義GPS衛(wèi)星作為一個(gè)高空觀測(cè)目標(biāo)，其位置是在不斷變化的。必須有瞬間位置時(shí)刻。GPS定位是通過接收信號(hào)來確定用戶接收機(jī)跟衛(wèi)星的距離或者距離差，因此必須確定信號(hào)的傳播時(shí)間。由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標(biāo)系中，地球上點(diǎn)的位置是不斷的變化的。31GPS時(shí)間系統(tǒng)的重要意義GPS衛(wèi)星作為一個(gè)高空觀測(cè)目標(biāo)，其位兩個(gè)重要的名詞時(shí)刻：即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。天文學(xué)中或者衛(wèi)星定位中，與所獲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也成為歷元。時(shí)間間隔：指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程的始末差。時(shí)間間隔測(cè)量稱為相對(duì)時(shí)間測(cè)量，時(shí)刻測(cè)量稱為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。32兩個(gè)重要的名詞時(shí)刻：即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。天文學(xué)中或者衛(wèi)星定時(shí)間基準(zhǔn)的要求運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是連續(xù)的周期的。運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)該由充分的穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性。對(duì)于GPS最重要的時(shí)間系統(tǒng)有三種：恒星時(shí)、力學(xué)時(shí)和原子時(shí)。33時(shí)間基準(zhǔn)的要求運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是連續(xù)的周期的。33恒星時(shí)ST(SiderealTime)以春分點(diǎn)為參考點(diǎn),由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)為恒星時(shí)系統(tǒng)。時(shí)間尺度：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，一恒星日分為24個(gè)恒星時(shí)。恒星時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，在天文學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。34恒星時(shí)ST(SiderealTime)以春分點(diǎn)為參考點(diǎn),世界時(shí)UT(UniversalTime)以平子夜為零時(shí)起算得格林尼治平太陽(yáng)時(shí)定義為世界時(shí)UT。35世界時(shí)UT(UniversalTime)以平子夜為零時(shí)起協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC（CoordinatedUniversalTime） 協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC是一種接近世界時(shí)UT的折中辦法。既要保證時(shí)間尺度的均勻性，又近似反映地球自轉(zhuǎn)變化。36協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC（CoordinatedUniversal原子時(shí)ATI(InternationalAtomicTime)20世紀(jì)50年代，建立以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的特征為基礎(chǔ)的原子時(shí)系統(tǒng)。就目前的觀測(cè)水平而言這一事件尺度是均勻的，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)作為時(shí)間單位。原子時(shí)的秒長(zhǎng)被定義為銫原子Cs133基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射振蕩9192631170周所持續(xù)的時(shí)間。原子時(shí)的起點(diǎn)，按國(guó)際協(xié)定取為1958年1月1日0時(shí)0秒（UT2）

37原子時(shí)ATI(InternationalAtomicT位置基準(zhǔn)–WGS-84（WorldGeodeticSystem-1984）采用廣播星歷建立：美國(guó)國(guó)防部制圖局（DMA）參考橢球：長(zhǎng)半軸：6378137m，扁率：1/298.257223563，大地水準(zhǔn)面：全球重力場(chǎng)模型（EGM）ITRF（國(guó)際地球參考框架）采用精密星歷建立：國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS）參考橢球：1980年大地參考系橢球（GRS80）時(shí)間基準(zhǔn)–GPS時(shí)間（GPSTime）原子時(shí)表示方法：GPS周+一周內(nèi)的秒數(shù)起點(diǎn)：1980年1月6日0時(shí)與UTC的關(guān)系：1980年1月6日0時(shí)與UTC一至，目前由于跳秒的原因，相差32.0秒GPS的位置基準(zhǔn)與時(shí)間基準(zhǔn)38位置基準(zhǔn)–GPS的位置基準(zhǔn)與時(shí)間基準(zhǔn)38全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院林承達(dá)linchengda@

