第二章GPS坐標(biāo)系統(tǒng)課件

GPS原理及應(yīng)用

ThePrincipleandApplicationofGPS第二章坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)GPS原理及應(yīng)用

ThePrincipleandA測量的基本任務(wù)就是確定物體在空間中的位置、姿態(tài)及其運(yùn)動軌跡。而對這些特征的描述都是建立在某一個特定的空間框架和時間框架之上的。所謂空間框架就是我們常說的坐標(biāo)系統(tǒng)，而時間框架就是我們常說的時間系統(tǒng)。概述測量的基本任務(wù)就是確定物體在空間中的位置一個完整的坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)系和基準(zhǔn)兩方面要素所構(gòu)成的。坐標(biāo)系指的是描述空間位置的表達(dá)形式，而基準(zhǔn)指的是為描述空間位置而定義的一系列點(diǎn)、線、面。在大地測量中的基準(zhǔn)一般是指為確定點(diǎn)在空間中的位置，而采用的地球橢球或參考橢球的幾何參數(shù)和物理參數(shù)，及其在空間的定位、定向方式，以及在描述空間位置時所采用的單位長度的定義。概述一個完整的坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)系和基準(zhǔn)兩方面

確定物體的位置需要一個參照系，測量上的參照系，就是各類坐標(biāo)系統(tǒng)，衛(wèi)星的運(yùn)動是在受到地球引力情況下的慣性運(yùn)動，與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以要描述衛(wèi)星的位置，應(yīng)該引入一個不隨地球自轉(zhuǎn)變化的坐標(biāo)系統(tǒng)（天球坐標(biāo)系統(tǒng)）。另一方面，地球表面的測站點(diǎn)，空間位置隨地球自轉(zhuǎn)而變化，但是在地面的觀測者看來，其位置是固定不動的，所以描述其位置，需要一個隨地球自轉(zhuǎn)而變化的坐標(biāo)系統(tǒng)（地球坐標(biāo)系）。概述確定物體的位置需要一個參照系，測量上的參照概述需要指出的是，兩種坐標(biāo)系統(tǒng)理論上原點(diǎn)都是地球的質(zhì)心，Z軸指向地球旋轉(zhuǎn)軸，差別僅在于X（Y）軸是否隨地球轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。另外從地球公轉(zhuǎn)的角度看，兩種坐標(biāo)系均是運(yùn)動的。概述需要指出的是，兩種坐標(biāo)系統(tǒng)理論上原點(diǎn)都是地概述第二章坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1協(xié)議天球坐標(biāo)系2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系2.4國家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系2.5時間系統(tǒng)第二章坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1協(xié)議天球坐標(biāo)系天球——以地心為球心，以任意長為半徑的球體。天軸——地球旋轉(zhuǎn)軸所在直線。天極——天軸與天球面的交點(diǎn)。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°。天球的基本概念天球——以地心為球心，以任意長為半徑的球體。天球的基本概念春分點(diǎn)——太陽從南半球向北半球運(yùn)行時，黃道與赤道的交點(diǎn)。秋分點(diǎn)——太陽從北半球向南半球運(yùn)行時，黃道與赤道的交點(diǎn)。建立天球坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面天球的基本概念春分點(diǎn)——太陽從南半球向北半球運(yùn)行時，黃道與赤道的交點(diǎn)。天球天球坐標(biāo)系的概念地球在自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)中旋轉(zhuǎn)軸（極軸）指向不變，而公轉(zhuǎn)的軌道平面也是不變的，所以天球赤道面和黃道面的交點(diǎn)－春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)是固定不變的。天球坐標(biāo)系的概念地球在自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)中旋轉(zhuǎn)軸（極軸）指向不變，而第二章GPS坐標(biāo)系統(tǒng)ppt課件天球坐標(biāo)系的概念

1）天球空間直角坐標(biāo)系

原點(diǎn)：地球質(zhì)量中心Z軸：指向北天極PnX軸：指向春分點(diǎn)Y軸：與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系

