大地坐標系建立及坐標換算基礎

1、第四章第四章 大地坐標系建立及坐標換算基礎大地坐標系建立及坐標換算基礎 18 橢球定位和定向概念橢球定位和定向概念 橢球定位是指確定橢球中心的位置，可分橢球定位是指確定橢球中心的位置，可分為兩類：為兩類：局部定位和地心定位。局部定位和地心定位。局部定位局部定位要求在一定范圍內橢球面與大地要求在一定范圍內橢球面與大地水準面有最佳的符合，而對橢球的中心位水準面有最佳的符合，而對橢球的中心位置無特殊要求；置無特殊要求；地心定位地心定位要求在全球范圍內橢球面與大地要求在全球范圍內橢球面與大地水準面有最佳的符合，同時要求橢球中心水準面有最佳的符合，同時要求橢球中心與地球質心一致或最為接近。與地球質心一致

2、或最為接近。 19 坐標系統的類型 以參考橢球為基準的坐標系，叫做參心坐標系； 以總地球橢球為基準的坐標系，叫做地心坐標系。 與地球體固連在一起且與地球同步運動，以地心為原點的坐標系則稱為地心地固坐標系 另一類是空間固定的坐標系，與地球自轉無關，稱為慣性坐標系或天球坐標系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運行位置和狀態(tài)。20 地球參心坐標系20.2 大地原點和大地起算數據大地原點和大地起算數據大地原點也叫大地基準點或大地起算點，參考橢球參數和大地原點上的起算數據的確立作為一個參心大地坐標系建成的標志 20.3 1954年北京坐標系 1954年北京坐標系可以認為是前蘇聯1942年坐標系的延伸。它的原點不

3、在北京，而在前蘇聯的普爾科沃。相應的橢球為克拉索夫斯基橢球。 橢球參數有較大誤差。 參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統性的傾斜，在東部地區(qū)大地水準面差距最大達+68m。 54年北京坐標系的大地水準面 20.4 1980年國家大地坐標系 1980年國家大地坐標系的特點是： 采用1975年國際大地測量與地球物理聯合會 (IUGG) 第16屆大會上推薦的4個橢球基本參數.地球橢球長半徑 a=6 378 140 m ，地心引力常數 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力場二階帶球諧系數J2 =1.082 6310-8,地球自轉角速度 =7.292 11510-5 rad/

4、s 。八年坐標系的大地水準面 該坐標系建立后，實施了全國天文大地網平差。平差后提供的大地點成果屬于1980年西安坐標系，它和原1954年北京坐標系的成果是不同的。這個差異除了由于它們各屬不同橢球與不同的橢球定位、定向外，還因為前者是經過整體平差，而后者只是作了局部平差。 不同坐標系統的控制點坐標可以通過一定的數學模型，在一定的精度范圍內進行互相轉換，使用時必須注意所用成果相應的坐標系統。 20.5 新1954年北京坐標系(BJ54新) 新1954年北京坐標系，是在GDZ80基礎上，改變GDZ80相對應的IUGG1975橢球幾何參數為克拉索夫斯基橢球參數，并將坐標原點(橢球中心)平移，使坐標軸保

5、持平行而建立起來的。080540805408054ZZZYYYXXXGDZBJGDZBJGDZBJ新新新HHHBBBLLLGDZBJGDZBJGDZBJ805480548054新新新aBBeMBeaNBBHMBeMBBeaHMNZYXBLBLBHMBHMLBHMLBBHNLBHNLHBLGDZGDZ802222222200080sin)sin1 (1)sin1 (cossin)1)()sin2(cossin)(00sinsincoscoscoscossinsincossin0cos)(coscos)(sin 地心地固大地坐標系的定義是：地球橢球的中心與地球質心重合，橢球面與大地水準面在全球范圍

