第二章GPS定位的坐標系統(tǒng)及時間系統(tǒng)

1、第二章第二章坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)陽泉職業(yè)技術學院陽泉職業(yè)技術學院薛迎春薛迎春Slide 2OUTLINEOUTLINEu常規(guī)大地測量中的坐標系統(tǒng)常規(guī)大地測量中的坐標系統(tǒng)u衛(wèi)星大地測量中的坐標系統(tǒng)衛(wèi)星大地測量中的坐標系統(tǒng)uGPS常用的坐標系統(tǒng)常用的坐標系統(tǒng)u坐標系統(tǒng)之間的轉換坐標系統(tǒng)之間的轉換u時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)Your Location is:36.067901o N94.171071o WSlide 3第一節(jié)第一節(jié) 經典大地測量中的坐標系統(tǒng)經典大地測量中的坐標系統(tǒng)常見的坐標系統(tǒng)常見的坐標系統(tǒng)u空間直角坐標系空間直角坐標系u大地坐標系大地坐標系u平面直角坐標系平面直角坐標系Sli

2、de 41 1、復習、復習建立測量坐標系的基準面是什么？建立測量坐標系的基準面是什么？Slide 5參考橢球面和參心坐標系參考橢球面和參心坐標系大地水準面海洋陸地地球表面n參考橢球面參考橢球Slide 62、參心坐標系的特點參心坐標系的特點Slide 7我國的大地坐標系我國的大地坐標系u19541954年北京坐標系年北京坐標系類型類型：參心坐標系：參心坐標系建立：建立：與蘇聯(lián)與蘇聯(lián)19421942年普爾科沃坐標系聯(lián)測年普爾科沃坐標系聯(lián)測橢球橢球：克拉索夫斯基橢球：克拉索夫斯基橢球問題問題：參考橢球面與我國大地水準面符合不好：參考橢球面與我國大地水準面符合不好u19801980年國家大地坐標系年

3、國家大地坐標系類型類型：參心坐標系：參心坐標系建立建立：進行了我國的天文大地網整體平差，采用新的橢球元：進行了我國的天文大地網整體平差，采用新的橢球元素，進行了定位和定向素，進行了定位和定向大地原點大地原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)橢球橢球：19751975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第1616屆年會屆年會NO1GEOIDNO2P17Slide 83、平面直角坐標系的建立、平面直角坐標系的建立Slide 9高斯平面直角坐標定義高斯平面直角坐標定義高斯平面直角坐標系的定義高斯平面直角坐標系的定義X 軸：中央子午線的投影Y 軸：赤道的投影原點：兩軸的

4、交點假東、假北假東、假北為了避免坐標系中出現(xiàn)負值，統(tǒng)一規(guī)定將每一帶的坐標軸西移或南移一定距離。我國的假北為0，假東為500km高斯分帶投影高斯分帶投影6度帶度帶3度帶度帶Slide 10經典大地測量中的坐標系統(tǒng)經典大地測量中的坐標系統(tǒng)v定義一個坐標系統(tǒng)，包含哪兩個基本要素？定義一個坐標系統(tǒng)，包含哪兩個基本要素？v建立參心坐標系的出發(fā)點是什么？建立參心坐標系的出發(fā)點是什么？v建立一個參心大地坐標系，必須解決那些問題？建立一個參心大地坐標系，必須解決那些問題？Slide 11第二節(jié)第二節(jié) 衛(wèi)星定位中的坐標系衛(wèi)星定位中的坐標系u描述衛(wèi)星的位置描述衛(wèi)星的位置天球坐標系天球坐標系u描述地球上的點的位置描

5、述地球上的點的位置地球坐標系地球坐標系Slide 12一、天球和天球坐標系一、天球和天球坐標系天球以地球質心為中心，半徑為任意長度的一個假想球體。Slide 131 1、天球、天球天軸天軸: :地球自地球自轉軸的延伸轉軸的延伸線線u天極天極: :天軸天軸與天球的交與天球的交點點u天球赤道天球赤道面面：通過地：通過地球質心，與球質心，與天軸垂直的天軸垂直的平面平面u天球子天球子午面午面：包：包含天軸含天軸, ,并通過天并通過天球上任何球上任何一點的平一點的平面面Slide 14黃道和春分點黃道和春分點u黃道黃道：地球公轉的軌道面：地球公轉的軌道面與天球相交的大圓，即地球與天球相交的大圓，即地球公

