GPS定位時(shí)間系統(tǒng)

1GPS原理及應(yīng)用蘭州交通大學(xué)土木學(xué)院測(cè)繪工程系李建章2第三講坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系和協(xié)議地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換國(guó)家坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系WGS坐標(biāo)系時(shí)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)面橢球面橢球高h(yuǎn)正高Hh=N+H地表面NN=大地水準(zhǔn)面差距大地水準(zhǔn)面橢球面H1地表面N1h1h2H2N2h1=H1+N1

h2=H2+N2(h1-

h2)=(H1-H2)+(N1-

N2)垂線偏差大地水準(zhǔn)面橢球面地表面

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7第四節(jié)、國(guó)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(cè)量中，利用局部測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的橢球來(lái)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(gè)參心坐標(biāo)系，必須解決如下問(wèn)題：橢球的大小和形狀。橢球中心的位置。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(jiǎn)稱定向。確定大地原點(diǎn)。10國(guó)家大地原點(diǎn)1112二、國(guó)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(guó)天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素（ａ=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(cè)，通過(guò)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。13

1954年北京坐標(biāo)系和前蘇聯(lián)1942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)1942年普爾科沃坐標(biāo)系。如大地點(diǎn)高程是以1956年青島驗(yàn)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)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算值，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算出來(lái)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(guó)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(guó)家大地坐標(biāo)系。151980年國(guó)家大地坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)設(shè)在我國(guó)中部—陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)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(tái)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(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第16屆大會(huì)的推薦值，四個(gè)基本常數(shù)為：a=6378140=1/298.25717橢球定位時(shí)按我國(guó)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(yàn)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(guó)家大地坐標(biāo)系建立后，實(shí)施了全國(guó)天文大地網(wǎng)整體平差。提供了屬于1980年國(guó)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(gè)不同的參心坐標(biāo)系。這給實(shí)際的使用帶來(lái)一定的問(wèn)題。實(shí)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(guó)家大地坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)經(jīng)三個(gè)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(guó)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(shí)，中央子午線長(zhǎng)度不變，離中央子午線愈遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形愈大，對(duì)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(zhǎng)度縮短為原長(zhǎng)度的0.9996倍（通用橫軸墨卡托），以減小長(zhǎng)度變形的絕對(duì)值。通用橫軸墨卡托投影，對(duì)于6°帶，在y為±180km范圍內(nèi)長(zhǎng)度縮短，以外長(zhǎng)度伸長(zhǎng)。21四、站心坐標(biāo)系以測(cè)站為原點(diǎn)構(gòu)成的坐標(biāo)系叫做測(cè)站中心坐標(biāo)系，簡(jiǎn)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(cè)站所在橢球法線方向?yàn)閆軸，以測(cè)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(cè)站所在的鉛垂線為準(zhǔn)，以測(cè)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(lái)表示該目標(biāo)的位置。2223五、獨(dú)立坐標(biāo)系在工程測(cè)量中，當(dāng)測(cè)區(qū)高程大于160m時(shí)，地面長(zhǎng)度與參考橢球面長(zhǎng)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(shí)，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(duì)值增大D（H/R）倍。方法有彭脹法與平移法兩種，彭脹法是對(duì)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(jì)算結(jié)果相差很小。此外，當(dāng)y坐標(biāo)大于45km時(shí)。還需以高斯投影正反算或換帶計(jì)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(guó)84年在衛(wèi)星大地測(cè)量的基礎(chǔ)上建立的以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地測(cè)量基準(zhǔn)。大小形狀參數(shù)見(jiàn)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(cè)量時(shí)，先求得測(cè)站點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，再換算為當(dāng)?shù)厥褂玫淖鴺?biāo)。252）ITRF參考框架ITRF是國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局根據(jù)分布全球的地面觀測(cè)站，以最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)確定的大地測(cè)量基準(zhǔn)。是世界公認(rèn)的精度最高的大地測(cè)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(gè)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）J2:1.08263×10-3（1：298.257）C20：-484.16685×10-6（1：298.257223563）GM－3.986005×10143.986005×1014（rad/s）－7.292115×10-57.292115×10-527第六節(jié)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間概念世界時(shí)系統(tǒng)力學(xué)時(shí)原子時(shí)28時(shí)間系統(tǒng)在ＧＰＳ定位中的意義確定GPS衛(wèi)星的在軌位置。確定測(cè)站位置。確定地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系。29一、時(shí)間的概念：時(shí)間包括時(shí)刻（絕對(duì)時(shí)間）與時(shí)間間隔（相對(duì)時(shí)間）兩個(gè)概念。如：“上一堂課需要多長(zhǎng)時(shí)間？”，這是說(shuō)時(shí)間間隔；而“幾點(diǎn)鐘上課？”，這是說(shuō)時(shí)刻，是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。時(shí)刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。時(shí)間間隔：指發(fā)生某一現(xiàn)象經(jīng)歷過(guò)程的始末時(shí)刻差。測(cè)量時(shí)間同樣需要建立測(cè)量基準(zhǔn)，包括尺度與原點(diǎn)?？勺鳛闀r(shí)間基準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)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(shí)間系統(tǒng)有三種，即：恒星時(shí)、力學(xué)時(shí)、原子時(shí)。30二、世界時(shí)系統(tǒng)以地球自轉(zhuǎn)作為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)叫做世界時(shí)系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所選的參考點(diǎn)不同，可分為恒星時(shí)、平太陽(yáng)時(shí)、世界時(shí)。311）恒星時(shí)以春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午線的時(shí)間間隔為一恒星日，含24恒星小時(shí)。分真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。322）平太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)某地的上子午圈的時(shí)間間隔叫做一個(gè)真太陽(yáng)日。由于地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓，其運(yùn)動(dòng)角速度不相同，再加上地球公轉(zhuǎn)軌道在黃道面上，而時(shí)角是在赤道平面上度量，因此真太陽(yáng)日的長(zhǎng)度是不相同的，也就是說(shuō)真太陽(yáng)時(shí)不具備作為一個(gè)時(shí)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(yáng)來(lái)確定時(shí)間，安排工作和休息。為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)時(shí)的缺陷，人們?cè)O(shè)想一個(gè)假太陽(yáng)來(lái)代替真太陽(yáng)，這個(gè)假太陽(yáng)和真太陽(yáng)一樣也在做周年運(yùn)動(dòng)，但有兩點(diǎn)不同：第一，其周年運(yùn)動(dòng)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(dòng)角速度是恒定的，等于真太陽(yáng)的平均角速度。我們把這個(gè)太陽(yáng)叫平太陽(yáng)。

