課測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)演示文稿

課測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)演示文稿第一頁，共三十五頁。（優(yōu)選）第二節(jié)課測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)第二頁，共三十五頁。GPS定位所采用的坐標(biāo)系的特點(diǎn)GPS定位的坐標(biāo)系既有空固坐標(biāo)系，又有地固坐標(biāo)系。建立的地球坐標(biāo)系是真正意義上的全球坐標(biāo)系。GPS定位的地球坐標(biāo)系原點(diǎn)在地球的質(zhì)量中心，即為地心坐標(biāo)系。必須要掌握坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。第三頁，共三十五頁。GPS測(cè)量坐標(biāo)系的分類坐標(biāo)系分類坐標(biāo)系特征①空固坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系空固坐標(biāo)系與天球固連，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，用來確定天體位置較方便。地固坐標(biāo)系與地球固連，隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用來確定地面點(diǎn)位置較方便。②地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系以地球的質(zhì)量中心為原點(diǎn)，如WGS-84坐標(biāo)系和ITRF參考框架均為地心坐標(biāo)系。而參心坐標(biāo)系以參考橢圓體的幾何中心為原點(diǎn)，如北京54坐標(biāo)系和80國(guó)家大地坐標(biāo)系。③空間直角坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系及平面直角坐標(biāo)系經(jīng)典大地測(cè)量采用的坐標(biāo)系通常有兩種，一是以大地經(jīng)緯度表示點(diǎn)位的大地坐標(biāo)系，二是將大地經(jīng)緯度進(jìn)行高斯投影或橫軸墨卡托投影后的平面直角坐標(biāo)系。在GPS測(cè)量中，為進(jìn)行不同大地坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還會(huì)用到空間直角坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系。④國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系與地方獨(dú)立坐標(biāo)系采用單獨(dú)坐標(biāo)系統(tǒng)既不是我國(guó)國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系常用的是80國(guó)家大地坐標(biāo)系也不是北京54坐標(biāo)系，第四頁，共三十五頁。天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系

GPS測(cè)量技術(shù)是通過安置于地球表面的GPS接收機(jī)，接收GPS衛(wèi)星信號(hào)來測(cè)定地面點(diǎn)位置。觀測(cè)站固定在地球表面，其空間位置隨地球自轉(zhuǎn)而變動(dòng)，而GPS衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)且與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。因此，在衛(wèi)星定位中，需建立兩類坐標(biāo)系統(tǒng)和統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，即天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài)。地球坐標(biāo)系則是與地球相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，用于描述地面點(diǎn)的位置。并尋求衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系與地面點(diǎn)所在的坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。第五頁，共三十五頁。

天球坐標(biāo)系

1.天球空間直角坐標(biāo)系的定義

地球質(zhì)心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸指向天球北極，X軸指向春分點(diǎn)，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。則在此坐標(biāo)系下，空間點(diǎn)的位置由坐標(biāo)（X，Y，Z）來描述。

2．天球球面坐標(biāo)系的定義

天球球面坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)也位于地球質(zhì)心。天體所在天球子午面與春分點(diǎn)所在天球子午面之間的夾角稱為天體的赤經(jīng)，用α表示；天體到原點(diǎn)O的連線與天球赤道面之間的夾角稱為赤緯，用δ表示；天體至原點(diǎn)的距離稱為向徑，用r表示。這樣，天體的位置也可用三維坐標(biāo)（α，δ，r）唯一地確定。第六頁，共三十五頁。天球坐標(biāo)系3.直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換對(duì)同一空間點(diǎn)，天球空間直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：第七頁，共三十五頁。4、建立天球坐標(biāo)系的兩個(gè)問題實(shí)際地球的形狀近似一個(gè)赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對(duì)隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移——?dú)q差、章動(dòng)P14-15歲差：由于對(duì)隆起部分的作用，致使春分點(diǎn)每年西移50.2″移動(dòng)一周25800年章動(dòng)：由于月球軌道和月地距離的變化，周期18.6年，北天極變成瞬時(shí)平天極，繞瞬時(shí)平天機(jī)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。第八頁，共三十五頁。地球坐標(biāo)系