6、轉時，地球上的觀測者所公轉時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的軌道見到的太陽在天球上的軌道u春分點春分點：當太陽在黃道上：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行從天球南半球向北半球運行時黃道與天球赤道的交點時黃道與天球赤道的交點Slide 152 2、天球坐標系的兩種表示方法、天球坐標系的兩種表示方法u天球球面坐標系天球球面坐標系 ( (赤經，赤緯，向徑赤經，赤緯，向徑) )u天球空間直角坐標系天球空間直角坐標系 ( (X,Y,Z)X,Y,Z)p11Slide 163 3、建立天球坐標系的兩個問題、建立天球坐標系的兩個問題u實際地球的形狀近似一個赤道隆起的橢球體，因此實際地球的形狀近似一個

7、赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉軸的方向不再保持不變而使在繞太陽運行時，自轉軸的方向不再保持不變而使春分點在黃道上產生緩慢的西移春分點在黃道上產生緩慢的西移歲差、章動歲差、章動P14、15Slide 174 4、三種天球坐標系、三種天球坐標系瞬時真天極瞬時真天極瞬時平天極瞬時平天極一個特定時刻，即一個特定時刻，即標準歷元：標準歷元：2000.1.152000.1.15：的：的瞬時瞬時平天極平天極P15Slide 18三種天球坐標系三種天球坐標系u瞬時真天球坐標系瞬時真天球坐標系瞬時真天極、瞬時真赤

8、道面、瞬時真春分點瞬時真天極、瞬時真赤道面、瞬時真春分點坐標軸指向隨時間變化坐標軸指向隨時間變化u瞬時平天球坐標系瞬時平天球坐標系瞬時平天極、瞬時平赤道面、瞬時平春分點瞬時平天極、瞬時平赤道面、瞬時平春分點經過了章動改正經過了章動改正u標準歷元的平天球坐標系標準歷元的平天球坐標系相應標準歷元（相應標準歷元（2000.1.152000.1.15）的一個特定時刻的平天球）的一個特定時刻的平天球坐標系坐標系經過了標準歷元到觀測歷元的歲差改正經過了標準歷元到觀測歷元的歲差改正Slide 19二、地球坐標系二、地球坐標系空間技術和遠程武器的發(fā)展，要求提供高精度的地心坐標空間技術和遠程武器的發(fā)展，要求提供

9、高精度的地心坐標Slide 201 1、地心坐標系的定義、地心坐標系的定義u地心空間直地心空間直角坐標系角坐標系u地心大地坐地心大地坐標系標系P12圖圖2-2思考：和參心坐標系統(tǒng)的定義有何區(qū)別？思考：和參心坐標系統(tǒng)的定義有何區(qū)別？Slide 212 2、建立地球坐標系的問題：極移、建立地球坐標系的問題：極移u極移極移地球自地球自轉軸相對于地球轉軸相對于地球體的位置不是固體的位置不是固定的，因而地極定的，因而地極點在地球表面的點在地球表面的位置是隨時間而位置是隨時間而變化的，這種現(xiàn)變化的，這種現(xiàn)象稱為極移。象稱為極移。-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0Po

10、le PositionX Pole (m)Y Pole (m)19932001P15瞬時北地極瞬時北地極1900.001905.00年地球自轉軸的瞬時平均位置Slide 223 3、兩種地球坐標系、兩種地球坐標系地球坐標系地球坐標系原點原點Z Z軸軸X X軸軸瞬時地球坐標系瞬時地球坐標系地心地心瞬時北地極瞬時北地極平地球坐標系平地球坐標系地心地心協(xié)議地極原點協(xié)議地極原點（如1900.001905.00年地球自轉軸的瞬時平均位置)與地心和與地心和CIOCIO連線正交之平面和連線正交之平面和格林尼治平子午面的交線格林尼治平子午面的交線瞬時真赤道面和包含瞬時自轉瞬時真赤道面和包含瞬時自轉軸的格林尼治

11、平子午面的交線軸的格林尼治平子午面的交線協(xié)議地球坐協(xié)議地球坐標系？標系？P16Slide 23WGS-84WGS-84坐標系坐標系u類型類型：協(xié)議地球坐標系，地心地固坐標系（：協(xié)議地球坐標系，地心地固坐標系（ECEFECEF）u定義定義: :原點：地球的質心原點：地球的質心 Z Z軸：指向軸：指向BIH1984.0BIH1984.0定義的定義的CTPCTP（協(xié)議地球極）方向協(xié)議地球極）方向 X X軸：指向軸：指向BIH1984.0BIH1984.0的零子午面和的零子午面和CTPCTP赤道的交點赤道的交點 Y Y軸：和軸：和Z,XZ,X構成右手系構成右手系u橢球橢球（國際大地測量與地球物理聯(lián)合會

