GPS测量原理及应用第二章

1、 概述： 1点的位置是用坐标来表示的，通过坐标系统得以实现。 2目前有两种不同的坐标系统：地球坐标系和天球坐标系。 3定义一个空间直角坐标系必须明确：原点位置；坐标轴方向；长度单位。 1.天球的基本概念： 天球、天极、天球赤道、天球子午圈、时圈、黄道、黄赤交角、春分点、黄极、岁差与章动 2.天球坐标系的建立 1）天球空间直角坐标系 2）天球球面坐标系天球基本概念（天球基本概念（1）天球基本概念（天球基本概念（2）天球基本概念（天球基本概念（3）天球基本概念（天球基本概念（4）1.1.天球空间直角坐标系：天球空间直角坐标系：原点位于地球质心原点位于地球质心M M，Z Z轴指向天球北极轴指向天球北

2、极PnPn，X X轴轴指向春分点指向春分点 ，Y Y轴与轴与Z Z、X X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。2.2.天球球面坐标系：原天球球面坐标系：原点位于地球质心点位于地球质心M M，赤经，赤经 为过春分点的天球子为过春分点的天球子午面之间的夹角，赤纬午面之间的夹角，赤纬为原点为原点M M和天体和天体S S的连线的连线与天球赤道面之间的夹与天球赤道面之间的夹角，向径长度角，向径长度r r为原点为原点M M至天体至天体S S之间的距离。之间的距离。G GP PS S坐坐标标系系地球坐标系地球坐标系天球坐标系天球坐标系参心坐标系参心坐标系地心坐标系地心坐标系天球空间直角坐标系天球空间直角坐标

3、系天球球面坐标系天球球面坐标系二、地球坐标系1 1参心坐标系参心坐标系 建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题：题：(1)(1)确定椭球的形状和大小；确定椭球的形状和大小；(2)(2)确定椭球中确定椭球中心的位置，简称定位；心的位置，简称定位；(3)(3)确定椭球中心为原点的确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；(4)(4)确确定大地原点。定大地原点。 我国几种常用参心坐标系：我国几种常用参心坐标系： BJZ54、GDZ80 2 2地心坐标系地心坐标系 地心坐标系分为地心空间大地直角坐标系地心坐标

4、系分为地心空间大地直角坐标系和地心大地坐标系等。地心空间大地直角坐标和地心大地坐标系等。地心空间大地直角坐标系又可分为地心空间大地平面直角坐标系和空系又可分为地心空间大地平面直角坐标系和空间大地舜时直角坐标系。间大地舜时直角坐标系。 1 1）建立地心坐标系的意义：）建立地心坐标系的意义： 2 2）建立地心坐标系的最理想方法是采用空）建立地心坐标系的最理想方法是采用空间大地测量的方法。间大地测量的方法。 3 3）地心坐标系的表述形式）地心坐标系的表述形式 地心坐标系的表述形式地心坐标系的表述形式地心直角坐标系的定义地心直角坐标系的定义：原点：原点O与地球质心重合；与地球质心重合；Z轴指向国际协议

5、原点轴指向国际协议原点CIO，X轴指向轴指向1968BIH定义定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道的赤道交点交点E，Y轴垂直于轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系，点平面构成右手坐标系，点的坐标分别用的坐标分别用XD、YD、ZD表示。表示。 地心大地坐标系的定义地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球质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，大地纬度心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度地经度L为过地面点的椭球子午面与为过地面点的椭球

6、子午面与BIH定义的起始定义的起始大地子午面之间的夹角，大地高大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。面法线至椭球面的距离。 WGS84WGS84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系1 1、WGS一一84大地坐标系大地坐标系 WGS-84坐标系统的全称是坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系（世界大地坐标系-84），），它是一个地心地固坐标系统。它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系坐标系统由美国国防部制图局建立，于统由美国国防部制图局建立，于1987年取代年取代了当时了当时GPS所采用的坐标系统所

7、采用的坐标系统WGS-72坐标坐标系统而成为系统而成为GPS的所使用的坐标系统。的所使用的坐标系统。 WGS84WGS84坐标系坐标系 WGS一一84坐标系的几何定义是：坐标坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，系的原点是地球的质心，Z轴指向轴指向BIHl9840定义的协议地球极定义的协议地球极(CTP)方向，方向，X轴指向轴指向BIHl9840的零度子午面和的零度子午面和CTP赤赤道的交点，道的交点，y轴和轴和Z Z、X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。如图所示。如图所示。 WGS84WGS84坐标图坐标图2、国家大地坐标系、国家大地坐标系1954年北京坐标系年北京坐标系1980年