天球坐標(biāo)系的概念1）天球空間直角坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的概念

2）天球球面坐標(biāo)系原點(diǎn)：地球質(zhì)量中心赤經(jīng)α：天體子午面與春分點(diǎn)子午面的夾角赤緯δ：天體與地心連線和天球赤道面的夾角向徑r：天體到地心的距離天球坐標(biāo)系的概念2）天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系與天球直角坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)(celestialsphericcoordinate):

赤經(jīng)α、赤緯δ、向徑r天球直角坐標(biāo)(celestialCartesian)：x、y、zOrαδθPXYZ圖2-4球面坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系與天球直角坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)(celestia歲差與章動的影響天球坐標(biāo)系建立是基于下列假設(shè)：1地球是一個質(zhì)量均勻的球體，只受到太陽引力作用2地球旋轉(zhuǎn)軸在空間的方向不變。實(shí)際上上述兩項(xiàng)假設(shè)并不嚴(yán)格成立，所以地球極軸的指向、地球赤道面和黃道面夾角、春分點(diǎn)位置并非絕對不變，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。極軸的變化是極其復(fù)雜的，處理這一問題目前是采用將其分解為有兩種規(guī)律的運(yùn)動，稱為歲差和章動，極軸的運(yùn)動則被認(rèn)為是兩者的疊加。歲差與章動的影響天球坐標(biāo)系建立是基于下列假設(shè)：歲差(precession)與章動(nutation)

日、月對地球的引力(gravitation)產(chǎn)生力矩(moment)，使地球自轉(zhuǎn)軸的方向在天球上緩慢地運(yùn)動。地球自轉(zhuǎn)軸的變化引起與它垂直的赤道面的傾斜，從而使春分點(diǎn)(vernalequinox)（黃道與赤道的交點(diǎn)—intersectionofeclipticplaneandequator）變化。這種變化可以分解為一個長周期變化和一系列短周期變化的疊加（superpositionofaseriesoflongperiodandshortperiodchanges)。歲差與章動的疊加歲差(precession)與章動(nutation)日、歲差(precession)與章動(nutation)地球自轉(zhuǎn)軸的長周期變化約25800年繞黃極一周。使春分點(diǎn)產(chǎn)生每年約50.2″的長期變化，稱之為日月歲差(sunandmoonprecession)。一系列短周期變化中幅值最大的約為9″，周期為18.6年，這些短周期變化稱之為章動(nutation)。春分點(diǎn)除因地球自轉(zhuǎn)軸方向改變引起的變化外，還因黃道的緩慢變化（行星引力對地球繞日運(yùn)動軌道的攝動）而變化，稱為行星歲差(planetprecession)。歲差與章動的疊加歲差(precession)與章動(nutation)地球自歲差與章動的影響在歲差和章動影響下，瞬時天球坐標(biāo)系的軸向是不斷變化的，這樣的坐標(biāo)系稱為非慣性坐標(biāo)系，不利于研究行星的運(yùn)動規(guī)律，因此需要建立一種軸向穩(wěn)定不變的天球坐標(biāo)系統(tǒng)。由于這樣的天球坐標(biāo)系統(tǒng)，是通過國家間協(xié)商建立的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，所以稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系統(tǒng)。歲差與章動的影響在歲差和章動影響下，瞬時天球坐標(biāo)系的軸向是不協(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(diǎn)（真春分點(diǎn)）。2）平天球坐標(biāo)系：z軸指向平北天極，x軸指向平春分點(diǎn)。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(diǎn)。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軸指協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系⑴歲差旋轉(zhuǎn)變換(precessionrotationtransform)由于歲差導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動使兩坐標(biāo)系z軸產(chǎn)生夾角；同理，因歲差導(dǎo)致春分點(diǎn)的運(yùn)動使兩坐標(biāo)系軸、Z軸分別產(chǎn)生夾角、。通過旋轉(zhuǎn)變換得到這樣兩個坐標(biāo)系的變換式：(2-1)式中，為歲差參數(shù)。協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系⑴歲差旋轉(zhuǎn)變換(preces黃經(jīng)章動和交角章動黃經(jīng)章動和交角章動⑵章動旋轉(zhuǎn)變換(nutationrotationtransform)在已進(jìn)行歲差旋轉(zhuǎn)變換的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行章動旋轉(zhuǎn)變換。(2-2)式中，ε為所論歷元的平黃赤交角(meananglebetweeneclipticandequator)。分別為黃經(jīng)章動(nutationinlongitude)和交角章動(nutationinobliquity)參數(shù)。⑵章動旋轉(zhuǎn)變換(nutationrotationtra2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系地面上的點(diǎn)被認(rèn)為是相對于地球固定不變的，所以其參照系統(tǒng)應(yīng)是與地球體固連的坐標(biāo)體系，目前普遍采用的就是所謂大地坐標(biāo)系統(tǒng)。但是由于地球質(zhì)量不均勻，并且存在內(nèi)部運(yùn)動，導(dǎo)致了地球的旋轉(zhuǎn)軸相對于地球體并不是固定不變的，這種現(xiàn)象稱為極移。類似于協(xié)議天球坐標(biāo)系，國際大地測量協(xié)會和國際天文聯(lián)合會規(guī)定了一個所謂的協(xié)議地極（CTP)，以協(xié)議地極為極點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，就稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系。