12、第（國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第1717屆年會）屆年會）235631/298.2572: 2m 6378137 :長半徑f扁率P16Slide 24小結：小結：GPSGPS中的坐標系統(tǒng)中的坐標系統(tǒng)uWGS-84WGS-84坐標系坐標系u我國的國家大地坐標系我國的國家大地坐標系u 地方獨立坐標系地方獨立坐標系uITRFITRF坐標框架坐標框架u站心坐標系站心坐標系p16Slide 251、地方獨立坐標系、地方獨立坐標系u產生：高斯投影產生：高斯投影3 3度帶、六度帶度帶、六度帶有利于統(tǒng)一互算有利于統(tǒng)一互算投影變形投影變形u地方獨立坐標系地方獨立坐標系以當?shù)刈游缇€為中央子午線以當?shù)刈游缇€為中央子

13、午線以當?shù)仄骄０胃叱堂鏋閰⒖紮E球面以當?shù)仄骄０胃叱堂鏋閰⒖紮E球面SRySRHSRySHRHSSSmAmmmAm220222122地方參考橢地方參考橢球？球？Slide 26為什么討論地方參考橢球？為什么討論地方參考橢球？1 1、為什么、為什么GPSGPS控制網控制網要選擇地方參考橢球要選擇地方參考橢球參數(shù)？而常規(guī)控制網計算時只強調投影面？參數(shù)？而常規(guī)控制網計算時只強調投影面？Slide 27如何確定地方參考橢球的參數(shù)？如何確定地方參考橢球的參數(shù)？1 1、僅改變已知橢球的長半徑、僅改變已知橢球的長半徑1 1）直接以投影面到橢球面距離）直接以投影面到橢球面距離 H H為為 長半長半徑變化量徑變

14、化量2 2）由測區(qū)平均曲率半徑的變動量求長半徑）由測區(qū)平均曲率半徑的變動量求長半徑3 3）以）以測區(qū)卯酉圈曲率半徑的變化測區(qū)卯酉圈曲率半徑的變化量求長半量求長半徑變化量徑變化量2 2、僅改變橢球中心位置，并不改、僅改變橢球中心位置，并不改變定向及元素變定向及元素3 3、改變長半徑及偏心率、改變長半徑及偏心率, ,不改變橢不改變橢球定位和定向球定位和定向aaaa1XYZLBOPQhHBehBeahaNdNadaadaNdNhdN2222sin1)(sin1)(p18Slide 282 2、ITRFITRF參考框架參考框架uInternational Terrestrial Reference F

15、rameu產生產生: :綜合了綜合了SLRSLR、VLBIVLBI、LLRLLR觀測數(shù)據，得到觀測觀測數(shù)據，得到觀測站的數(shù)據集，通過聯(lián)合解算得到統(tǒng)一的數(shù)據集，定站的數(shù)據集，通過聯(lián)合解算得到統(tǒng)一的數(shù)據集，定義出的一個地心參考框架義出的一個地心參考框架u實質實質: :地心地固系的具體體現(xiàn)地心地固系的具體體現(xiàn)p19Slide 293 3、站心坐標系、站心坐標系站心赤道直角坐標系站心赤道直角坐標系站心地平直角坐標系站心地平直角坐標系p12Slide 30第三節(jié)第三節(jié) 坐標系統(tǒng)之間的轉換坐標系統(tǒng)之間的轉換區(qū)分區(qū)分u坐標變換坐標變換在不同坐標系表示形在不同坐標系表示形式之間進行變換式之間進行變換u坐標轉換

16、坐標轉換在不同的參考基準間在不同的參考基準間進行變換（基準的轉換）進行變換（基準的轉換）p19Slide 31一、坐標系的變換一、坐標系的變換u空間大地坐標系空間大地坐標系空間直角坐標系空間直角坐標系u空間直角坐標系空間直角坐標系空間大地坐標系空間大地坐標系u空間大地坐標系空間大地坐標系高斯平面直角坐標系高斯平面直角坐標系 Slide 321 1、( (B L H)B L H)(X Y Z)(X Y Z)該點卯酉圈曲率半徑（其中：),sine-1/coscos)1 (sincos)(coscos)(22BaNLBHeNZLBHNYLBHNX需要哪些參數(shù)？需要哪些參數(shù)？Slide 332 2、(