1．地球直角坐標(biāo)系的定義地球直角坐標(biāo)系的定義是：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系2.地球大地坐標(biāo)系的定義地球大地坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為（L，B，H）。地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖2-2表示：

第九頁，共三十五頁。地球坐標(biāo)系1、瞬時(shí)地球坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心

z軸指向瞬時(shí)北極

x軸指向起始子午面與赤道面的交點(diǎn)

y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。第十頁，共三十五頁。地球坐標(biāo)系2、協(xié)議地球坐標(biāo)系極移：在地幔對(duì)流以及其他物質(zhì)遷移的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸的位置隨時(shí)間的不同而發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO：采用國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù)站的資料，以1900至1905年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極稱為國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO。

原點(diǎn)：地球質(zhì)心

z軸：指向CIOx軸：指向與CIO相對(duì)應(yīng)的赤道面與起始子午面的交點(diǎn)

y軸：按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向

第十一頁，共三十五頁。地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

瞬時(shí)地球坐標(biāo)系-----------------協(xié)議地球坐標(biāo)系

極移改正第十二頁，共三十五頁。天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星的位置是由天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，測(cè)站的位置是由地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，要想用衛(wèi)星的坐標(biāo)測(cè)出測(cè)站的坐標(biāo)，需將天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

第十三頁，共三十五頁。高程系統(tǒng)一、正高（海拔高）H正

1、定義：指地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離

2、特點(diǎn)：（1）正高高程是唯一的；（2）一點(diǎn)在不同深度處的重力加速度的平均值二、正常高H常

1、定義：指地面點(diǎn)沿鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離。我國(guó)采用的高程系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)面為似大地水準(zhǔn)面

第十四頁，共三十五頁。高程系統(tǒng)三、大地高（橢球高）H1、地面點(diǎn)沿橢球法線到橢球面得距離叫該點(diǎn)的大地高

2、特點(diǎn)：大地高是純幾何量，不具物理意義。同一個(gè)點(diǎn)在不同基準(zhǔn)下有不同的大地高大地水準(zhǔn)面差距：橢球面與大地水準(zhǔn)面之間的距離。高程異常：橢球面與似大地水準(zhǔn)面之間的距離。第十五頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)一、大地測(cè)量的坐標(biāo)系與大地測(cè)量基準(zhǔn)的差別大地測(cè)量坐標(biāo)系是理論定義，空間一點(diǎn)在不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換不影響點(diǎn)位大地測(cè)量基準(zhǔn)是依據(jù)若干觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定的大地測(cè)量坐標(biāo)系，因觀測(cè)有誤差，故空間一點(diǎn)在不同基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)帶來誤差。在多數(shù)場(chǎng)合下，兩者不加區(qū)別。我們常用的坐標(biāo)系都是大地測(cè)量基準(zhǔn)第十六頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)

WGS-84坐標(biāo)系

WGS-84坐標(biāo)系是美國(guó)根據(jù)衛(wèi)星大地測(cè)量數(shù)據(jù)建立的大地測(cè)量基準(zhǔn)，是目前GPS所采用的坐標(biāo)系。

第十七頁，共三十五頁。坐標(biāo)系類型WGS-84坐標(biāo)系屬地心坐標(biāo)系原點(diǎn)地球質(zhì)量中心z軸指向國(guó)際時(shí)間局定義的BIH1984.0的協(xié)議地球北極x軸指向BIH1984.0的起始子午線與赤道的交點(diǎn)參考橢球橢球參數(shù)采用1979年第17屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)推薦值橢球長(zhǎng)半徑a=6378137m橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：α=1/298.257223563表2 WGS-84坐標(biāo)系定義第十八頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)國(guó)家大地坐標(biāo)系

1.1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊）坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。平差方法：分區(qū)分期局部平差。

