《GNSS定位測量技術》 課件 子項目1、2 GNSS定位技術的發(fā)展；坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)

子項目一：

GNSS定位技術的發(fā)展任務一衛(wèi)星定位技術發(fā)展概況常規(guī)（地面）定位方法：

采用的儀器設備尺：鋼尺光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術的儀器：全站儀

觀測值高差測量角度或方向觀測距離觀測天文觀測方常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設大量的地面控制點/地面站無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測點之間需要保證通視1)需要修建覘標/架設高大的天線2)邊長受到限制3)觀測難度大4)效率低：無用的中間過渡點受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標

隨著我們第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，人們就進入了空間科學技術的研究和應用，衛(wèi)星定位技術將我們的大地測量帶入到了一個嶄新的時代。早期的衛(wèi)星定位技術1、實質就是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術2、原理

（1）攝影測量：測站點至衛(wèi)星的方向—衛(wèi)星三角網(wǎng)（2）激光技術：測站至衛(wèi)星的方向—衛(wèi)星測距三角網(wǎng)后期還出現(xiàn)了無線電技術，即利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電波進行距離測量3、優(yōu)點：遠距離定位不足：使用條件受限（受天氣和衛(wèi)星可見條件影響）；耗時大；定位精度不高（±5m的點位精度）；不能獲得地心坐標

很快就被淘汰了，由子午衛(wèi)星系統(tǒng)所取代。第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–

由6顆衛(wèi)星構成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)應用領域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)—NNSS系統(tǒng)NNSS系統(tǒng)優(yōu)點不受天氣和時間限制可獲得三維地心坐標經(jīng)濟快速精度提高遠距離觀測NNSS系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法進行全球性的實時連續(xù)導航定位衛(wèi)星軌道低，難以精密定軌衛(wèi)星信號頻率低，不利于消除電離層效應導航定位精度低

為什么子午衛(wèi)星系統(tǒng)很快被取代，而不是修改該系統(tǒng)？？10導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS（美國）

GLONASS系統(tǒng)（蘇聯(lián)） 北斗雙星導航定位系統(tǒng)（中國）

NAVSAT衛(wèi)星導航系統(tǒng)（歐空局） 伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（歐盟）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立國家：美國海陸空三軍聯(lián)合研制，投資300億美元。初期目的：為軍方提供實時、連續(xù)、全天候、全球性的導航服務，情報收集、核爆監(jiān)測及應急通訊等軍事目的。開始籌建時間：1973年完全建成時間：1995年服務方式：通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務定位原理：空間距離后方交會測距原理：被動式電磁波測距特點：以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性（能為各類用戶（陸地，海洋，航空，航天）提供精密的三維坐標，速度和時間），全球性，全天候，連續(xù)性和實時性的導航，定位和定時的功能。應用：各種運載工具導航、高精度大地測量、精密工程測量、地殼形變測量等。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)構成空間部分GPS衛(wèi)星星座用戶部分GPS信號接收機控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS的發(fā)展簡史

——方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。GPS的發(fā)展簡史

——實用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。其他全球定位系統(tǒng)GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）設計：軍用；民用免費建設時間：1982~1996系統(tǒng)構成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設備GLONASSsatelliteGLONASS衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS問題：從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問題，實際上目前只有8顆。民用精度：單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS

恐怕很少有人知道，GLONASS的正式組網(wǎng)比GPS還早，這也是美國加快GPS建設的重要原因之一。不過蘇聯(lián)的解體讓GLONASS受到很大影響，正常運行衛(wèi)星數(shù)量大減，甚至無法為為俄羅斯本土提供全面導航服務，更不要說和GPS競爭。到了21世紀初隨著俄羅斯經(jīng)濟的好轉，GLONASS也開始恢復元氣，推出了GLONASS-M和更現(xiàn)代化的GLONASS-K衛(wèi)星更新星座。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS衛(wèi)星運行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經(jīng)濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到2006年3月20日為止,GLONASS系統(tǒng)共有17顆衛(wèi)星在軌。其中有11顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，2顆備用，4顆已過期而停止使用。俄羅斯計劃到2007年使GLONASS系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量至少達到18顆，開始發(fā)揮導航定位功能。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)—GLONASS目前該系統(tǒng)在軌衛(wèi)星總數(shù)為26顆，其中20顆正常工作，4顆正接受技術維護，另有2顆處于“預備役”狀態(tài)。2013年7月2日上午，在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場，俄羅斯“質子M”運載火箭搭載三顆俄國“GLONASS”導航衛(wèi)星發(fā)射升空后，火箭離地不久即發(fā)生故障，箭體大角度偏離航線并空中解體，最后墜地爆炸。GLONASS與GPS的比較參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3衛(wèi)星設計壽命6~7年（實際3年）8年（實際超過8年）軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMA（頻分多址）CDMA（碼分多址）L1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz

