遥感GPSGNSS导航定位时空基准分析PPT学习教案

1、会计学1坐标系统坐标系统 描述卫星运动描述卫星运动时间系统时间系统 是是 处理观测数据处理观测数据 的的数学与物理基础数学与物理基础 表达观测站位置表达观测站位置u GNSSGNSS时空基准时空基准是GNSS的坐标基准和时间基准，是由相应的GNSS的时间系统和坐标系统及其参考框架实现的知识点第1页/共50页力学时力学时第2页/共50页另一类是与另一类是与地球体相固联的坐标系地球体相固联的坐标系统统 ECEFEarth-Centred Earth-fixed Coordinate System表达地面观测站的位置表达地面观测站的位置处理处理GPS观测数据观测数据2.1 GNSS导航定位坐标系统导

2、航定位坐标系统知识点第3页/共50页2.1 GNSS导航定位坐标系统导航定位坐标系统知识点第4页/共50页s天极。天极。天球赤道面与天球天球赤道面与天球赤道赤道：通过地球质：通过地球质心与天轴垂直的平心与天轴垂直的平面为天球赤道面，面为天球赤道面，该面与天球相交的该面与天球相交的大圆为天球赤道。大圆为天球赤道。天球子午面与天球天球子午面与天球子午圈子午圈：包含天轴：包含天轴并经过天球上任一并经过天球上任一点的平面为天球子点的平面为天球子午面，该面与天球午面，该面与天球相交的大圆为天球相交的大圆为天球子午圈。子午圈。2.1 GNSS导航定位坐标系统导航定位坐标系统第5页/共50页约约23.50。

3、黄极黄极：通过天球中：通过天球中心，垂直于黄道心，垂直于黄道面的直线与天球面的直线与天球的交点。靠近北的交点。靠近北天极的交点天极的交点 n称称北黄极，靠近南北黄极，靠近南天极的交点天极的交点 s称称南黄极。南黄极。春分点春分点：当太阳在：当太阳在黄道上从天球南黄道上从天球南半球向北半球运半球向北半球运行时，黄道与天行时，黄道与天球赤道的交点球赤道的交点 。在天文学和卫星大在天文学和卫星大地测量学中，地测量学中，春春分点和天球赤道分点和天球赤道面是建立参考系面是建立参考系的重要基准点和的重要基准点和基准面。基准面。第6页/共50页第7页/共50页天球球面坐标系天球球面坐标系的定义：的定义：原点

4、位于地球的质心，赤经原点位于地球的质心，赤经 为含天轴和春分点的天球子午为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体面与经过天体s的天球子午面的天球子午面之间的交角，赤纬之间的交角，赤纬 为原点至为原点至天体的连线与天球赤道面的夹天体的连线与天球赤道面的夹角，向径角，向径r为原点至天体的距离为原点至天体的距离。知识点第8页/共50页第9页/共50页sinsincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr第10页/共50页自转轴方向不再保持不变自转轴方向不再保持不变从而使从而使春分点在黄道上产生缓春分点在黄道上产生缓慢西移慢西移，此现象在天文学上称，此现象在天文学上称为为

5、岁差岁差。precessionprecession在岁差的影响下，地球自转在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转，轴在空间绕北黄极顺时针旋转，因而使北天极以同样方式绕北因而使北天极以同样方式绕北黄极黄极顺时针旋转顺时针旋转。第11页/共50页岁差影响岁差影响章动影响第12页/共50页天极称为天极称为瞬时北天极（或真北瞬时北天极（或真北天极）天极），相应的天球赤道和春，相应的天球赤道和春分点称为分点称为瞬时天球赤道和瞬时瞬时天球赤道和瞬时春分点（或真天球赤道和真春春分点（或真天球赤道和真春分点）分点）。在日月引力等因素的影响下，在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极瞬时

6、北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为这种现象称为章动章动。NutationNutation第13页/共50页第14页/共50页n观测瞬间地球自转轴所处的位置观测瞬间地球自转轴所处的位置,称为瞬时地球自转轴称为瞬时地球自转轴;相应的极相应的极点称为瞬时极点称为瞬时极n大量资料表明大量资料表明,地极在地球表面地极在地球表面上的运动上的运动,包含包含2种周期性变化种周期性变化,一一种周期约为一年种周期约为一年,振幅约为振幅约为0.1”的的变化变化;另一种周期约为另一种周期约为432天天,振幅振幅约为约为0.2”的变化的变化,又称又称Chandler周

7、周期变化期变化第15页/共50页地极运动轨迹地极运动轨迹地极坐标系第16页/共50页协议天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时天球坐标系岁差旋转岁差旋转章动旋转章动旋转知识点第17页/共50页第18页/共50页地心空间直角坐标系地心空间直角坐标系 地心大地坐标系地心大地坐标系 第19页/共50页大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。任一地面点在地球坐标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H），两者可进行互换。知识点第20页/共50页BHeNZLBHNYLBHNXsin)1 (sincos)(coscos)(222222122)si

8、n1 (/abaeBeWWaNNBRHXyarctgLWBZaetgarctgBcoscossin122/12222/122)(ZYXRYXZarctg第21页/共50页n协议地球坐标系CTS与之相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采用CIO作为协议地极（conventional Terrestrial PoleCTP）；以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系（Conventional Terrestrial SystemCTS）；n与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。第22页/共50页 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知：（1）两坐标系的原点均位于地球