39全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院1第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測(cè)站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)40第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面41地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面3坐標(biāo)和坐標(biāo)系坐標(biāo)定義：用于在一個(gè)給定維數(shù)的空間中相對(duì)于一個(gè)參照系來確定點(diǎn)的位置的一組數(shù)。坐標(biāo)系定義：坐標(biāo)系則是一種在給定維數(shù)的空間中用坐標(biāo)來表示點(diǎn)的方法，是測(cè)量參照系的核心數(shù)學(xué)元素。類型：笛卡爾坐標(biāo)系、曲線坐標(biāo)系42坐標(biāo)和坐標(biāo)系坐標(biāo)4位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系基準(zhǔn)基準(zhǔn)（Datum）指的是一組用于描述其它量的量。位置基準(zhǔn)定位中被用作測(cè)量或計(jì)算基礎(chǔ)的點(diǎn)、線或面，如：用于定義天體參照系的天球、赤道面、黃道面、春分點(diǎn)，用于定義大地坐標(biāo)系的參考橢球及其定位和定向，用于定義高程參照系的大地水準(zhǔn)面43位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系基準(zhǔn)5位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系坐標(biāo)參照系定義：提供系統(tǒng)原點(diǎn)、尺度、定向及其時(shí)間演變的一組協(xié)議、算法和常數(shù)。（IERS）坐標(biāo)參照系的確定：需要確定其原點(diǎn)、軸向及尺度。坐標(biāo)參照系的類型天球參照系CRS–CelestialReferenceSystem也被稱為空固系（Space-fixedReferenceSystem）地球參照系TRS–TerrestrialReferenceSystem也被稱為地固系（Earth-fixedReferenceSystem）44位置基準(zhǔn)和坐標(biāo)參照系坐標(biāo)參照系6參考框架坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)問題：坐標(biāo)參照系的定義雖然明確且嚴(yán)密，但是卻非常抽象，而且也不易于使用。參考框架-坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)。參考框架定義：參考框架是一組具有相應(yīng)參照系下坐標(biāo)及其時(shí)間演變的點(diǎn)。理論依據(jù)：一組相容的坐標(biāo)中，實(shí)際上隱含了定義一個(gè)坐標(biāo)參照系所必需的一個(gè)原點(diǎn)、一組正交坐標(biāo)軸的指向和一個(gè)尺度。45參考框架坐標(biāo)參照系的實(shí)現(xiàn)7坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換兩種類型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換同一點(diǎn)的坐標(biāo)在相同基準(zhǔn)或參照系下由一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為另一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)際上是不同坐標(biāo)表達(dá)方式間的變換?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換同一點(diǎn)在基于某一基準(zhǔn)或參照系的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于另一基準(zhǔn)或照系的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如WGS84與1954年北京坐標(biāo)系下大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換，或WGS84下的笛卡爾坐標(biāo)與1954北京坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換。46坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換兩種類型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換8坐標(biāo)系統(tǒng)的類型在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對(duì)于描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)極其方便與地球體固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)：對(duì)于表達(dá)地面觀測(cè)站的位置和處理GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)尤為方便47坐標(biāo)系統(tǒng)的類型在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對(duì)于描述2.1天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系描述人造衛(wèi)星的位置采用球面坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系482.1天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系10空間直角坐標(biāo)系/笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)軸相互正交的坐標(biāo)系?？臻g直角坐標(biāo)系三維笛卡爾坐標(biāo)系。測(cè)量中的空間直角坐標(biāo)系49空間直角坐標(biāo)系/笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系11大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地基準(zhǔn)（GeodeticDatum）用于定義地球參考橢球的一系列參數(shù)，包括：橢球的大小和形狀：通常用長(zhǎng)半軸（Semi-majorAxis）和扁率（Flattening）（或偏心率（Eccentricity））來表示；橢球短半軸（Semi-minorAxis）的指向（Orientation）：通常與地球的平自轉(zhuǎn)軸平行；橢球中心的位置：根據(jù)需要確定，地心橢球的中心位于地球的質(zhì)心；本初子午線（PrimeMeridian）：通過固定平極和經(jīng)度原點(diǎn)的天文子午線，通常為格林尼治子午線。