技術難點1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星工作壽命短，前景不明2．GLONASS用戶設備發(fā)展緩慢，生產(chǎn)廠家少，設備體積大而笨重；3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機中頻率綜合器復雜；4．對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統(tǒng)的時間和坐標系統(tǒng)問題其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)。特點：共享的獨立于GPS的適于海陸空的系統(tǒng)。參股共建，收費。參數(shù)：Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°。功能：具有公開服務、安全服務、商業(yè)服務和政府服務等功能，（前兩種服務是自由公開的，后兩種服務則需經(jīng)過批準后才能使用）。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——GalileotheGalileosatelliteconstellation

其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進入高度為2.3萬Km的預定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信號。這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。到2010年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——GalileoGalileo的主要目標:

頻率信號測試；驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環(huán)境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。GIOVEAGIOVEB其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo精度：為用戶提供精確的時間和誤差不超過一米的全球精確定位服務主要困難：投資巨大：高達36億歐元的造價美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計劃的通過。

Galileo系統(tǒng)的典型功能是信號中繼，即向用戶接收機的數(shù)據(jù)傳輸可以通過一種特殊的聯(lián)系方式或其他系統(tǒng)的中繼來實現(xiàn)，例如通過移動通信網(wǎng)來實現(xiàn)?！百だ浴苯邮諜C不僅可以接受本系統(tǒng)信號，而且可以接受GPS、“GLONASS”這兩大系統(tǒng)的信號，并且具有導航功能與移動電話功能相結合、與其他導航系統(tǒng)相結合的優(yōu)越性能。由于種種原因，伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展并不理想。2012年10月12日再發(fā)射2顆IOV在軌驗證衛(wèi)星，可使衛(wèi)星數(shù)量增加到4顆，可滿足導航定位的最低要求，包括測量經(jīng)、緯度和高度等，可用來進行地面系統(tǒng)的性能評估。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——Galileo

伽利略系統(tǒng)確定地面位置或近地空間位置要比GPS精確10倍。其水平定位精度優(yōu)于10米，時間信號精度達到100ns。必要時，免費使用的信號精確度可達6米，如與GPS合作甚至能精確至4米。一位電子工程師舉例說明了這個區(qū)別：“如今的GPS只能找到街道，而‘伽利略’系統(tǒng)則能找到車庫門?！辟だ韵到y(tǒng)與GPS系統(tǒng)的主要區(qū)別

導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)軌道參數(shù)對比衛(wèi)星定位系統(tǒng)子午NNSSGPSGLONASSGNSS衛(wèi)星數(shù)621+321+327+3軌道面6633軌道傾角905564.856平均軌道高度(km)1100202001910023616周期(min)10771867586332其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)我國的“北斗”導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗雙星導航定位系統(tǒng)第一顆衛(wèi)星：2000年11月1日凌晨第二顆衛(wèi)星：2000年12月22日凌晨備用衛(wèi)星：2003年5月25日繼美國、俄羅斯后，第三個自主建立導航系統(tǒng)的國家其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)服務區(qū)域東經(jīng)70°~145°；北緯5°~55°覆蓋我國和周邊國家及地區(qū)功能快速定位、精密授時、短報文通訊定位精度平面±20m，高程±10m；優(yōu)點系統(tǒng)簡單，投資少其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)

——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

我國自行研制的兩顆北斗導航試驗衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月20日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準確進入預定的地球同步軌道（東經(jīng)80o和140o的赤道上空），此外另一顆備用衛(wèi)星也被送入預定軌道（東經(jīng)110.5o的赤道上空），標志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——BD–1。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BD–2

為了使我國的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能有實質性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BD–2）。從導航體制、測距方法、衛(wèi)星星座、信號結構及接收機等方面進行全面改進。衛(wèi)星星座計劃由GEO衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成。此項工作將成為”十一五”期間的一項重要工作。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座，結構簡單其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間球面交會原理1、計算用戶到兩顆衛(wèi)星的距離；2、由中心站的數(shù)字地圖計算用戶到地心的距離；3、由衛(wèi)星和地心坐標，計算出三維位置。4、高程由數(shù)字地面高程模型。衛(wèi)星1☆星下點1星下點2☆

