第二章GPS定位的坐标系统及时间系统

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阳泉职业技术学院阳泉职业技术学院薛迎春薛迎春Slide 2OUTLINEOUTLINEu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:36.067901o N94.171071o WSlide 3第一节第一节 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Sli

2、de 41 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？Slide 5参考椭球面和参心坐标系参考椭球面和参心坐标系大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面参考椭球Slide 62、参心坐标系的特点参心坐标系的特点Slide 7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

3、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 83、平面直角坐标系的建立、平面直角坐标系的建立Slide 9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

4、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 10经典大地测量中的坐标系统经典大地测量中的坐标系统v定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？v建立参心坐标系的出发点是什么？建立参心坐标系的出发点是什么？v建立一个参心大地坐标系，必须解决那些问题？建立一个参心大地坐标系，必须解决那些问题？Slide 11第二节第二节 卫星定位中的坐标系卫星定位中的坐标系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

5、述地球上的点的位置地球坐标系地球坐标系Slide 12一、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 131 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 14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

6、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Slide 152 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天球球面坐标系天球球面坐标系 ( (赤经，赤纬，向径赤经，赤纬，向径) )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)p11Slide 163 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

7、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、15Slide 174 4、三种天球坐标系、三种天球坐标系瞬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P15Slide 18三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

8、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标准历元的平天球坐标系标准历元的平天球坐标系相应标准历元（相应标准历元（2000.1.152000.1.15）的一个特定时刻的平天球）的一个特定时刻的平天球坐标系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 19二、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

9、高精度的地心坐标Slide 201 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思考：和参心坐标系统的定义有何区别？思考：和参心坐标系统的定义有何区别？Slide 212 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。-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0Po

10、le 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 223 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连线正交之平面和连线正交之平面和格林尼治平子午面的交线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

11、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 23WGS-84WGS-84坐标系坐标系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BIH1984.0BIH1984.0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

12、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 24小结：小结：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uITRFITRF坐标框架坐标框架u站心坐标系站心坐标系p16Slide 251、地方独立坐标系、地方独立坐标系u产生：高斯投影产生：高斯投影3 3度带、六度带度带、六度带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

13、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？Slide 26为什么讨论地方参考椭球？为什么讨论地方参考椭球？1 1、为什么、为什么GPSGPS控制网控制网要选择地方参考椭球要选择地方参考椭球参数？而常规控制网计算时只强调投影面？参数？而常规控制网计算时只强调投影面？Slide 27如何确定地方参考椭球的参数？如何确定地方参考椭球的参数？1 1、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

14、化量2 2）由测区平均曲率半径的变动量求长半径）由测区平均曲率半径的变动量求长半径3 3）以）以测区卯酉圈曲率半径的变化测区卯酉圈曲率半径的变化量求长半量求长半径变化量径变化量2 2、仅改变椭球中心位置，并不改、仅改变椭球中心位置，并不改变定向及元素变定向及元素3 3、改变长半径及偏心率、改变长半径及偏心率, ,不改变椭不改变椭球定位和定向球定位和定向aaaa1XYZLBOPQhHBehBeahaNdNadaadaNdNhdN2222sin1)(sin1)(p18Slide 282 2、ITRFITRF参考框架参考框架uInternational Terrestrial Reference F

15、rameu产生产生: :综合了综合了SLRSLR、VLBIVLBI、LLRLLR观测数据，得到观测观测数据，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，定义出的一个地心参考框架义出的一个地心参考框架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p19Slide 293 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p12Slide 30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不同坐标系表示形在不同坐标系表示形式之间进行变换式之间进行变换u坐标转换

16、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 31一、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 321 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 332 2、(

17、 (X Y Z)X Y Z)(B L H)(B L H)1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tanBeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH其中：需要哪些参数？需要哪些参数？Slide 343 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 35

18、二、坐标转换的基本方法二、坐标转换的基本方法XYZXYZ BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2Slide 36空间直角坐标系的转换空间直角坐标系的转换Slide 37布尔沙模型布尔沙模型IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1 (000BBBZBYBXBBBuZYXOZYXOuZYXOOZYX11,2222111122221000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，1000cossin0sincos)(,cos0sin010sin0c

19、os)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYYYYYYXXXXXXRRRP20，公式公式 2-20Slide 38布尔沙模型布尔沙模型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 392 2、转换参数的计算、转换参数的计算u如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道

20、部分点如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两组坐标求得转换参数组坐标求得转换参数Slide 40求转换参数的模型求转换参数的模型IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1 (000ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX000010000100001P20，公式公式 2-22Slide 41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