50大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地基準(zhǔn)（GeodeticDat大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地/橢球坐標(biāo)系定義：以大地基準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立的坐標(biāo)系被稱為大地坐標(biāo)系，由于大地基準(zhǔn)又是以參考橢球?yàn)榛A(chǔ)，因此，又被稱為橢球坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)大地緯度（B）大地經(jīng)度（L）大地高/橢球高（H）51大地基準(zhǔn)與大地/橢球坐標(biāo)系大地/橢球坐標(biāo)系13大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系 參考面長(zhǎng)半軸為a，短半軸b為旋轉(zhuǎn)軸的橢球面；橢球面幾何中心與直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，短半軸與直角坐標(biāo)系Z軸重合。52大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系14地球坐標(biāo)系的其它表達(dá)形式地球參心坐標(biāo)系天文坐標(biāo)系站心坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)系53地球坐標(biāo)系的其它表達(dá)形式地球參心坐標(biāo)系15天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系理解：地球坐標(biāo)是把地球視為理想球體，以其旋轉(zhuǎn)軸兩極的最短球面連線為經(jīng)線，垂直于經(jīng)線的是緯線形成的角度坐標(biāo)系。而宇宙中的星體位置遠(yuǎn)近不一，所以以地球?yàn)榍蛐?，將星體沿球徑投影到某個(gè)假想球面上，來表示星體的角位置。區(qū)別：天球坐標(biāo)是天文用的，地球坐標(biāo)是地理用的；天球坐標(biāo)能描述星體相對(duì)于地球的角度位置，地球坐標(biāo)只描述物體在地球表面的位置。它們都是角坐標(biāo)系，但是地球坐標(biāo)是以地球表面為球面的，是有半徑的；而天球坐標(biāo)與半徑無關(guān)，只要是某一球面即可。54天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系理解：地球坐標(biāo)是把地球視為理想球體，以2.2WGS－84大地坐標(biāo)系幾何定義：坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球質(zhì)心。Z軸指向協(xié)議地球極方向。X軸指向零度子午面和赤道的交點(diǎn)。Y軸和ZX軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。552.2WGS－84大地坐標(biāo)系幾何定義：17我國(guó)常用局部參照系我國(guó)常用局部參照系1954年北京坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000–ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）56我國(guó)常用局部參照系我國(guó)常用局部參照系18國(guó)家大地坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系橢球參數(shù)57國(guó)家大地坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系1954北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系的歷史：新中國(guó)成立以后，我國(guó)大地測(cè)量進(jìn)入了全面發(fā)展時(shí)期，再全國(guó)范圍內(nèi)開展了正規(guī)的，全面的大地測(cè)量和測(cè)圖工作，迫切需要建立一個(gè)參心大地坐標(biāo)系。由于當(dāng)時(shí)的“一邊倒”政治趨向，故我國(guó)采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系。因此，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)不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃。5854北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系的歷史：2054北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54）存在問題橢球參數(shù)與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，不包含表示地球物理特性的參數(shù)橢球定向不十分明確。參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常最大達(dá)67米。參考框架未進(jìn)行全國(guó)統(tǒng)一平差。5954北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系（BJZ54）2180西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系基本情況1978年決定對(duì)我國(guó)天文大地網(wǎng)進(jìn)行整體平差。重新選定橢球，并進(jìn)行定位、定向。該坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)設(shè)在我國(guó)中部的陜西省涇陽(yáng)縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標(biāo)系，又簡(jiǎn)稱西安大地原點(diǎn)?；鶞?zhǔn)面采用青島大港驗(yàn)潮站1952－1979年確定的黃海平均海水面（即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）。6080西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系2280西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)及定位、定向地球橢球參數(shù)的四個(gè)幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值橢球的短軸由地球質(zhì)心指向1968.0JYD，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)采用1956年黃海平均海水面為高程起算基準(zhǔn)。6180西安大地坐標(biāo)系1980西安大地坐標(biāo)系232000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）原點(diǎn)：包括海洋和大氣在內(nèi)的整個(gè)地球的質(zhì)心。長(zhǎng)度單位：米（SI），與局部地心框架下的地心坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間坐標(biāo)一致，通過建立適當(dāng)?shù)南鄬?duì)論模型獲得；定向：初始定向由1984.0時(shí)的BIH（國(guó)際時(shí)間局）定向給定；定向的時(shí)間演化：定向的時(shí)間演化不產(chǎn)生相對(duì)于地殼的殘余全球旋轉(zhuǎn)；CGCS2000大地坐標(biāo)系是右手地固直角坐標(biāo)系。