课测量坐标系统与时间系统.ppt

第二章 GPS坐标系统与时间系统,第一节 GPS测量的坐标系统,全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系 GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星战距离来确定接收机或者测站的位置，而位置的确定离不开坐标系。,GPS定位所采用的坐标系的特点,GPS定位的坐标系既有空固坐标系，又有地固坐标系。 建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标系。 GPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心，即为地心坐标系。 必须要掌握坐标系间的转换。,GPS测量坐标系的分类,天球坐标系和地球坐标系,GPS测量技术是通过安置于地球表面的GPS接收机，接收GPS卫星信号来测定地面点位置。观测站固定在地球表面，其空间位置随地球自转而变动，而GPS卫星围绕地球质心旋转且与地球自转无关。因此，在卫星定位中，需建立两类坐标系统和统一的时间系统，即天球坐标系与地球坐标系。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系则是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位置。并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，从而实现坐标系之间的转换。,天球坐标系,1. 天球空间直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。 2天球球面坐标系的定义 天球球面坐标系的坐标原点也位于地球质心。天体所在天球子午面与春分点所在天球子午面之间的夹角称为天体的赤经，用表示；天体到原点O的连线与天球赤道面之间的夹角称为赤纬，用表示；天体至原点的距离称为向径，用r表示。这样，天体的位置也可用三维坐标（，r）唯一地确定。,天球坐标系,3. 直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：,4、建立天球坐标系的两个问题,实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变而使春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动,P14-15,岁差：由于对隆起部分的作用，致使春分点每年西移50.2移动一周25800年 章动：由于月球轨道和月地距离的变化，周期18.6年，北天极变成瞬时平天极，绕瞬时平天机旋转轴旋转。,地球坐标系,1地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系 2. 地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：,地球坐标系,1、瞬时地球坐标系： 原点位于地球质心 z轴指向瞬时北极 x轴指向起始子午面与赤道面的交点 y轴构成右手坐标系取向。,地球坐标系,2、协议地球坐标系 极移：在地幔对流以及其他物质迁移的影响下，地球自转轴的位置随时间的不同而发生改变的现象称为地极移动，简称极移。 国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900至 1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。 原点：地球质心 z轴：指向CIO x轴：指向与CIO相对应的赤道面与起始子午面的交点 y轴：按构成右手坐标系取向,地球坐标系之间的转换 瞬时地球坐标系-协议地球坐标系,极移改正,天球坐标系与地球坐标系之间的转换,卫星的位置是由天球坐标系的坐标表示，测站的位置是由地球坐标系的坐标表示，要想用卫星的坐标测出测站的坐标，需将天球坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。,高程系统,一、正高（海拔高）H正 1、定义： 指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离 2、特点：（1）正高高程是唯一的； （2）一点在不同深度处的重力加速度的平均值 二、正常高H常 1、定义： 指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。 我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面,高程系统,三、大地高（椭球高）H 1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的大地高 2、特点：大地高是纯几何量，不具物理意义。同一个点在不同基准下有不同的大地高 大地水准面差距：椭球面与大地水准面之间的距离。 高程异常：椭球面与似大地水准面之间的距离。,GPS测量中的常用坐标系统,一、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别 大地测量坐标系是理论定义，空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位 大地测量基准是依据若干观测点的观测数据确定的大地测量坐标系，因观测有误差，故空间一点在不同基准之间的转换会带来误差。 在多数场合下，两者不加区别。 我们常用的坐标系都是大地测量基准,GPS测量中的常用坐标系统,WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是美国根据卫星大地测量数据建立的大地测量基准，是目前GPS所采用的坐标系。,表2 WGS-84坐标系定义,GPS测量中的常用坐标系统,国家大地坐标系 1.1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。 存在的问题： （1）椭球参数有较大误差。 （2）参考椭球面与我国大地水准面差距大，不能达最佳拟合，存在着自西向东明显的系统性倾斜。 （3）坐标误差累计大（坐标从东北传递到西北和西南的，未进行整体平差，各部分结合点有12米的误差）。 （4）定向不明确即X,Y轴的指向不明。 （5）属参心坐标系。（和卫星坐标的原点不一致）,表3 1954年北京坐标系定义,GPS测量中的常用坐标系统,2.1980年国家大地坐标系（GDZ80） 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密 合。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6)其大地点的高程起算面是似大地水准面，是局部基准而 非全球基准。,表4 1980年国家大地测量坐标系定义,GPS测量中的常用坐标系统,3.新1954年北京坐标系（BJ54新） 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定 向于GDZ80相同。 （8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。,GPS测量中的常用坐标系统,ITRF参考框架 ITRF是国际地球自转服务局（IERF）根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准，是世界精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用，但其日后必将代替WGS-84. IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84相同，定向不同,GPS测量中的常用坐标系统,4.地方坐标系 地方坐标系选自己的地方参考椭球，基准面为当地的平均海拔高程面。 地方与国家的参考椭球的关系: 中心一致 轴向一致 扁率一致 长半径有一增量,坐标系统之间的转换,不同空间直角坐标系统之间的转换 （七参数法） 上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利用重合点的两套坐标值（XA，YA，ZA）（XB，YB，ZB）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。,坐标系统之间的转换,不同平面直角坐标系之间的转换（四参数法） 适用于高斯平面坐标间的转换,七参数法：定参数需要三个点在两个坐标系中的坐标 四参数法：定参数需要两个点在两个坐标系中的坐标,高程系统的转换,GPS测得的高程是以WGS-84椭球面为高程起算面的即为大地高，我国的1956年黄海高程系统和1985年国家高程基准是以似大地水准面作为高程起算面的即为正常高，所以GPS测量要进行高程系统的转换。 常用的转换方法有四种： 高程拟合法 1）斜面拟合法 2）二次曲面拟合法 区域似大地水准面精化法,高程系统的转换,第二节 GPS测量的时间系统,GPS测量中，时间的意义： 确定GPS卫星的在轨位置 确定测站的位置 确定地球坐标系与天球坐标系的关系 时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两概念 测量时间同样需要建立测量基准，包括尺 度基准与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。,（1）恒星时ST 定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。 (岁差和章动) （2）平太阳时MT 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。 （3）世界时UT 定义：以子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。,第二节 GPS测量的时间系统,第二节 GPS测量的时间系统,原子时IAT： 原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 协调世界时UTC 为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。 协调时与国际原子时之间的关系， GPS时间系统GPST GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的 原点与国际原子时LAT相差19s。有关系式:IAT-GPST=19（s）,复习思考题,1、岁差、章动、大地水准面的概念。 2、GPS所采用的坐标系统的特点。 3、GPS坐