第二講-GPS定位坐標(biāo)系統(tǒng)

1GPS原理及應(yīng)用

110400337

蘭州交通大學(xué)土木學(xué)院李建章2GPS的定義

全球定位系統(tǒng)

GPS

的英文全稱是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱GPS，有時(shí)也被稱作NAVSTARGPS。3GPS的系統(tǒng)功能定位測(cè)速授（守）時(shí)4GPS定位的基本原理后方交會(huì)原理：通過(guò)測(cè)定到若干已知點(diǎn)的距離，來(lái)進(jìn)行定位。要求普通情況：要測(cè)定到3個(gè)已知點(diǎn)的距離。GPS：要測(cè)定到4個(gè)已知點(diǎn)的距離。已知點(diǎn)GPS衛(wèi)星測(cè)距的基本方法電磁波測(cè)距：距離=波速×傳播時(shí)間56控制部分空間部分

用戶部分雙向信息

單向信息

系統(tǒng)7GPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間部分成員：衛(wèi)星星座。作用：發(fā)送信號(hào)，用于測(cè)距和告知自身位置。控制部分成員：主控站、監(jiān)測(cè)站、注入站。作用：監(jiān)控、操縱系統(tǒng)，預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道和鐘差。用戶部分成員：接收機(jī)及輔助設(shè)備。作用：接收信號(hào)，用于定位、測(cè)速和授（守）時(shí)。8測(cè)量型GPS接收機(jī)9第二章GPS定位的坐標(biāo)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10第一節(jié)協(xié)議天球坐標(biāo)系11天球的概念

以地球質(zhì)心為中心，半徑為任意長(zhǎng)的假想的球體。在天文學(xué)中一般均把天體投影到天球球面上，以球面坐標(biāo)系來(lái)描述或研究天體的位置以及天體之間的關(guān)系。1213天球示意圖14

天體的位置既可以用球面坐標(biāo)也可用直角坐標(biāo)表示。15天球球面坐標(biāo):

赤經(jīng)α、赤緯δ

、向徑r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。16天球直角坐標(biāo)：x、y、z。原點(diǎn)：地球質(zhì)量中心。Z軸：指向北天極Pn。X軸：指向春分點(diǎn)。Y軸：與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。17天球坐標(biāo)系示意圖18坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖19兩個(gè)重要概念：歲差和章動(dòng)

日月對(duì)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(dòng)。歲差：假定月球引力及軌道固定，北天極沿圓形軌道繞北黃極的運(yùn)動(dòng)叫歲差，春分點(diǎn)每年西移50.2″，周期約為25800年。章動(dòng)：由月球軌道變化引起的北天極沿橢圓形軌道運(yùn)動(dòng)叫章動(dòng)，橢圓長(zhǎng)半徑約為9.2″，18.6年一周期。2021協(xié)議天球坐標(biāo)系瞬時(shí)天球坐標(biāo)系：z軸指向瞬時(shí)北天極，x軸指向瞬時(shí)春分點(diǎn)（真春分點(diǎn)）。平天球坐標(biāo)系：z軸指向平北天極，x軸指向平春分點(diǎn)。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)。22協(xié)議天球坐標(biāo)系到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系變換⑴歲差旋轉(zhuǎn)變換

由于歲差導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)使兩坐標(biāo)系z(mì)軸產(chǎn)生夾角；同理，因歲差導(dǎo)致春分點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)使兩坐標(biāo)系軸、Z軸分別產(chǎn)生夾角。通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換得到這樣兩個(gè)坐標(biāo)系的變換式：23協(xié)議天球坐標(biāo)系到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系變換⑵章動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換24第二節(jié)協(xié)議地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系常用的有空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系兩種。25空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)：一般取地球質(zhì)心。Z軸：指向地球北極。X軸：指向格林威治子午線與地球赤道的交點(diǎn)。Y軸：構(gòu)成右手坐標(biāo)系。26大地坐標(biāo)系大地經(jīng)度L：過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角。大地緯度B：過(guò)地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角。大地高H：地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。2728空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換N——法線長(zhǎng)度，N=a/W；e——地球橢球第一偏心率；Φ——地心緯度，即觀測(cè)點(diǎn)和地心連線與赤道面的夾角,tanΦ=Z/（X2+Y2）1/2；

W=(1-e2sin2B)1/2;R——地心向徑，R=（X2+Y2+Z2）1/2。29

地球自轉(zhuǎn)軸不僅僅受到日月引力作用，而且受到地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響而在地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。前者導(dǎo)致歲差、章動(dòng)，后者導(dǎo)致極移。30一個(gè)重要的概念：極移極移：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時(shí)間而變，稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。31平極

國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)和國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)于1967年建議，在1900-1905年間測(cè)定的平均地極位置為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)（CIO），簡(jiǎn)稱平極。32

由于地球不是剛體及其它一些地球物理因素的影響，地球瞬時(shí)極相對(duì)協(xié)定原點(diǎn)（CIO--也稱平地極）的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，難以用解析式表示它們之間的關(guān)系，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS通過(guò)觀測(cè)于事后公布各時(shí)刻瞬時(shí)極對(duì)應(yīng)平地極的坐標(biāo)。

33協(xié)議地球坐標(biāo)系

以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系為協(xié)議地球坐標(biāo)系。34第三節(jié)

地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星位置用天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，而測(cè)站點(diǎn)位置用地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，要用衛(wèi)星坐標(biāo)求測(cè)站坐標(biāo)，需將天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)