21、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 42三、三、WGS-84WGS-84坐标系坐标系我国国家坐标系我国国家坐标系

22、BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2Slide 43转换中的参数设置转换中的参数设置（B L H）WGS-84（X Y Z）WGS-84（X Y Z）BJ54/STATE80（B L H）BJ54/STATE80（x y）高斯平面高斯平面提供转换参数提供转换参数七参数七参数椭球参数椭球参数椭球参数椭球参数投影参数投影参数三个平移三个平移椭球参数差椭球参数差（化简）（化简）长半轴之差：长半轴之差： -108扁率之差：扁率之差： +0.00480795原点平移参数：原点平移参数： +15 -150 -90Slide 44第四节第

23、四节 时间系统时间系统u时间系统时间系统u常用的时间系统常用的时间系统uGPS时间系统时间系统u时间系统间的转换时间系统间的转换Slide 45意义：意义：u卫星的位置误差卫星的位置误差1cm，要求相应的时要求相应的时刻误差应小于刻误差应小于2.6x10-6秒；秒；u测距误差测距误差1cm，要求信号传播时间的要求信号传播时间的测量误差，应不超过测量误差，应不超过3x10-11秒；秒；Slide 46一、时间系统一、时间系统u时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间：包含时刻和时间间隔两种意义u时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度（单位）和原点（起始历元），一

24、般来说任（单位）和原点（起始历元），一般来说任何一个可观测的周期运动现象，只要满足：何一个可观测的周期运动现象，只要满足：连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准Slide 47二、常用的时间系统二、常用的时间系统u世界上现在通用的世界上现在通用的时间系统时间系统时什么？时什么？时间的单位尺度时间的单位尺度不同；不同；度量时间的时钟度量时间的时钟不同不同Slide 48常用的几类时间系统常用的几类时间系统u恒星时和太阳时恒星时和太阳时u历书时历书时u原子时原子时地球的周地球的周期性自转期性自转地球的周地球的周期性公转期性公转原子核外电子能原子核外电子能级跃迁

25、时辐射的级跃迁时辐射的电磁波的频率电磁波的频率Slide 491 1、世界时系统、世界时系统世界时系统世界时系统恒星时恒星时春分点春分点太阳时太阳时太阳太阳根据天体的周日视运根据天体的周日视运动反映地球的自转；动反映地球的自转；810稳定性：平太阳时平太阳时平太阳平太阳Slide 50恒星时恒星时v恒星时选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。参照于遥远星体的地球自转周期参考点：一个天体或天球上某个特殊点测站点子午圈参考点连续两次经过测站点子午圈的时间段Slide 51太阳时太阳时参照于太阳的地球自转周期v太阳时选取太阳作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时

26、间计量系统。Slide 52平太阳时平太阳时v太阳时的问题太阳时的问题真太阳的周日视运动不均匀，并真太阳的周日视运动不均匀，并不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差可相差51秒；秒；v平太阳平太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。周年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。v平太阳时平太阳时以平太阳的周日视运动为基础建立的以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。时间系统。Slide 53世界时世界时UTUT世界时世界时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时以平子

27、夜为零时的格林尼治平太阳时UTUT极移改正极移改正UT1UT1地球自转地球自转速度改正速度改正UT2UT2v长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；v季节性变化：大气层中的气团岁季节变化；v不规则变化：地球内部的物质运动；Slide 542 2、原子时、原子时ATIATIv原子时秒长原子时秒长位于海平面的铯位于海平面的铯133133原子基态两原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡91926317709192631770周所持续的时间，为一原子时秒。周所持续的时间，为一原子时秒。v国际原子时国际原子时国际上约国际上约100100座原子钟，通过相座原子钟，

28、通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。1310稳定性：Slide 55原子时原子时v原子时原点原子时原点UT2UT2(1958.1.1.0)(1958.1.1.0)-0.0039s-0.0039sUT2IAT1958.0t(地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒)Slide 563 3、协调世界时、协调世界时UTCUTCv协调世界时协调世界时从从19721972年开始，国际上开始使用一年开始，国际上开始使用一种以种以原子时原子时秒长为基准，时刻上接近秒长为基准，时刻上接近世界时世界时的折衷的的折衷的时间系统。时间系统。秒长稳定广泛应用于天体测量，大地测量，研究地球自转速度Slide 57协调世界时协调世界时tUT11972.0UTC1958.0IATv闰秒当协调时和世界时相差超过正负0.9秒时，便在协调时上加入一个闰秒（跳