6、內最佳符合，橢球的短軸與地球自轉軸重合(過地球質心并指向北極) 地球自轉軸相對地球體的位置并不是固定地球自轉軸相對地球體的位置并不是固定的，地極點在地球表面上的位置是隨時間的，地極點在地球表面上的位置是隨時間而變化的，這種現象稱為而變化的，這種現象稱為地極移動地極移動，簡稱，簡稱極移。某一觀測瞬間地球北極所在的位置極移。某一觀測瞬間地球北極所在的位置稱為稱為瞬時極瞬時極，某段時間內地極的平均位置，某段時間內地極的平均位置稱為稱為平極平極。 21.1 極移與國際協議原點極移與國際協議原點 國際天文聯合會(IAU)和國際大地測量與地球物理聯合會(IUGG)在1967年于意大利共同召開的第32次討論

7、會上，建議采用國際上5個緯度服務(ILS)站以19001905年的平均緯度所確定的平極作為基準點，通常稱為國際協議原點CIO，它相對于19001905年平均歷元1903.0。另外國際極移服務(IPMS)和國際時間局(BIH)等機構分別用不同的方法得到地極原點，與CIO相應的地球赤道面稱為平赤道面或協議赤道面。 極移 由于地球內部物質運動以及地球與其它天體的相互作用都真實存在，地球自轉軸在地球內部也在不斷運動，所以地球極點在地表的位置隨時間而改變，這種現象稱為極移（Polar Displacement）。 19001998年極移年極移 以協議地極CIP(Conventional Terrestr

8、ial Pole)為指向點的地球坐標系稱為協議地球坐標系CTS(Conventional Terrestrial System)，而以瞬時極為指向點的地球坐標系稱為瞬時地球坐標系。在大地測量中采用的地心地固坐標系大多采用協議地極原點CIO為指向點，因而也是協議地球坐標系，一般情況下協議地球坐標系和地心地固坐標系代表相同的含義。 21.2 協議地球坐標系協議地球坐標系建立地心坐標系的方法可分為直接法和間接法兩建立地心坐標系的方法可分為直接法和間接法兩類。類。所謂直接法所謂直接法，就是通過一定的觀測資料，就是通過一定的觀測資料( (如天文、如天文、重力資料、衛(wèi)星觀測資料等重力資料、衛(wèi)星觀測資料等)

9、 )，直接求得點的地，直接求得點的地心坐標的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動心坐標的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動力法等。力法等。所謂間接法所謂間接法，就是通過一定的資料，就是通過一定的資料( (其中包括地其中包括地心系統和參心系統的資料心系統和參心系統的資料) )，求得地心坐標系和，求得地心坐標系和參心坐標系之間的轉換參數，而后按其轉換參數參心坐標系之間的轉換參數，而后按其轉換參數和參心坐標，間接求得點的地心坐標的方法和參心坐標，間接求得點的地心坐標的方法 21.3 地心地固坐標系的建立方法地心地固坐標系的建立方法 20世紀60年代以來，美國和原蘇聯等國家利用衛(wèi)星觀測等資料，開展了建立

10、地心坐標系的工作。美國國防部曾先后建立過世界大地坐標系(World Geodetic System，簡稱為WGS)WGS-60，WGS-66和WGS-72，并于1984年開始，經過多年修正和完善，建立起更為精確的地心坐標系統，稱為WGS-84。 21.4 WGS-84世界大地坐標系世界大地坐標系WGS-84是一個協議地球參考系CTS。該坐標系的原點是地球的質心， Z 軸指向BIH1984.0定義的協議地球極CTP方向，X軸指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交點， Y軸和Z、X 軸構成右手坐標系 21.5 國際地球參考系統國際地球參考系統(ITRS) 與國際地球參考框架與國際地球參考