定位圓1定位圓2地面中心站衛(wèi)星2其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗二號全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2004年國務院標準建設衛(wèi)星星座：5顆靜止軌道衛(wèi)星30顆非靜止軌道衛(wèi)星27顆中圓軌道3顆傾斜同步軌道設計精度：開放服務10m，廣域差分定位精度1m。截止2012年10月25日，已有16顆衛(wèi)星在軌其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)2011年12月27日起，開始向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導航定位和授時服務。2012年12月27日起，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務；民用服務與GPS一樣免費。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)對東南亞實現(xiàn)全覆蓋。中國科技部2013年4月份表示，老撾和文萊將通過研究與合作協(xié)議初步采用該導航系統(tǒng)。3月底，泰國和中國簽署了類似協(xié)議，泰國成為中國國產(chǎn)導航系統(tǒng)的首個海外顧客。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。

開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10ns。

授權服務是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。

導航精度上不遜于歐美之外，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)解決了何人、何時、何地的問題，這就是北斗的特色服務，靠北斗一個終端你就可以走遍天下。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)

—北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等

北斗導航終端與GPS、“伽利略”和GLONASS相比，優(yōu)勢在于短信服務和導航結合，增加了通訊功能；全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)，精度與GPS相當。向全世界提供的服務都是免費的，在提供無源定位導航和授時等服務時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應用；獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”的問題；自主系統(tǒng)，高強度加密設計，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關鍵部門應用。但北斗導航也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)任務二GPS測量的特點GPS系統(tǒng)是目前在導航定位領域應用最為廣泛的系統(tǒng)，以全球性、高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特點著稱，更具優(yōu)勢。45任務二GPS測量的特點功能多導航定位測速授時46任務二GPS測量的特點GPS定位精度高靜態(tài)定位：厘米級至毫米級動態(tài)定位：亞米級至厘米級能滿足各種工程測量的要求速度測量：亞米級至厘米級時間測量：毫微秒級47任務二GPS測量的特點實時導航觀測時間短測站無需通視操作簡便全球統(tǒng)一的三維地心坐標全球全天候作業(yè)任務三GPS測量技術應用GPS在軍事中的應用GPS導航的艦載飛彈

配備GPS的士兵

美國海軍核潛艇

GPS在交通運輸業(yè)中的應用航運、航空搜索陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）船舶遠洋導航和進港引水GPS在測量中的應用1、建立和維持全球性的參考框架2、板塊運動和監(jiān)測GPS測量定位技術精品課程3、建立各級國家平面控制網(wǎng)4、布設城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程測量GPS測量定位技術精品課程5、在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應用GPS在其他領域中的應用精細農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星定軌資源勘探個人旅游及野外探險電力、廣播、電視、

通訊等網(wǎng)絡的時間同步、

時間傳遞….任務四美國政府的GPS政策1、SPS與PPSSPS–

標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–

精密定位服務可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns2、SA政策（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–

選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術：衛(wèi)星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）3、AS措施（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密，P+W

Y任務四美國政府的GPS政策GPS存在的問題1、軍用的國家安全及保密要求與民用精度要求相互沖突。2、對民用用戶無安全承諾3、三維測量精度不一致（高程誤差最大，X坐標誤差次之，Y坐標誤差最?。〨PS應用的最新發(fā)展1、精密單點定位PPP2、GPS測高程因似大地水準面模型已建立，目前GPS可代替三等水準3、室內GPS接收機發(fā)展趨勢：高精度，快速，小型，自動，抗遮擋，抗電磁干擾GPS現(xiàn)代化1999年1月25日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，將斥資40億美元，進行GPS現(xiàn)代化。GPS現(xiàn)代化實質是要加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐和保持全球民用導航領域中的領導地位。GPS現(xiàn)代化的內涵：保護。即GPS現(xiàn)代化是為了更好地保護美方和友好方的使用，要發(fā)展軍碼和強化軍碼的保密性能，加強抗干擾能力；阻止。即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加SA，AS等；保持。即是保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。GPS現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化第一階段發(fā)射12顆改進型的BLOCKⅡR型衛(wèi)星。