8、国家大地坐标系年国家大地坐标系2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000 简称简称CGCS2000） 中国自中国自2008年年7月月1日起启用日起启用2000国家大地国家大地坐标系。坐标系。 CGCS2000定义：是右手地固直角坐定义：是右手地固直角坐标系。原点在地心，标系。原点在地心，Z轴为国际地球旋转局轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（）参考极（IRP）方向，）方向，X轴为轴为IERS的的参考子午面（参考子午面（IRM）与垂直于）与垂直于Z轴的赤道面的交轴的赤道面的交线，线，Y轴轴Z轴和轴和X轴构成右手正交坐标系。

9、轴构成右手正交坐标系。3、地方独立坐标系、地方独立坐标系4、ITRF坐标框架坐标框架5、PZ90坐标系坐标系 GLONASS卫星导航系统采用卫星导航系统采用PZ-90坐标系。坐标系。PZ-90(俄语：俄语：Parametry Zelmy，翻译成英语为：，翻译成英语为：ParameteroftheEarth)坐标系是俄罗斯进行地面坐标系是俄罗斯进行地面网与空间网联合攻关平差后建立的。有时也称为网与空间网联合攻关平差后建立的。有时也称为PE-90。PZ-90PZ-90坐标系定义坐标系定义 坐标原点位于地球质心；坐标原点位于地球质心；Z轴指向轴指向IERS推荐的协议地极原点推荐的协议地极原点(Con

10、ventionalTerrestrialPole)，即，即19001905年的平年的平均北极，均北极，X轴指向地球赤道与轴指向地球赤道与BIH定义的零定义的零子午线的交点，子午线的交点，y轴满足右手坐标系。由该轴满足右手坐标系。由该定义知，定义知，PZ-90与国际地球参考框架与国际地球参考框架ITRF是一致的。是一致的。 虽然虽然WGS-84与与PZ-90的定义基本一致，的定义基本一致，但由于存在测轨跟踪站站址坐标误差和测量但由于存在测轨跟踪站站址坐标误差和测量误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存在一定的差距。实际上，在一定的差距。实际上，PZ-90、W

11、GS-84或或ITRF两两之间都有差异。两两之间都有差异。PZ-90与与WGS-84在地球表面的坐标差异可达在地球表面的坐标差异可达20 m，而，而WGS-84与与ITRF差异很小，在差异很小，在10cm以内。以内。可以认为是等同的。可以认为是等同的。小小 测测 验验1下列坐标系统哪些使用的是地心坐标系（下列坐标系统哪些使用的是地心坐标系（ ）。）。A A、GDZ/80 BGDZ/80 B、BJZ54 CBJZ54 C、WGS-84 DWGS-84 D、BJZ54BJZ54（原）（原） 概述：概述：1坐标转换的几种形式：坐标转换的几种形式： 空间直角坐标系之间的转换；大地坐空间直角坐标系之间的

12、转换；大地坐标系之间的转换；空间直角坐标系与大地标系之间的转换；空间直角坐标系与大地坐标系之间的转换。坐标系之间的转换。2 研究坐标转换模型的作用研究坐标转换模型的作用 1）合理确定两种坐标系的转换参数，）合理确定两种坐标系的转换参数，实现两种坐标系的转换；实现两种坐标系的转换； 2）利用卫星测量建立地面控制网；）利用卫星测量建立地面控制网； 3）利用卫星测量成果加强和改善地面）利用卫星测量成果加强和改善地面控制网；控制网； 4）利用卫星测量分析和研究地面网的）利用卫星测量分析和研究地面网的系统误差。系统误差。3 为什么要进行转换为什么要进行转换 实现坐标系统的统一。实现坐标系统的统一。4几种

13、不同的坐标系统转换模型几种不同的坐标系统转换模型 布尔沙（布尔沙（Bursa）模型）模型 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型 武测模型（范士公式）武测模型（范士公式）一、不同空间直角坐标系的转换一、不同空间直角坐标系的转换 七参数：原点要实施三个平移参数，三个坐标七参数：原点要实施三个平移参数，三个坐标轴旋转参数，一个尺度变换参数，共七个参数。轴旋转参数，一个尺度变换参数，共七个参数。（一）布尔沙（一）布尔沙（BursaBursa）模型）模型前提条件：前提条件： 设有两个空间直角坐标系，设有两个空间直角坐标系，O1-x1y1z1和和O2-x2y2z2，这两个坐标系的原点，这两个坐标系的原点O1和和O