11、框架(ITRF) 21.5.2 國際地球參考系統(ITRS)ITRS是一種協議地球參考系統，它的定義為： 原點為地心，并且是指包括海洋和大氣在內的整個地球的質心； 長度單位為米(m)，并且是在廣義相對論框架下的定義； Z 軸從地心指向BIH1984.0定義的協議地球極(CTP)； X 軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點； Y軸與XOZ 平面垂直而構成右手坐標系； 時間演變基準是使用滿足無整體旋轉NNR條件的板塊運動模型，來描述地球各塊體隨時間的變化。ITRS的建立和維持是由IERS全球觀測網，以及觀測數據經綜合分析后得到的站坐標和速度場來具體實現的，即國際地球參考框架ITRF。2

12、1.5.3 國際地球參考框架(ITRF) ITRF是ITRS的具體實現，是通過IERS分布于全球的跟蹤站的坐標和速度場來維持并提供用戶使用的。IERS每年將全球站的觀測數據進行綜合處理和分析，得到一個ITRF框架，并以IERS年報和IERS技術備忘錄的形式發(fā)布。 ITRF2000 STATION POSITIONS（m) AT EPOCH 1997.0 AND VELOCITIES(m/y) BJFS -2148743.784 4426641.236 4044655.935 -.0444 .0141 -.0013WUHN -2267749.162 5009154.325 3221290.762

13、 -.0325 -.0077 -.0119TRANSFORMATION PARAMETERS AND THEIR RATES FROM ITRF2000 TO PREVIOUS FRAMESSOLUTION T1 T2 T3 D R1 R2 R3 EPOCH Ref. UNITS- cm cm cm ppb .001 .001 .001 IERS Tech. . . . . . . . Note # RATES T1 T2 T3 D R1 R2 R3UNITS- cm/y cm/y cm/y ppb/y .001/y .001/y .001/y- ITRF97 0.67 0.61 -1.85

14、1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 27 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF96 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 24 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF94 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 20 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ZYXDRRRDRRRDTTTZYXZSYSXS121323321 I

15、TRF93 1.27 0.65 -2.09 1.95 -0.39 0.80 -1.14 1988.0 18 rates -0.29 -0.02 -0.06 0.01 -0.11 -0.19 0.07 ITRF92 1.47 1.35 -1.39 0.75 0.00 0.00 -0.18 1988.0 15 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF91 2.67 2.75 -1.99 2.15 0.00 0.00 -0.18 1988.0 12 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF90

16、 2.47 2.35 -3.59 2.45 0.00 0.00 -0.18 1988.0 9 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF89 2.97 4.75 -7.39 5.85 0.00 0.00 -0.18 1988.0 6 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF88 2.47 1.15 -9.79 8.95 0.10 0.00 -0.18 1988.0 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 Very Long Baseline I

17、nterferometry DORIS is a Doppler satellite tracking system developped for precise orbit determination and precise ground location。It is onboard the Jason-1 and ENVISAT altimetric satellites and the remote sensing satellites SPOT-2, SPOT-4 and SPOT-5. It also flew with SPOT-3 and TOPEX/POSEIDON 九峰22

18、站心坐標系 22.1 垂線站心直角坐標系垂線站心直角坐標系 22.2 法線站心直角坐標系 PQPPPQQQzyxBBLBLLBLBLLBZYXZYXsin0cossincoscossinsincoscossincossinPQPQPQPQZZYYXXBLBLBLLBLBLBzyxsinsincoscoscos0cossincossinsincossin23 坐標系換算坐標系換算 23.1 歐勒角與旋轉矩陣歐勒角與旋轉矩陣 兩個直角坐標系進行相互變換的旋轉角稱為歐勒角 對于二維直角坐標系 1122cossinsincosyxyx21OPOP23.2 不同空間直角坐標系轉換不同空間直角坐標系轉換布爾莎公式布爾莎公式 000111222111)1 (ZYXZYXmZYXXYXZYZ 由于公共點的坐標存在誤差，求得的轉換參數將受其影響，公共點坐標誤差對轉換參數的影響與點位的