原點(diǎn)在地心；軸為國(guó)際地球自轉(zhuǎn)局（IERS）參考極（IRP）方向，軸為IERS的參考子午面（IRM）與垂直于軸的赤道面的交線，軸與軸和軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。622000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）原點(diǎn)：包括海洋2000國(guó)家大地坐標(biāo)系經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》，中國(guó)自2008年7月1日起啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。為此，國(guó)家測(cè)繪局6月18日發(fā)布公告。公告同時(shí)對(duì)新舊坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和使用作出說明：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8至10年。2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測(cè)繪成果應(yīng)采用2000國(guó)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(guó)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(guó)家大地坐標(biāo)系。632000國(guó)家大地坐標(biāo)系經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）橢球參數(shù)長(zhǎng)半軸：地球（包括大氣）引力常數(shù)：地球動(dòng)力形狀因子：地球自轉(zhuǎn)速度：642000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）2000國(guó)家大2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）CGCS2000的實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次第一層次：連續(xù)運(yùn)行參考站。由它們構(gòu)成CGCS2000的基本骨架，其坐標(biāo)精度為mm級(jí)，速度精度為1mm/a。第二層次：大地控制網(wǎng)。包括中國(guó)全部領(lǐng)土和領(lǐng)海內(nèi)的高精度GPS網(wǎng)點(diǎn)，其三維地心坐標(biāo)精度為cm級(jí)，速度精度為2~3mm/a。第三層次：天文大地網(wǎng)。包括經(jīng)空間網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差的約5萬個(gè)天文大地點(diǎn)，其大地經(jīng)緯度誤差不超過0.3m，大地高誤差不超過0.5m。652000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）272000國(guó)家大地坐標(biāo)系的必要性1.二維坐標(biāo)系統(tǒng)。1980西安坐標(biāo)系是經(jīng)典大地測(cè)量成果的歸算及其應(yīng)用，它的表現(xiàn)形式為平面的二維坐標(biāo)。高精度、三維與低精度、二維之間的矛盾是無法協(xié)調(diào)的。2.參考橢球參數(shù)。1980西安坐標(biāo)系所采用的IAG1975橢球，其長(zhǎng)半軸要比現(xiàn)在國(guó)際公認(rèn)的WGS84橢球長(zhǎng)半軸的值大3米左右，而這可能引起地表長(zhǎng)度誤差達(dá)10倍左右。3.隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，維持非地心坐標(biāo)系下的實(shí)際點(diǎn)位坐標(biāo)不變的難度加大，維持非地心坐標(biāo)系的技術(shù)也逐步被新技術(shù)所取代。4.橢球短半軸指向。1980西安坐標(biāo)系采用指向JYD1968.0極原點(diǎn)，與國(guó)際上通用的地面坐標(biāo)系如ITRS，或與GPS定位中采用的WGS84等橢球短軸的指向(BIH1984.0)不同。662000國(guó)家大地坐標(biāo)系的必要性1.二維坐標(biāo)系統(tǒng)。1980西安2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的意義1.科學(xué)意義，定義更加科學(xué)、原點(diǎn)位于地球質(zhì)量中心的三維國(guó)家大地坐標(biāo)系。2.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系可對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益3.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系將進(jìn)一步促進(jìn)遙感技術(shù)在中國(guó)的廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其在資源和生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的作用。4.采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系也是保障交通運(yùn)輸、航海等安全的需要。5.衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與通信、遙感和電子消費(fèi)產(chǎn)品不斷融合，將會(huì)創(chuàng)造出更多新產(chǎn)品和新服務(wù)，市場(chǎng)前景更為看好672000國(guó)家大地坐標(biāo)系的意義1.科學(xué)意義，定義更加科學(xué)、原2.3時(shí)間系統(tǒng)在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置，及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，因而也是人們利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)682.3時(shí)間系統(tǒng)在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述GPS時(shí)間系統(tǒng)的重要意義GPS衛(wèi)星作為一個(gè)高空觀測(cè)目標(biāo)，其位置是在不斷變化的。必須有瞬間位置時(shí)刻。GPS定