9、的质心，故其原点位置相同（2）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同（3）两瞬时坐标系x轴与X轴的指向不同，其间夹角为真春分点春分点的格林尼治恒星时的格林尼治恒星时。二者的转换过程如下：知识点第23页/共50页2.1 GNSS导航定位坐标系统导航定位坐标系统第24页/共50页球旋转轴，X指向起始大地子午面与参考椭球赤道的交点，Y轴构成右手坐标系。n地心空间直角坐标系与参心空间直角坐标系之间的转换原点位置、坐标轴指向都不同第25页/共50页第26页/共50页 如果测量工作以测站为原点，则所构成的坐标系称为测站中心坐标系（简称站心坐标系）。站心坐标系分为如果测量工作以测站为原点，则所构

10、成的坐标系称为测站中心坐标系（简称站心坐标系）。站心坐标系分为站心地平直角坐标系和站心极坐标系站心地平直角坐标系和站心极坐标系。 站心地平直角坐标系是以测站的椭球法线方向为站心地平直角坐标系是以测站的椭球法线方向为Z轴，以测站大地子午线北端与大地地平面的交线为轴，以测站大地子午线北端与大地地平面的交线为X轴，大地平行圈（东方向）与大地地平面的交线为轴，大地平行圈（东方向）与大地地平面的交线为Y轴，构成轴，构成左手坐标系左手坐标系。 GPS相对定位确定的是点之间的相对位置，一般用空间直角相对定位确定的是点之间的相对位置，一般用空间直角 坐标差坐标差 或大地坐标差或大地坐标差 表示。如果建立以已知

11、点为表示。如果建立以已知点为 为原点的站心地平直角坐标系则其他点在该坐标系内的坐标为原点的站心地平直角坐标系则其他点在该坐标系内的坐标 与基线向量的关系为与基线向量的关系为ZYX,HLB,000,ZYXzyx,ZYXBLBLBLLBLBLBzyxjjj000000000000sinsincoscoscos0cossincossinsincossin站第27页/共50页 站心极坐标系是以测站的铅垂线为准，以测站点到站心的空间距离D，高度角Z和大地方位角A表示j点的位置站心地平直角坐标系与站心极坐标系之间也可以转换。Z第28页/共50页的基本特征：的基本特征：a地球椭球长半径地球椭球长半径m J2

12、地球重力场二阶带谐系地球重力场二阶带谐系数数GM地球引力与地球质量地球引力与地球质量乘积乘积km3s-2 地球自转角速度地球自转角速度rad/s第29页/共50页大地坐标系WGS属于协议地球坐标系CTS，WGS可看成CTS的近似系统。nWGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系的几何意义：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手坐标系。对应WGS-84大地坐标系有WGS-84椭球。2.卫星大地测量基准第30页/共50页WGS-84世界大地坐标系向，X轴指向BIH1984.0的零子

13、午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手坐标系。知识点第31页/共50页基本大地参数WGS-72WGS-84a(m)63781356378137 或f-484.160510-61/298.26-484.1668510-61/298.257223563(rad/s)7.292115147 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.50 , 2CWGS-72与与WGS-84的基本大地参数的基本大地参数0 , 2C第32页/共50页 2.2 时间系统时间系统第33页/共50页准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1

14、cm，则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s (光速度约为3 108m/s )由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小于2 10-5s。(地球自转平均速度470m/s) 2.2 时间系统时间系统第34页/共50页知识点第35页/共50页察和实验，复现这种周期性运动。在实践中，因所选择的周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。在GPS定位中，具有重要意义的时间系统包括世界时系统、力学时和原子时三种。第36页/共50页nGPST第37页/共50页为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含2

15、4个恒星小时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有地方性，也称地方恒星时。第38页/共50页化比较大，平均每天比前一天晚升起50分钟n像太阳和月亮一样，满天的繁星也不是每天都固定在星空中某个地方不动，它们也是每天都在作周日视周日视运动运动，只不过很多人都没有注意到恒星的这种运动罢了。第39页/共50页且在天球赤道上作周年视运动，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点在天文学中称这个假设的参考点在天文学中称为平太阳为平太阳n平太阳连续两次经过本地子午圈平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含

16、的时间间隔为一平太阳日，包含2424个平太阳时个平太阳时n平太阳时也具有地方性，常称为平太阳时也具有地方性，常称为地方平太阳时或地方平时地方平太阳时或地方平时第40页/共50页UT2UT2。虽然经过改正，其中仍包含地球自虽然经过改正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化转角速度的长期变化和不规则变化的影响，世界时的影响，世界时UT2UT2不是一个严格均不是一个严格均匀的时间系统。匀的时间系统。在在GPSGPS测量中，主要用于天球坐标系测量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算。和地球坐标系之间的转换计算。世界时（世界时（Universal TimeUniversal Tim

17、eUTUT）以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时 第41页/共50页国际制秒（SI）的时间单位。n原子时的原点为AT=UT2-0.0039sn不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时（International Atomic TimeIAT）n在卫星测量中，原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。第42页/共50页数。n地球质心力学时（Terrestrial Dynamic TimeTDT）是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。n在GPS定位中，地球质心力学时，作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量，被用于描述卫星的运动。