2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系地面上的點(diǎn)被認(rèn)為是相對于地球固定不變的，瞬時地球坐標(biāo)系與平地球坐標(biāo)系CIO圖2-6瞬時極與平極關(guān)系xpypyxP瞬時地球坐標(biāo)系與平地球坐標(biāo)系CIO圖2-6瞬時極與平極關(guān)系2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系

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。協(xié)議地球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式：空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)注意，地極移動與歲差和章動是不同的2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系2.2協(xié)議地球坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)（X、Y、Z）和大地坐標(biāo)系（L、B、H），他們相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下（各參數(shù)意義見控制測量學(xué)）空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)（X、Y、Z）和大地坐標(biāo)系（L、B、H），他2.3協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換在GPS衛(wèi)星定位測量中，通常在協(xié)議天球坐標(biāo)系中研究衛(wèi)星運(yùn)動軌道，而在協(xié)議地球坐標(biāo)系中研究地面點(diǎn)坐標(biāo)，這樣就需要在兩個坐標(biāo)系中進(jìn)行變換。由于兩坐標(biāo)系原點(diǎn)相同，瞬時天球和瞬時地球坐標(biāo)系Z軸指向相同，所以轉(zhuǎn)換按下列步驟進(jìn)行：協(xié)議天球坐標(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。2.3協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換在GPS衛(wèi)星定位2.4國家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系一、地球參心坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)在參考橢球體中心而不在地球質(zhì)心，通常在大地水準(zhǔn)面差距平方和為最小的條件下，得到的坐標(biāo)系統(tǒng)都是參心坐標(biāo)系。參心坐標(biāo)系能使大地水準(zhǔn)面和參考橢球面有最好的符合，而地心坐標(biāo)系更適合空間大地測量的需求，兩者各有其適應(yīng)范圍。所以，我國同時建立了80參心坐標(biāo)系和80地心坐標(biāo)系。2.4國家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系一、地球參心坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)二、站心坐標(biāo)系（了解）以測站處為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，這是一種常用于公式推導(dǎo)的過渡性坐標(biāo)系統(tǒng)。二、站心坐標(biāo)系（了解）地心坐標(biāo)與站心坐標(biāo)