14、2 不重合，不重合，且坐标轴也互不平行，对应的坐标之间存在着且坐标轴也互不平行，对应的坐标之间存在着3个旋转角（欧拉角），两坐标系的尺度也不一个旋转角（欧拉角），两坐标系的尺度也不一致，设致，设O1-x1y1z1的尺度为的尺度为1，而设而设O2-x2y2z2的尺度为的尺度为 B=1+B，尺度变化，尺度变化B和两坐标系间的欧拉角为和两坐标系间的欧拉角为BxByBz再加上再加上O1在在O2-x2y2z2中的坐标为中的坐标为BX0BY0BZ0两坐标系之间的转换参数，其中两坐标系之间的转换参数，其中 为平移参数，为平移参数， 为旋转参数，为旋转参数， B为尺度参数。为尺度参数。BX0BY0BZ0BxB

15、yBz根据布尔沙（根据布尔沙（Bursa）模型）模型 IiIiIiBZBYBXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRZYXZYX3210001其中：其中：xxxxBXRcossin0sincos00011yyyyByRcos0sin010sin0cos21000cossin0sincos3zzzzBzR布尔沙模型：布尔沙模型：IiIiIiBIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXQZYXZYXZYX1000000XYXZYZBQ式中：式中：（二）莫洛金斯基模型（二）莫洛金斯基模型IkIiIkIiIkIiMIkIiIkIiIkIiMIiIiIiMMMIIiIIiIIiZZYYXXQZZYYX

16、XZYXZYXZYX000式中：式中：000XYXZYZMQ（三）武测模型（三）武测模型 IkIiIkIiIkIiWWIkIkIkWBBBIIiIIiIIiZZYYXXRZYXRZYXZYX1000三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，而平移参数具有下列关系：而平移参数具有下列关系： 000000MBIIkkMBIIkkMBIIkkXXXXYYYQYZZZZ000000WBIkWBIkWBIkXXXYYYZZZ2-42-4时间系统时间系统 时间是量度事物发展过程久暂的标准，是物时间是量度事物发展过程久暂的标准，是物质存在和运动的客观形式。任何事物的发生、发

17、质存在和运动的客观形式。任何事物的发生、发展和结束及物质的运动，除了用空间形式描述外，展和结束及物质的运动，除了用空间形式描述外，还需用时间形式来描述，定位用卫星的在轨运动还需用时间形式来描述，定位用卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间，同样在量经纬度和方位角要用到时间，同样在GPS导航导航和定位中也要用到时间。和定位中也要用到时间。 时间分时间分恒星时和太阳时恒星时和太阳时两大时间系统。利用两大时间系统。利用春分点的春分点

18、的周时视周时视运动周期来量度地球自转周期而运动周期来量度地球自转周期而建立的，以恒星日为时间单位的时间系统称为建立的，以恒星日为时间单位的时间系统称为恒恒星时系统星时系统；以太阳的；以太阳的周日视周日视运动周期来量度地球运动周期来量度地球自转周期而建立的，以太阳日为单位的时间系统自转周期而建立的，以太阳日为单位的时间系统为为太阳时系统太阳时系统。太阳时又分为。太阳时又分为真太阳时真太阳时和和平太阳平太阳时时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。统。 时间的计算方法随

19、用途的不同而有所不同。时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平年、闰年、大月、小月之分，但日常的计时有平年、闰年、大月、小月之分，但在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，这种计算方法称为这种计算方法称为儒略日儒略日(JD)记日法记日法。儒略日是。儒略日是从公元前从公元前4713年年1月月1日格林尼治平午正开始，日格林尼治平午正开始，连续以日累计，需用时可从连续以日累计，需用时可从中国天文年历中国天文年历的的“儒略日儒略日”附表中查取。附表中查取。

20、原子时原子时(TAI)(TAI) 1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时原子时。原子时秒比由地球运转所确定的秒长稳定，且精度达到10-13S。（原子时的秒长被定原子时的秒长被定义为铯原子义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡辐射振荡9192631170周所持续的时间。原子时的周所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取为起点，按国际协定取为1958年年1月月1日日0时时0秒秒（UT2） 计量原子时的时钟称为原子钟，常用的计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟三种，国有铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟三种，国际上是以铯原子钟为基准的。原子钟的计时际上是以铯原子钟为基准的。原子钟的计时精度满足了一些高精度时间部门的需要，特精度满足了一些高精度时间部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上现在都配置了原子钟。卫星上现在都配置了原子钟。 GPS时间系统简称为时间系统简称为GPS时，是以原子频率时，是以原子频率标准为基准，由主控站按照美国海军天文台标准为基