第二章_GPS坐标系统与时间系统

1、第二章第二章坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统Slide 2一一 坐标系统坐标系统Your Location is:36.067901o N94.171071o WYour Location is:-375434.4998875148030.0219523734385.940602Your Location is:3993161.250526515411.424436含义？含义？不同类型的意义？不同类型的意义？如何实现他们之间的转换？如何实现他们之间的转换？Slide 31) 1)坐标系统坐标系统站心赤道坐标系站心地平坐标系高斯平面直角坐标系天文坐标系参心大地坐标系参心空间直角坐标系地心大地

2、坐标系地心空间直角坐标系投影平面地心参心站心总 地球 椭球面参 考椭 球面大 地水 准面表示方式坐标原点参考面地球坐标系统地球坐标系统笛卡尔坐标曲线坐标平面直角坐标Slide 42)GPS2)GPS中的坐标系统中的坐标系统uWGS-84WGS-84坐标系坐标系u我国的国家大地坐标系我国的国家大地坐标系u 地方独立坐标系地方独立坐标系uITRFITRF坐标框架坐标框架u站心坐标系站心坐标系p16Slide 53)3)天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系北天极北天极春分点春分点Slide 64)坐标系的变换坐标系的变换u空间大地坐标系空间大地坐标系空间直角坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标

3、系空间直角坐标系空间大地坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系空间大地坐标系高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 Slide 75)坐标转换坐标转换P20，公式公式 2-20IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1 (0001000cossin0sincos)(,cos0sin010sin0cos)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYYYYYYXXXXXXRRRSlide 8二二 时间系统时间系统UT1t1972.0UTC1958.0IATt1980.1.619sGPSTUTUT极移改正极移改正UT1UT1地球自转地球

4、自转速度改正速度改正UT2UT2Slide 9关于坐标系统常见的问题关于坐标系统常见的问题v 校园地形图测量成果属于什么坐标系？校园地形图测量成果属于什么坐标系？v 经纬度、空间直角坐标经纬度、空间直角坐标XYZXYZ，平面直角坐标，平面直角坐标xyzxyz之间的之间的联系是什么？联系是什么？v GISGIS软件中常见的软件中常见的“基准基准”指的是什么？指的是什么？v 为什么会存在北京为什么会存在北京5454、国家、国家8080，WGS-84WGS-84等等不同的坐等等不同的坐标系？标系？v 地方坐标系（如北京城建）和国家坐标系有哪些不同地方坐标系（如北京城建）和国家坐标系有哪些不同？v 为

5、什么有了世界坐标系还要使用国家坐标系？为什么有了世界坐标系还要使用国家坐标系？v 我国的国家坐标系属于参心坐标系还是地心坐标系？我国的国家坐标系属于参心坐标系还是地心坐标系？v GPSGPS卫星坐标已知，相当于控制点，那么地面上还需要卫星坐标已知，相当于控制点，那么地面上还需要坐标已知的控制点吗？坐标已知的控制点吗？Slide 10OUTLINEOUTLINEu常规大地测量中的坐标系统常规大地测量中的坐标系统u卫星大地测量中的坐标系统卫星大地测量中的坐标系统uGPS常用的坐标系统常用的坐标系统u坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换u时间系统时间系统Your Location is:36.067

6、901o N94.171071o WSlide 11经典大地测量中的坐标系统经典大地测量中的坐标系统常见的坐标系统常见的坐标系统u空间直角坐标系空间直角坐标系u大地坐标系大地坐标系u平面直角坐标系平面直角坐标系Slide 121 1、复习、复习建立测量坐标系的基准面是什么？建立测量坐标系的基准面是什么？v三种类型的坐标系之间的联系的纽带什么？三种类型的坐标系之间的联系的纽带什么？Slide 13基准不仅仅是椭球参数基准不仅仅是椭球参数Slide 14如果基准混淆了：如果基准混淆了：Slide 15基准的确定基准的确定大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面和参心坐标系参考椭球Slide 162、