GPS現(xiàn)代化第二階段發(fā)射6顆GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。GPS現(xiàn)代化計劃的第三階段發(fā)射GPSBLOCKⅢ型衛(wèi)星，在2003年前完成代號為GPSⅢ的GPS完全現(xiàn)代化計劃設計工作。子項目二坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)任務一GPS測量的坐標系統(tǒng)GPS定位是以GPS衛(wèi)星為動態(tài)已知點，根據(jù)GPS接收機觀測的星、站距離來確定接收機或者測站的位置，而位置的確定離不開坐標系。GPS定位所采用的坐標系的特點GPS定位的坐標系既有空固坐標系，又有地固坐標系。建立的地球坐標系是真正意義上的全球坐標系。GPS定位的地球坐標系原點在地球的質量中心，即為地心坐標系。必須要掌握坐標系間的轉換。GPS測量坐標系的分類空固坐標系與地固坐標系地心坐標系與參心坐標系空間直角坐標系與球面坐標系國家統(tǒng)一坐標系與地方獨立坐標系三維坐標與二維坐標66GPS測量坐標系分類坐標系分類坐標系特征①空固坐標系地固坐標系空固坐標系與天球固連，與地球自轉無關，用來確定天體位置較方便。地固坐標系與地球固連，隨地球一起轉動，用來確定地面點位置較方便。②地心坐標系參心坐標系地心坐標系以地球的質量中心為原點，如WGS-84坐標系和ITRF參考框架均為地心坐標系。而參心坐標系以參考橢圓體的幾何中心為原點，如北京54坐標系和80國家大地坐標系。③空間直角坐標系球面坐標系平面直角坐標系一是以大地經(jīng)緯度表示點位的大地坐標系，二是空間直角坐標系。測量中常用平面直角坐標系，即將大地經(jīng)緯度進行高斯投影或橫軸墨卡托投影后的平面直角坐標系。④國家統(tǒng)一坐標系地方獨立坐標系我國國家統(tǒng)一坐標系常用的是80國家大地坐標系和北京54坐標系，采用高斯投影，分6°帶和3°帶；而對于諸多城市和工程建設來說，因高斯投影變形以及高程歸化變形而引起實地上兩點間的距離與高斯平面距離有較大差異，為便于城市建設和工程的設計、施工，常采用地方獨立坐標系，即以通過測區(qū)中央的子午線為中央子午線，以測區(qū)平均高程面代替參考橢圓體面進行高斯投影而建立的坐標系。天球坐標系和地球坐標系

全球定位系統(tǒng)（GPS）的最基本任務是確定用戶在空間的位置。而所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標系的位置坐標，位置是相對于參考坐標系而言的，為此，首先要設立適當?shù)淖鴺讼怠Ｗ鴺讼到y(tǒng)是由原點位置、3個坐標軸的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標系：天球坐標系和地球坐標系。

由于坐標系相對于時間的依賴性，每一類坐標系又可劃分為若干種不同定義的坐標系。不管采用什么形式，坐標系之間通過坐標平移、旋轉和尺度轉換，可以將一個坐標系變換到另一個坐標系去

68天球坐標系和地球坐標系地球坐標系地固坐標系坐標軸指向隨地球自轉而自轉（相對于地球靜止）描述地面點位置天球坐標系空固坐標系坐標軸指向相對于宇宙不動，與地球自轉無關（相對于地球是運動的）常用于描述天體位置69天球坐標系

天球——以地球質心為球心，以任意長（無窮大）為半徑的假想球體。天球坐標系天球空間直角坐標系天球球面坐標系協(xié)議天球坐標系以某一時刻作為標準的坐標軸指向。

天球坐標系

1.天球空間直角坐標系的定義坐標原點O：地球質心；

Z軸：天球北極；

X軸指向春分點；

Y軸:垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構成右手坐標系。

2．天球球面坐標系的定義

坐標原點O：地球質心；赤經(jīng)α

：天體所在天球子午面和春分點所在天球子午面之間的夾角。

赤緯δ

：天體到原點M的連線與天球赤道面之間的夾角。

向徑r

：天體至原點的距離為。

天球坐標系

3.天球空間直角坐標系與天球球面坐標系的關系如圖2-1表示：

對同一空間點，天球空間直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間有如下轉換關系：地球坐標系

1．地球直角坐標系的定義

原點O：與地球質心重合；

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；

Y軸：在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系。2.地球大地坐標系的定義

原點O：與地球質心重合；大地經(jīng)度L：過地面點P的子午面和起始子午面間的夾角大地緯度B：過點P的橢球法線和赤道面之間的夾角大地高H：點沿橢球法線到橢球面的距離3.地球直角坐標系和地球大地坐標系可用圖2-2表示：對同一空間點，直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間有如下轉換關系：