以平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午線的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，含24平太陽(yáng)小時(shí)。343）世界時(shí)因?yàn)槠教?yáng)時(shí)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(gè)平太陽(yáng)時(shí)為民用時(shí)。以子夜為零時(shí)起算的格林威治平太陽(yáng)時(shí)，用UT0表示。與平太陽(yáng)時(shí)相差12小時(shí)，即UT0=GAMT+12h35平太陽(yáng)時(shí)和世界時(shí)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+Δλ，UT2=UT1+ΔTS，加逐年變慢改正。世界時(shí)系統(tǒng)在天文學(xué)、大地測(cè)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(shí)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(dòng)方程編算的，在這些天體運(yùn)動(dòng)方程中，時(shí)間T是一個(gè)獨(dú)立的變量。37四、原子時(shí)以銫原子基態(tài)兩超精細(xì)能級(jí)的輻射躍遷定義時(shí)間尺度，以1958年1月1日零時(shí)的世界時(shí)減去0.0039秒為原點(diǎn)。原子鐘精度極高，目前使用的氫鐘精度可達(dá)10-16。國(guó)際原子時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)GPS時(shí)間系統(tǒng)尺度是原子時(shí)秒長(zhǎng)，原點(diǎn)取1980年1月6日零時(shí)的協(xié)調(diào)世界時(shí)。不潤(rùn)秒。故與協(xié)調(diào)世界時(shí)時(shí)間差逐年增大。38問(wèn)題：1、為什么說(shuō)在空間定位技術(shù)中，時(shí)間是一個(gè)很重要的物理量？2、參心坐標(biāo)系中的參心是什么意思？3、大地原點(diǎn)的作用是什么？4、為什么當(dāng)前仍然在使用參心坐標(biāo)系？5、站心坐標(biāo)系有什么作用？9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽(yáng)光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。2月-252月-25Tuesday,February11,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。12:45:2312:45:2312:452/11/202512:45:23PM11、夫?qū)W須志也，才須學(xué)也，非學(xué)無(wú)以廣才，非志無(wú)以成學(xué)。2月-2512:45:2312:45Feb-2511-Feb-2512、越是無(wú)能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。12:45:2312:45:2312:45Tuesday,February11,202513、志不立，天下無(wú)可成之事。2月-252月-2512:45:2312:45:23February11,202514、ThankyouverymuchfortakingmewithyouonthatsplendidoutingtoLondon.ItwasthefirsttimethatIhadseentheToweroranyoftheotherfamoussights.IfI'dgonealone,Icouldn'thaveseennearlyasmuch,becauseIwouldn'thaveknownmywayabo