7、参心坐标系的特点参心坐标系的特点不关心地心是否与参心重合；不关心地心是否与参心重合；只关心表面的拟和程度，使得椭球面上的计算简单只关心表面的拟和程度，使得椭球面上的计算简单Slide 17我国的大地坐标系我国的大地坐标系u19541954年北京坐标系年北京坐标系类型类型：参心坐标系：参心坐标系建立：建立：与苏联与苏联19421942年普尔科沃坐标系联测年普尔科沃坐标系联测椭球椭球：克拉索夫斯基椭球：克拉索夫斯基椭球问题问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好：参考椭球面与我国大地水准面符合不好u19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系类型类型：参心坐标系：参心坐标系建立建立：进行了我国

8、的天文大地网整体平差，采用新的椭球元：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元素，进行了定位和定向素，进行了定位和定向大地原点大地原点：陕西省泾阳县永乐镇：陕西省泾阳县永乐镇椭球椭球：19751975年国际大地测量与地球物理联合会第年国际大地测量与地球物理联合会第1616届年会届年会NO1GEOIDNO2P17Slide 183、平面直角坐标系的建立、平面直角坐标系的建立Slide 19高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标系的定义高斯平面直角坐标系的定义X 轴：中央子午线的投影Y 轴：赤道的投影原点：两轴的交点假东、假北假东、假北为了避免坐标系中出现负值，统一规定将每

9、一带的坐标轴西移或南移一定距离。我国的假北为0，假东为500km高斯分带投影高斯分带投影6度带度带3度带度带Slide 20结论：结论：v定义一个坐标系统，包含了哪两个基本要素（方面）？定义一个坐标系统，包含了哪两个基本要素（方面）？坐标系统的基准坐标系统的基准坐标系统的形式坐标系统的形式Slide 21第一节第一节 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系u描述卫星的位置描述卫星的位置天球坐标系天球坐标系u描述地球上的点的位置描述地球上的点的位置地球坐标系地球坐标系Slide 22一、天球和天球坐标系一、天球和天球坐标系天球以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。Slide 23

10、1 1、天球、天球天轴天轴: :地球自地球自转轴的延伸转轴的延伸线线u天极天极: :天轴天轴与天球的交与天球的交点点u天球赤道天球赤道面面：通过地：通过地球质心，与球质心，与天轴垂直的天轴垂直的平面平面u天球子天球子午面午面：包：包含天轴含天轴, ,并通过天并通过天球上任何球上任何一点的平一点的平面面Slide 24黄道和春分点黄道和春分点u黄道黄道：地球公转的轨道面：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球与天球相交的大圆，即地球公转时，地球上的观测者所公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的轨道见到的太阳在天球上的轨道u春分点春分点：当太阳在黄道上：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运

11、行从天球南半球向北半球运行时黄道与天球赤道的交点时黄道与天球赤道的交点春分点：在天球上的位置春分点：在天球上的位置不不随着地球的自转变化随着地球的自转变化Slide 252 2、天球坐标系的两种表示方法、天球坐标系的两种表示方法u天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系 ( (X,Y,Z)X,Y,Z)u天球球面坐标系天球球面坐标系 ( (赤经，赤纬，向径赤经，赤纬，向径) )p11以天球为基准面，建立天球坐标系以天球为基准面，建立天球坐标系（春分点、北天极，天球的球心）（春分点、北天极，天球的球心）北天极北天极春分点春分点Slide 263 3、建立天球坐标系的两个问题、建立天球坐标系的两个问题u

12、实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此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春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动岁差、章动P14-15u岁差：岁差：由于对隆起部分的作用，周由于对隆起部分的作用，周期期2580025800年年u章动：章动：由于月球轨道和月地距离的由于月球轨道和月地距离的变化，周期变化，周期18.618.6年年Slide 274 4、三种天球坐标系、三种天球坐标系瞬

13、时真天极瞬时真天极瞬时平天极瞬时平天极一个特定时刻，即一个特定时刻，即标准历元：标准历元：2000.1.152000.1.15：的瞬时：的瞬时平天极平天极P15北黄极北黄极Slide 28三种天球坐标系三种天球坐标系u瞬时真天球坐标系瞬时真天球坐标系瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点坐标轴指向随时间变化坐标轴指向随时间变化u瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点经过了章动改正经过了章动改正u标准历元平天球坐标系标准历元平天球坐标系相应标准历元（相应标准历元（2000.1.152000