存在的問題：（1）橢球參數(shù)有較大誤差。（2）參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面差距大，不能達(dá)最佳擬合，存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。（3）坐標(biāo)誤差累計(jì)大（坐標(biāo)從東北傳遞到西北和西南的，未進(jìn)行整體平差，各部分結(jié)合點(diǎn)有1~2米的誤差）。（4）定向不明確即X,Y軸的指向不明。（5）屬參心坐標(biāo)系。（和衛(wèi)星坐標(biāo)的原點(diǎn)不一致）第十九頁，共三十五頁。坐標(biāo)系類型1954年北京坐標(biāo)系屬參心坐標(biāo)系原點(diǎn)位于原蘇聯(lián)的普爾科沃z軸沒有明確定義x軸沒有明確定義參考橢球橢球參數(shù)采用1940年克拉索夫斯基橢球參數(shù)橢球長(zhǎng)半徑a=6378245m橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：α=1/298.3表3 1954年北京坐標(biāo)系定義

第二十頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)2.1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系（GDZ80）坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：1975年國(guó)際橢球。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點(diǎn)：（1）采用1975年國(guó)際橢球。（2）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。（3）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)最為密合。（4）定向明確。（5）大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部。（6)其大地點(diǎn)的高程起算面是似大地水準(zhǔn)面，是局部基準(zhǔn)而非全球基準(zhǔn)。

第二十一頁，共三十五頁。坐標(biāo)系類型1980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系屬參心坐標(biāo)系原點(diǎn)位于我國(guó)中部—陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)z軸平行于地球質(zhì)心指向我國(guó)定義的1968.0地極原點(diǎn)(JYD)方向x軸起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面參考橢球橢球參數(shù)采用1975年第16屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)的推薦值橢球長(zhǎng)半徑a=6378140m橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：α=1/298.257表41980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系定義第二十二頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)3.新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由1980年國(guó)家大地坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。BJ54新的特點(diǎn)：（1）采用克拉索夫斯基橢球。（2）是綜合GDZ80和BJ54舊建立起來的參心坐標(biāo)系。（3）橢球面與大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)不是最佳擬合。（4）定向明確。（5）大地原點(diǎn)與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。（6）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。（7）與BJ54舊相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向于GDZ80相同。（8）BJ54舊與BJ54新無全國(guó)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。第二十三頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)ITRF參考框架

ITRF是國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局（IERF）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，定向不同第二十四頁，共三十五頁。GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系統(tǒng)4.地方坐標(biāo)系地方坐標(biāo)系選自己的地方參考橢球，基準(zhǔn)面為當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叱堂?。地方與國(guó)家的參考橢球的關(guān)系:

中心一致軸向一致扁率一致長(zhǎng)半徑有一增量第二十五頁，共三十五頁。坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換

不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換（七參數(shù)法）上式即為兩個(gè)不同空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型，通過該模型，利用重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值（XA，YA，ZA）（XB，YB，ZB）采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，再利用上述模型進(jìn)行各點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。第二十六頁，共三十五頁。坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換不同平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換（四參數(shù)法）適用于高斯平面坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換七參數(shù)法：定參數(shù)需要三個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)四參數(shù)法：定參數(shù)需要兩個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)第二十七頁，共三十五頁。高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

GPS測(cè)得的高程是以WGS-84橢球面為高程起算面的即為大地高，我國(guó)的1956年黃海高程系統(tǒng)和1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)是以似大地水準(zhǔn)面作為高程起算面的即為正常高，所以GPS測(cè)量要進(jìn)行高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換方法有四種：高程擬合法

1）斜面擬合法

2）二次曲面擬合法區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化法第二十八頁，共三十五頁。高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換第二十九頁，共三十五頁。第二節(jié)GPS測(cè)量的時(shí)間系統(tǒng)GPS測(cè)量中，時(shí)間的意義：確定GPS衛(wèi)星的在軌位置確定測(cè)站的位置確定地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系時(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）兩概念測(cè)量時(shí)間同樣需要建立測(cè)量基準(zhǔn)，包括尺度基準(zhǔn)與原點(diǎn)。可作為時(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。第三十頁，共三十五頁。（1）恒星時(shí)ST

定義：

以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為

恒星時(shí)。

計(jì)量時(shí)間單位：恒星日、恒星小時(shí)、恒星分、恒星秒；一個(gè)恒星日=24個(gè)恒星小時(shí)=1440個(gè)恒星分=86400個(gè)恒星秒

分類：真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。(歲差和章動(dòng))（2）平太陽時(shí)MT

定義：以平太陽作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為平太陽

時(shí)。

計(jì)量時(shí)間單位：平太陽日、平太陽小時(shí)、平太