地球坐標系歲差與章動

在外力作用下，地球的自轉軸在空間的指向并不保持固定的方向，而是不斷的變化，其中地球的長期遠動叫做歲差，而周期運動稱為章動。

歲差：假定月球軌道固定，由于日月對地球赤道隆起部分的引力作用，北天極沿圓形軌道（歲差圓）繞北黃級的運動叫歲差在歲差影響下的北天極稱為瞬時平北天極，相應的春分點稱為瞬時平春分點

章動：由于月球軌道和月、地距離的變化，是實際北天極沿橢圓形軌道繞瞬時平北天極旋轉，這種現(xiàn)象叫做章動衛(wèi)星測量中常用天球坐標系

1．瞬時真（北天極）天球坐標系：

原點：地球質心

z軸指向瞬時北天極（真天極）

x軸指向瞬時春分點（真春分點），

y軸按構成右手坐標系取向。2.瞬時平天球坐標系

原點：地球質心

z軸指向瞬時平北天極

x軸指向瞬時平春分點

y軸按構成右手坐標系取向。3、歷元（協(xié)議）平天球坐標系

原點：地球質心

z軸指向協(xié)議北天極

x軸指向協(xié)議北天極所對應的春分點

y軸按構成右手坐標系取向。

（協(xié)議北天極為2000年1月15日的瞬時平北天極）天球坐標系之間的轉換

瞬時真天球坐標系-----------瞬時平天球坐標系瞬時平天球坐標系-----------歷元平天球坐標系

章動改正歲差改正極移極移：在地幔對流以及其他物質遷移的影響下，地球自轉軸的位置隨時間的不同而發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為地極移動，簡稱極移。地球坐標系1、瞬時地球坐標系：原點位于地球質心

z軸指向瞬時北極

x軸指向起始子午面與赤道面的交點

y軸構成右手坐標系取向。2、協(xié)議地球坐標系原點：地球質心

z軸：指向CIO

x軸：指向與CIO相對應的赤道面與起始子午面的交點

y軸：按構成右手坐標系取向（總地球橢球與參考橢球的差別（書上P109））國際協(xié)定原點CIO：采用國際上5個緯度服務站的資料，以1900至1905年地球自轉軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。地球坐標系之間的轉換

瞬時地球坐標系-----------------協(xié)議地球坐標系

極移改正天球坐標系與地球坐標系之間的轉換

衛(wèi)星的位置是由天球坐標系的坐標表示，測站的位置是由地球坐標系的坐標表示，要想用衛(wèi)星的坐標測出測站的坐標，需將天球坐標系的坐標轉化為地球坐標系的坐標。

轉換的步驟：歷元平天球坐標系----瞬時平天球坐標系-------瞬時真天球坐標系--------------------瞬時地球坐標系--------協(xié)議地球坐標系在轉換過程中，因兩者的坐標原點一樣，故只需要多次旋轉坐標軸即可只有X軸差一個GAST角度注：GAST為格林尼治恒星時高程系統(tǒng)一、正高（海拔高）H正

1、定義：指地面點沿鉛垂線到大地水準面的距離

2、特點：（1）正高高程是唯一的；（2）一點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：指地面點沿鉛垂線到似大地水準面的距離。

我國采用的高程系統(tǒng)。基準面為似大地水準面三、大地高（橢球高）H

1、地面點沿橢球法線到橢球面得距離叫該點的大地高

2、特點：大地高是純幾何量，不具物理意義。同一個點在不同基準下有不同的大地高橢球面大地水準面似大地水準面P地面大地高正常高正高大地水準面差距高程異常高程系統(tǒng)大地高與正高、正常高關系：N——大地水準面差距；

——高程異常。大地水準面差距：橢球面與大地水準面之間的距離。高程異常：橢球面與似大地水準面之間的距離。

85GPS水準GPS水準精度GPS測定的大地高精度，可優(yōu)于1cm。大地高轉換為正高、正常高時，需要采用其他方法測定的大地水準面差距或高程異常。綜合實際情況，當前能達到三等水準的要求GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)

一、大地測量基準的概念

大地測量基準：描述地球大小，形狀和地球在空間定位，定向的參數(shù)，包括幾何參數(shù)：長半徑a；地球重力場二階帶諧系數(shù)C20，J2；物理參數(shù)：GM；定向定位參數(shù)：ω