14、.1.15）的一个特定时刻的）的一个特定时刻的平天球坐标系平天球坐标系经过了标准历元到观测历元的岁差改正经过了标准历元到观测历元的岁差改正Slide 29二、地球坐标系二、地球坐标系空间技术和远程武器的发展，要求提供高精度的地心坐标空间技术和远程武器的发展，要求提供高精度的地心坐标Slide 301 1、地心坐标系的定义、地心坐标系的定义u地心空间直地心空间直角坐标系角坐标系u地心大地坐地心大地坐标系标系P12图图2-2和参心坐标系统的定义有何区别？和参心坐标系统的定义有何区别？Slide 312 2、建立地球坐标系的问题：极移、建立地球坐标系的问题：极移u极移极移地球自地球自转轴相对于地球转

15、轴相对于地球体的位置不是固体的位置不是固定的，因而地极定的，因而地极点在地球表面的点在地球表面的位置是随时间而位置是随时间而变化的，这种现变化的，这种现象称为极移。象称为极移。-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0Pole PositionX Pole (m)Y Pole (m)19932001P15瞬时北地极瞬时北地极1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置Slide 323 3、两种地球坐标系、两种地球坐标系地球坐标系地球坐标系原点原点Z Z轴轴X X轴轴瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系地心地心瞬时北地极瞬时北地极平地球坐标系平地球坐标系地心地

16、心协议地极原点协议地极原点（如1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置)与地心和与地心和CIOCIO连线正交之平面连线正交之平面和格林尼治平子午面的交线和格林尼治平子午面的交线瞬时真赤道面和包含瞬时自转瞬时真赤道面和包含瞬时自转轴的格林尼治平子午面的交线轴的格林尼治平子午面的交线协议地球坐协议地球坐标系？标系？P16Slide 33WGS-84WGS-84坐标系坐标系 World geodetic system u类型类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEFECEF）u定义定义: :原点：地球的质心原点：地球的质心 Z Z轴：指向轴：指向B

17、IH1984.0BIH1984.0定义的定义的CTPCTP（协议地球极）方向协议地球极）方向 X X轴：指向轴：指向BIH1984.0BIH1984.0的零子午面和的零子午面和CTPCTP赤道的交点赤道的交点 Y Y轴：和轴：和Z,XZ,X构成右手系构成右手系u椭球椭球（国际大地测量与地球物理联合会第（国际大地测量与地球物理联合会第1717届年会）届年会）235631/298.2572: 2m 6378137 :长半径f扁率P16Slide 34CGCS200020002000中国大地坐标系中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System (China Geod

18、etic Coordinate System 2000, CGCS2000),2000, CGCS2000),国人称之为国人称之为20002000国家大地坐标系。国家大地坐标系。CGCS2000CGCS2000为右手地固正交坐标系为右手地固正交坐标系, ,其原点和轴向的定义是其原点和轴向的定义是: :原原点在地球的质量中心点在地球的质量中心;Z;Z轴指向轴指向IERSIERS参考极参考极(IRP)(IRP)方向方向;X;X轴为轴为IERSIERS参考子午面参考子午面(IRM)(IRM)与通过原点且同与通过原点且同Z Z轴正交的赤道面的交轴正交的赤道面的交线线;Y;Y轴与轴与Z Z、X X轴构成

19、右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。CGCS2000CGCS2000通过通过20002000国家国家GPSGPS大地网的点在历元大地网的点在历元2000. 02000. 0的坐的坐标和速度具体体现。标和速度具体体现。20002000国家国家GPSGPS大地网由中国地壳运动观测大地网由中国地壳运动观测网络、全国网络、全国GPSGPS一、二级网一、二级网, ,国家国家GPSAGPSA、B B级网和地壳形变监测级网和地壳形变监测网等空间网网等空间网( (共共25182518点点) )经联合平差得到。经联合平差得到。Slide 35小结：天球坐标系与地球坐标系小结：天球坐标系与地球坐标系（1 1）原