站心坐標(biāo)（topocentriccoordinateorlocal-levelsystemoreast-north-up)與地心坐標(biāo)(geocentercoordinate)的關(guān)系為：地心坐標(biāo)與站心坐標(biāo)站心坐標(biāo)（topocentriccoo空間直角坐標(biāo)到站心坐標(biāo)的變換

由地心坐標(biāo)求出球面坐標(biāo)后，可計算旋轉(zhuǎn)矩(rotationmatrix)如下：空間直角坐標(biāo)到站心坐標(biāo)的變換由地心坐標(biāo)求出球面坐標(biāo)后，可計站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系站心直角坐標(biāo)(topocentricrectangularcoordinate與站心極坐標(biāo)(topocentricpolarcoordinate)站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系站心直角坐標(biāo)(1954年北京坐標(biāo)系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系，采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球，遺憾的是，該橢球并未依據(jù)當(dāng)時我國的天文觀測資料進(jìn)行重新定位，而是由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)的一等鎖，經(jīng)我國的東北地區(qū)傳算過來的，該坐標(biāo)系的高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的結(jié)果為起算值，按我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的，而高程又是以1956年青島驗(yàn)潮站的黃海平均海水面為基準(zhǔn)。1、54北京坐標(biāo)系統(tǒng)1954年北京坐標(biāo)系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系，采克拉索夫斯基橢球參數(shù)同現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，并且不包含表示地球物理特性的參數(shù)，因而給理論和實(shí)際工作帶來了許多不便。橢球定向不十分明確，橢球的短半軸既不指向國際通用的CIO極，也不指向目前我國使用的JYD極。參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達(dá)60余米，最大達(dá)67米。54北京坐標(biāo)系統(tǒng)缺陷克拉索夫斯基橢球參數(shù)同現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)的差異較大，并且不包該坐標(biāo)系統(tǒng)的大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過局部分區(qū)平差得到的，因此，全國的天文大地控制點(diǎn)實(shí)際上不能形成一個整體，區(qū)與區(qū)之間有較大的隙距，如在有的接合部中，同一點(diǎn)在不同區(qū)的坐標(biāo)值相差1-2米，不同分區(qū)的尺度差異也很大，而且坐標(biāo)傳遞是從東北到西北和西南，后一區(qū)是以前一區(qū)的最弱部作為坐標(biāo)起算點(diǎn)，因而一等鎖具有明顯的坐標(biāo)積累誤差。54北京坐標(biāo)系統(tǒng)缺陷該坐標(biāo)系統(tǒng)的大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過局部分區(qū)平差得到的，因此，全國2、80西安坐標(biāo)系1978年，我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，整體平差在新大地坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行，這個坐標(biāo)系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)。1980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)。2、80西安坐標(biāo)系1978年，我國決定重新對全國天文大地網(wǎng)80西安坐標(biāo)系1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)所采用的地球橢球參數(shù)的四個幾何和物理參數(shù)采用了IAG1975年的推薦值，橢球的短軸平行于地球的自轉(zhuǎn)軸（由地球質(zhì)心指向1968.0JYD地極原點(diǎn)方向），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)面在我國境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)以1956年黃海平均海水面為高程起算基準(zhǔn)。80西安坐標(biāo)系1980年西安大地坐標(biāo)系統(tǒng)所采用的地球橢球參兩坐標(biāo)系應(yīng)用現(xiàn)狀兩坐標(biāo)系統(tǒng)不僅僅是橢球參數(shù)不同，原點(diǎn)位置與坐標(biāo)軸軸向均有所不同，國家并未公開轉(zhuǎn)換參數(shù)，因此轉(zhuǎn)換并不容易。鑒于現(xiàn)有的大部分測繪資料均是基于54北京坐標(biāo)系統(tǒng)的，所以目前各地測繪工作仍在廣泛使用54北京坐標(biāo)系統(tǒng)。第二章GPS坐標(biāo)系統(tǒng)ppt課件WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)是GPS定位系統(tǒng)采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系統(tǒng)，是目前精度最高的全球性大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)，G