17、 (X Y Z)X Y Z)(B L H)(B L H)1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tanBeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH其中：需要哪些參數(shù)？需要哪些參數(shù)？Slide 343 3、(B L)(B L)(x y)(x y) 2cos)tantan185(cos120)tan1 (cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBNBBNSx弧長該點到赤道的子午線線的經差該點經度到中央子午其中：高斯投影的計算公式：高斯投影的計算公式：需要哪些參數(shù)？需要哪些參數(shù)？Slide 35

18、二、坐標轉換的基本方法二、坐標轉換的基本方法XYZXYZ BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2Slide 36空間直角坐標系的轉換空間直角坐標系的轉換Slide 37布爾沙模型布爾沙模型IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1 (000BBBZBYBXBBBuZYXOZYXOuZYXOOZYX11,2222111122221000的尺度為，的尺度為尺度參數(shù)，設歐拉角三個旋轉參數(shù)，三個在三個平移參數(shù)，1000cossin0sincos)(,cos0sin010sin0c

19、os)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYYYYYYXXXXXXRRRP20，公式公式 2-20Slide 38布爾沙模型布爾沙模型000100010001)(111)()()()(, 1cos,sin,BXBYBXBZBYBZBXBYBXBZBYBZBZZBYYBXXBZBYBXQIRRRR忽略互乘項則：通常為三個微小量，在大地測量中，IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1 (000P20，公式公式 2-21Slide 392 2、轉換參數(shù)的計算、轉換參數(shù)的計算u如果不知道兩坐標系的轉換參數(shù)，而是知道

20、部分點如果不知道兩坐標系的轉換參數(shù)，而是知道部分點在兩個坐標系的坐標，稱公共點，須通過公共點的兩在兩個坐標系的坐標，稱公共點，須通過公共點的兩組坐標求得轉換參數(shù)組坐標求得轉換參數(shù)Slide 40求轉換參數(shù)的模型求轉換參數(shù)的模型IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1 (000ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001P20，公式公式 2-22Slide 41轉換參數(shù)的求解方法轉換參數(shù)的求解方法三點法三點法：對轉換參數(shù)的要

21、求精度不高，或只有：對轉換參數(shù)的要求精度不高，或只有三個公共點時，可用三個點的三個公共點時，可用三個點的9 9個坐標，列出個坐標，列出9 9個方程，取其中的個方程，取其中的7 7個方程求解個方程求解多點法多點法：由公共點在兩個坐標系中的坐標，按：由公共點在兩個坐標系中的坐標，按照轉換模型，以轉換參數(shù)為未知數(shù)寫出誤差方照轉換模型，以轉換參數(shù)為未知數(shù)寫出誤差方程程ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001Slide 42三、三、WGS-84WGS-84坐標系坐標系我國國家坐標系我國國家坐標系

22、BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2Slide 43轉換中的參數(shù)設置轉換中的參數(shù)設置（B L H）WGS-84（X Y Z）WGS-84（X Y Z）BJ54/STATE80（B L H）BJ54/STATE80（x y）高斯平面高斯平面提供轉換參數(shù)提供轉換參數(shù)七參數(shù)七參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)投影參數(shù)投影參數(shù)三個平移三個平移橢球參數(shù)差橢球參數(shù)差（化簡）（化簡）長半軸之差：長半軸之差： -108扁率之差：扁率之差： +0.00480795原點平移參數(shù)：原點平移參數(shù)： +15 -150 -90Slide 44第四節(jié)第

23、四節(jié) 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)u時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)u常用的時間系統(tǒng)常用的時間系統(tǒng)uGPS時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)u時間系統(tǒng)間的轉換時間系統(tǒng)間的轉換Slide 45意義：意義：u衛(wèi)星的位置誤差衛(wèi)星的位置誤差1cm，要求相應的時要求相應的時刻誤差應小于刻誤差應小于2.6x10-6秒；秒；u測距誤差測距誤差1cm，要求信號傳播時間的要求信號傳播時間的測量誤差，應不超過測量誤差，應不超過3x10-11秒；秒；Slide 46一、時間系統(tǒng)一、時間系統(tǒng)u時間：包含時刻和時間間隔兩種意義時間：包含時刻和時間間隔兩種意義u時間系統(tǒng)：作為測時的基準，包含時間尺度時間系統(tǒng)：作為測時的基準，包含時間尺度（單位）和原點（起始歷元），一