20、点都位于）原点都位于_；（2 2）天球的）天球的_和地球的和地球的_重合；重合；（3 3）瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的）瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的_重合重合; ;（4 4）天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系X X轴分别指向轴分别指向_和和_；（5 5）瞬时天球坐标系和历元平天球坐标系之间的变）瞬时天球坐标系和历元平天球坐标系之间的变换可以通过换可以通过_和和_两次变换来实现。两次变换来实现。（6 6）瞬时地球坐标系和平地球坐标系的变换可以通）瞬时地球坐标系和平地球坐标系的变换可以通过过_变换来实现。变换来实现。Slide 36转换关系转换关系瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系

21、标准历元的标准历元的平天球坐标系平天球坐标系GAST旋转旋转瞬时天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系协议地球坐标系极移改正极移改正章动章动岁差岁差天球坐标系与地球坐标系的瞬时坐标系的天球坐标系与地球坐标系的瞬时坐标系的X轴夹角为轴夹角为春分点的格林尼治恒星时春分点的格林尼治恒星时GASTSlide 37例如：极移改正例如：极移改正瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系Slide 38第二节第二节 ：GPSGPS中的坐标系统中的坐标系统uWGS-84WGS-84坐标系坐标系u我国的国家大地坐标系我国的国家大地坐标系u 地方独立坐标系地方独立坐标系uIT

22、RFITRF坐标框架坐标框架u站心坐标系站心坐标系p16Slide 391、地方独立坐标系、地方独立坐标系u国家统一坐标系国家统一坐标系有利于统一互算有利于统一互算投影变形投影变形u地方独立坐标系地方独立坐标系以当地子午线为中央子午线以当地子午线为中央子午线以当地平均海拔高程面为参考椭球面以当地平均海拔高程面为参考椭球面SRySRHSRySHRHSSSmAmmmAm220222122地方参考椭地方参考椭球？球？平面控制网的坐标系统应当保证长度综合变形不超过平面控制网的坐标系统应当保证长度综合变形不超过2.5cm/km(相对变形为相对变形为1/40000)Slide 40如何确定地方参考椭球的参

23、数？如何确定地方参考椭球的参数？仅改变已知椭球的长半径仅改变已知椭球的长半径1 1）直接以投影面到椭球面距离）直接以投影面到椭球面距离 H H为为 长半长半径变化量径变化量2 2）以）以测区测区卯酉圈曲率半径的变化卯酉圈曲率半径的变化量量求长半求长半径变化量径变化量aaaa1XYZLBOPQhHBehBeahaNdNadaadaNdNhdN2222sin1)(sin1)(p18Slide 412 2、ITRFITRF国际地球参考框架国际地球参考框架uITRSITRS和和ITRFITRFITRS - International Terrestrial Reference SystemITRF -

24、 International Terrestrial Reference Frameu产生产生: :综合了综合了SLRSLR、VLBIVLBI、LLRLLR观测数据，得到观测站的观测数据，得到观测站的数据集，通过联合解算得到统一的数据集，定义出的一个数据集，通过联合解算得到统一的数据集，定义出的一个地心参考框架地心参考框架u实质实质: :地心地固系的具体体现地心地固系的具体体现uIERSIERS已经公布了已经公布了1010个版本的个版本的ITRFITRF，分别为：，分别为：ITRF88ITRF88、ITRF89ITRF89、ITRF90ITRF90、ITRF91ITRF91、ITRF92ITR

25、F92、ITRF93ITRF93、ITRF94ITRF94、ITRF96ITRF96、ITRF97ITRF97和和ITRF2000ITRF2000。p19Slide 423 3、站心坐标系、站心坐标系站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系p12天顶天顶东东北北Slide 43第三节第三节 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换区分区分u坐标变换坐标变换在相同的基准之上，在相同的基准之上，不同坐标系表示形式之间进行变换不同坐标系表示形式之间进行变换u坐标转换坐标转换在不同的参考基准间在不同的参考基准间进行变换（基准的转换）进行变换（基准的转换）p19Slide 4