。經(jīng)典大地測量基準是由幾何測量確定的，缺少物理參數(shù)，現(xiàn)代大地測量基準是由物理測量確定的，參數(shù)齊全GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)二、大地測量的坐標系與大地測量基準的差別

大地測量坐標系是理論定義，空間一點在不同坐標系之間轉換不影響點位大地測量基準是依據(jù)若干觀測點的觀測數(shù)據(jù)確定的大地測量坐標系，因觀測有誤差，故空間一點在不同基準之間的轉換會帶來誤差。在多數(shù)場合下，兩者不加區(qū)別。我們常用的坐標系都是大地測量基準88GPS測量中常用的坐標系協(xié)議地球坐標系

1.WGS-84坐標系2.ITRF參考框架國家大地坐標系

1.北京54坐標系

2.西安80坐標系3.新北京54坐標系4.2000坐標系

5.地方坐標系GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)

協(xié)議地球坐標系

1.WGS-84坐標系

WGS-84的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系的原點和尺度變化，并旋轉其參考子午面與BIH定義的零度子午面一致而得到的一個新參考系。原點在地球質心

Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極（CTP）方向

X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點

Y軸和Z、X軸構成右手坐標系。它是一個地固坐標系。

它是協(xié)議地球坐標系的一種

GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)

WGS-84坐標系采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù)

長半徑：a=6378137±2（m）；

地球引力常數(shù)：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

正?；A帶諧系數(shù)：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自轉角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-191GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)2.ITRF坐標框架IERS---指國際地球自轉服務機構。ITRS---指國際地球參考系統(tǒng)。IERS每年將全球各站觀測數(shù)據(jù)綜合處理，得出一種協(xié)議地球參考系統(tǒng)ITRS。ITRF---指構成ITRS的地面控制點網(wǎng)，即有“框架”之意。IGS---國際GPS地球動力學服務。幾乎所有的IGS精密星歷都是在ITRF框架下提供的。GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)2.ITRF參考框架

ITRF是國際地球自轉服務局（IERF）根據(jù)分布全球的地面觀測站，以最先進的測量技術獲得的數(shù)據(jù)確定的大地測量基準，是世界工人的精度最高的大地測量基準。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等多個地心參考框架，橢球參數(shù)與WGS-84相同，定向不同93WGS-84地面站坐標精度為1m到2m的精度，ITRF則為厘米級精度引力常數(shù)不同WGS-84與ITRF的關系WGS84與ITRF的轉換關系GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)國家大地坐標系

1.1954年北京坐標系（BJ54舊）坐標原點：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）參考橢球面與我國大地水準面差距大，不能達到最佳擬合，存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。（3）坐標誤差累計大（坐標從東北傳遞到西北和西南的，未進行整體平差，各部分結合點有1~2米的誤差）。（4）定向不明確即X,Y軸的指向不明。（5）屬參心坐標系。（和衛(wèi)星坐標的原點不一致）GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)2.1980年國家大地坐標系（GDZ80）坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：1975年國際橢球。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點：

（1）采用1975年國際橢球。（2）大地高程基準采用1956年黃海高程。（3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為擬合。（4）定向明確。（5）大地原點地處我國中部。（6)其大地點的高程起算面是似大地水準面，是局部基準而非全球基準。（7）二維坐標系，不適合衛(wèi)星定位GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)3.新1954年北京坐標系（BJ54新）新1954年北京坐標系是由1980年國家大地坐標（GDZ80）轉換得來的。坐標原點：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：（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系。（3）橢球面與大地水準面在我國境內不是最佳擬合。（4）定向明確。（5）大地原點與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。（6）大地高程基準采用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新無全國統(tǒng)一的轉換參數(shù)，只能進行局部轉換。97GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)4.2000國家大地坐標系我國地心坐標系原點：地球質心右手地固直角坐標系98GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)5.地方坐標系國家統(tǒng)一坐標系在由于投影會產(chǎn)生兩種變形：高程歸化變形一般工程要求，變形不超過1/40000；要求對應的大地高不超過160m。東部沿?？梢院雎?，中西部需改正。方法：將地面點投影到平均高程面上。99GPS測量中的常用坐標系統(tǒng)5.地方坐標系國家統(tǒng)一坐標系由于投影會產(chǎn)生兩種變形：高斯投影變形一般工程要求，變形不超過1/40000；要求離中央子午線的距離不超過45km；對于3度帶，最遠距離可達167km;方法：選擇測區(qū)中央的經(jīng)度作為中央子午線進行投