24、般來說任（單位）和原點（起始歷元），一般來說任何一個可觀測的周期運動現(xiàn)象，只要滿足：何一個可觀測的周期運動現(xiàn)象，只要滿足：連續(xù)性，穩(wěn)定性，復現(xiàn)性均可作為時間基準連續(xù)性，穩(wěn)定性，復現(xiàn)性均可作為時間基準Slide 47二、常用的時間系統(tǒng)二、常用的時間系統(tǒng)u世界上現(xiàn)在通用的世界上現(xiàn)在通用的時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)時什么？時什么？時間的單位尺度時間的單位尺度不同；不同；度量時間的時鐘度量時間的時鐘不同不同Slide 48常用的幾類時間系統(tǒng)常用的幾類時間系統(tǒng)u恒星時和太陽時恒星時和太陽時u歷書時歷書時u原子時原子時地球的周地球的周期性自轉期性自轉地球的周地球的周期性公轉期性公轉原子核外電子能原子核外電子能級躍遷

25、時輻射的級躍遷時輻射的電磁波的頻率電磁波的頻率Slide 491 1、世界時系統(tǒng)、世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)恒星時恒星時春分點春分點太陽時太陽時太陽太陽根據天體的周日視運根據天體的周日視運動反映地球的自轉；動反映地球的自轉；810穩(wěn)定性：平太陽時平太陽時平太陽平太陽Slide 50恒星時恒星時v恒星時選取春分點作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。參照于遙遠星體的地球自轉周期參考點：一個天體或天球上某個特殊點測站點子午圈參考點連續(xù)兩次經過測站點子午圈的時間段Slide 51太陽時太陽時參照于太陽的地球自轉周期v太陽時選取太陽作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時

26、間計量系統(tǒng)。Slide 52平太陽時平太陽時v太陽時的問題太陽時的問題真太陽的周日視運動不均勻，并真太陽的周日視運動不均勻，并不嚴格等于地球自轉周期。冬長夏短，最長和最短不嚴格等于地球自轉周期。冬長夏短，最長和最短可相差可相差51秒；秒；v平太陽平太陽假設一個參考點的運動速度等于真太陽假設一個參考點的運動速度等于真太陽周年視運動平均速度，且該點在赤道上作周年運動。周年視運動平均速度，且該點在赤道上作周年運動。v平太陽時平太陽時以平太陽的周日視運動為基礎建立的以平太陽的周日視運動為基礎建立的時間系統(tǒng)。時間系統(tǒng)。Slide 53世界時世界時UTUT世界時世界時以平子夜為零時的格林尼治平太陽時以平子

27、夜為零時的格林尼治平太陽時UTUT極移改正極移改正UT1UT1地球自轉地球自轉速度改正速度改正UT2UT2v長期變化：潮汐影響使地球自轉速度變慢；v季節(jié)性變化：大氣層中的氣團歲季節(jié)變化；v不規(guī)則變化：地球內部的物質運動；Slide 542 2、原子時、原子時ATIATIv原子時秒長原子時秒長位于海平面的銫位于海平面的銫133133原子基態(tài)兩原子基態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩91926317709192631770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。v國際原子時國際原子時國際上約國際上約100100座原子鐘，通過相座原子鐘，

28、通過相互比對，經數(shù)據處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)。互比對，經數(shù)據處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)。1310穩(wěn)定性：Slide 55原子時原子時v原子時原點原子時原點UT2UT2(1958.1.1.0)(1958.1.1.0)-0.0039s-0.0039sUT2IAT1958.0t(地球自轉速度長期性變慢，世界時每年比原子時慢約一秒)Slide 563 3、協(xié)調世界時、協(xié)調世界時UTCUTCv協(xié)調世界時協(xié)調世界時從從19721972年開始，國際上開始使用一年開始，國際上開始使用一種以種以原子時原子時秒長為基準，時刻上接近秒長為基準，時刻上接近世界時世界時的折衷的的折衷的時間系統(tǒng)。時間系統(tǒng)。秒長穩(wěn)定廣泛應用于天體測量，大地測量，研究地球自轉速度Slide 57協(xié)調世界時協(xié)調世界時tUT11972.0UTC1958.0IATv閏秒當協(xié)調時和世界時相差超過正負0.9秒時，便在協(xié)調時上加入一個閏秒（跳