26、4一、坐标系的变换一、坐标系的变换u空间大地坐标系空间大地坐标系空间直角坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标系空间直角坐标系空间大地坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系空间大地坐标系高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 Slide 451 1、( (B L H)B L H)(X Y Z)(X Y Z)该点卯酉圈曲率半径（其中：),sine-1/coscos)1 (sincos)(coscos)(22BaNLBHeNZLBHNYLBHNX需要哪些参数？需要哪些参数？Slide 462 2、( (X Y Z)X Y Z)(B L H)(B L H)1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tan

27、BeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH其中：需要哪些参数？需要哪些参数？Slide 473 3、(B L)(B L)(x y)(x y) 2cos)tantan185(cos120)tan1 (cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBNBBNSx弧长该点到赤道的子午线线的经差该点经度到中央子午其中：高斯投影的计算公式：高斯投影的计算公式：需要哪些参数？需要哪些参数？Slide 48思考思考v 校园测图成果能够直接转换成大地坐标？校园测图成果能够直接转换成大地坐标？v 校园测图成果能够直接

28、转换成空间直角坐标？校园测图成果能够直接转换成空间直角坐标？Slide 49* *坐标变换的实质坐标变换的实质同一个基准同一个基准Slide 50* *坐标转换的实质坐标转换的实质不同的基准不同的基准XYZXYZSlide 51* *坐标转换要解决的问题坐标转换要解决的问题 BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2Slide 52* *坐标转换的流程图坐标转换的流程图 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2坐标变换坐标变换坐标变换坐标变换七参数七参数Slide

29、53* *七参数模型？七参数模型？ OB ZB XB YB OA YA ZA XA wx wY wZ C XCA XCB X0 BBBZBYBXBBBuZYXOZYXOuZYXOOZYX11,2222111122221000的尺度为，的尺度为尺度参数，设欧拉角三个旋转参数，三个在三个平移参数，Slide 54*七参数模型七参数模型P20，公式公式 2-20IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1 (0001000cossin0sincos)(,cos0sin010sin0cos)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYY

30、YYYYXXXXXXRRRSlide 55*大地测量中的七参数模型大地测量中的七参数模型000100010001)(111)()()()(, 1cos,sin,BXBYBXBZBYBZBXBYBXBZBYBZBZZBYYBXXBZBYBXQIRRRR忽略互乘项则：通常为三个微小量，在大地测量中，IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1 (000P20，公式公式 2-21Slide 56*应用七参数模型的关键：转换参数应用七参数模型的关键：转换参数 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,

31、Y,Z)1 (X,Y,Z)2坐标变换坐标变换坐标变换坐标变换七参数七参数Slide 57思考：思考：uGPSGPS的定位原理是空间的后方交会，卫星作为坐标已的定位原理是空间的后方交会，卫星作为坐标已知的控制点，但是在做知的控制点，但是在做GPSGPS控制网时，通常的要求网控制网时，通常的要求网中包含中包含3 3个以上的地方坐标已知的控制点，为什么？个以上的地方坐标已知的控制点，为什么？u如果不知道如果不知道两坐标系的转两坐标系的转换参数，而是换参数，而是知道部分点在知道部分点在两个坐标系的两个坐标系的坐标，称坐标，称公共公共点点Slide 58* *求转换参数的模型求转换参数的模型ZYXBuB

32、BBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001P20，公式公式 2-22IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1 (000Slide 59* *转换参数的求解方法转换参数的求解方法三点法三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时，可用三个点的三个公共点时，可用三个点的9 9个坐标，列出个坐标，列出9 9个方程，取其中的个方程，取其中的7 7个方程求解个方程求解多点法多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程程ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001Slide 60关于坐标转换的常见问题关于坐标转换的常见问题北京地区进行wgs-84坐标系测量成果到北京54坐标系的转换，使用的转换参数和武汉的测量成果的转换参数是一样的吗？如果进行bj54