大地坐标系建立和坐标换算基础市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第四章 大地坐标系建立及坐标换算基础 18 椭球定位和定向概念 椭球定位是指确定椭球中心位置，可分为两类：局部定位和地心定位。局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最正确符合，而对椭球中心位置无特殊要求；地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最正确符合，同时要求椭球中心与地球质心一致或最为靠近。 第1页第2页19 坐标系统类型 以参考椭球为基准坐标系，叫做参心坐标系；以总地球椭球为基准坐标系，叫做地心坐标系。与地球体固连在一起且与地球同时运动，以地心为原点坐标系则称为地心地固坐标系另一类是空间固定坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球运行位置和状

2、态。第3页第4页20 地球参心坐标系第5页第6页第7页第8页第9页第10页第11页20.2 大地原点和大地起算数据大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数和大地原点上起算数据确实立作为一个参心大地坐标系建成标志 第12页20.3 1954年北京坐标系 1954年北京坐标系能够认为是前苏联1942年坐标系延伸。它原点不在北京，而在前苏联普尔科沃。对应椭球为克拉索夫斯基椭球。 椭球参数有较大误差。 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东显著系统性倾斜，在东部地域大地水准面差距最大达+68m。 第13页54年北京坐标系大地水准面 第14页第15页20.4 1980年国家大地坐标系 1980

3、年国家大地坐标系特点是： 采取1975年国际大地测量与地球物理联合会 (IUGG) 第16届大会上推荐4个椭球基本参数.地球椭球长半径 a=6 378 140 m ，地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2 =1.082 6310-8,地球自转角速度 =7.292 11510-5 rad/s 。第16页第17页八年坐标系大地水准面第18页该坐标系建立后，实施了全国天文大地网平差。平差后提供大地点结果属于1980年西安坐标系，它和原1954年北京坐标系结果是不一样。这个差异除了因为它们各属不一样椭球与不一样椭球定位、定向外，还因为前者是经过整体平差，

4、而后者只是作了局部平差。不一样坐标系统控制点坐标能够经过一定数学模型，在一定精度范围内进行相互转换，使用时必须注意所用结果对应坐标系统。 第19页20.5 新1954年北京坐标系(BJ54新) 新1954年北京坐标系，是在GDZ80基础上，改变GDZ80相对应IUGG1975椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点(椭球中心)平移，使坐标轴保持平行而建立起来。第20页第21页第22页第23页第24页第25页地心地固大地坐标系定义是：地球椭球中心与地球质心重合，椭球面与大地水准面在全球范围内最正确符合，椭球短轴与地球自转轴重合(过地球质心并指向北极) 第26页地球自转轴相对地球体位置并不

5、是固定，地极点在地球表面上位置是随时间而改变，这种现象称为地极移动，简称极移。某一观察瞬间地球北极所在位置称为瞬时极，某段时间内地极平均位置称为平极。 21.1 极移与国际协议原点 第27页国际天文联合会(IAU)和国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)在1967年于意大利共同召开第32次讨论会上，提议采取国际上5个纬度服务(ILS)站以190019平均纬度所确定平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO，它相对于190019平均历元1903.0。另外国际极移服务(IPMS)和国际时间局(BIH)等机构分别用不一样方法得到地极原点，与CIO对应地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。 第28页极

6、移因为地球内部物质运动以及地球与其它天体相互作用都真实存在，地球自转轴在地球内部也在不停运动，所以地球极点在地表位置随时间而改变，这种现象称为极移（Polar Displacement）。 第29页第30页19001998年极移 第31页以协议地极CIP(Conventional Terrestrial Pole)为指向点地球坐标系称为协议地球坐标系CTS(Conventional Terrestrial System)，而以瞬时极为指向点地球坐标系称为瞬时地球坐标系。在大地测量中采取地心地固坐标系大多采取协议地极原点CIO为指向点，因而也是协议地球坐标系，普通情况下协议地球坐标系和地心地固坐

7、标系代表相同含义。 21.2 协议地球坐标系第32页建立地心坐标系方法可分为直接法和间接法两类。所谓直接法，就是经过一定观察资料(如天文、重力资料、卫星观察资料等)，直接求得点地心坐标方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。所谓间接法，就是经过一定资料(其中包含地心系统和参心系统资料)，求得地心坐标系和参心坐标系之间转换参数，而后按其转换参数和参心坐标，间接求得点地心坐标方法 21.3 地心地固坐标系建立方法第33页20世纪60年代以来，美国和原苏联等国家利用卫星观察等资料，开展了建立地心坐标系工作。美国国防部曾先后建立过世界大地坐标系(World Geodetic System，简称为WG

8、S)WGS-60，WGS-66和WGS-72，并于1984年开始，经过多年修正和完善，建立起更为准确地心坐标系统，称为WGS-84。 第34页21.4 WGS-84世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS。该坐标系原点是地球质心， Z 轴指向BIH1984.0定义协议地球极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道交点， Y轴和Z、X 轴组成右手坐标系 第35页第36页第37页第38页21.5 国际地球参考系统(ITRS) 与国际地球参考框架(ITRF) 第39页第40页第41页第42页第43页第44页第45页21.5.2 国际地球参考系统(ITRS)ITRS是一

9、个协议地球参考系统，它定义为： 原点为地心，而且是指包含海洋和大气在内整个地球质心； 长度单位为米(m)，而且是在广义相对论框架下定义； Z 轴从地心指向BIH1984.0定义协议地球极(CTP)；第46页 X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道交点； Y轴与XOZ 平面垂直而组成右手坐标系； 时间演变基准是使用满足无整体旋转NNR条件板块运动模型，来描述地球各块体随时间改变。ITRS建立和维持是由IERS全球观察网，以及观察数据经综合分析后得到站坐标和速度场来详细实现，即国际地球参考框架ITRF。第47页21.5.3 国际地球参考框架(ITRF) ITRF是ITRS详细实现，是经过I

10、ERS分布于全球跟踪站坐标和速度场来维持并提供用户使用。IERS每年将全球站观察数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录形式公布。 第48页ITRF STATION POSITIONS（m) AT EPOCH 1997.0 AND VELOCITIES(m/y) BJFS -2148743.784 4426641.236 4044655.935 -.0444 .0141 -.0013WUHN -2267749.162 5009154.325 3221290.762 -.0325 -.0077 -.0119第49页TRANSFORMATION PARAM

11、ETERS AND THEIR RATES FROM ITRF TO PREVIOUS FRAMESSOLUTION T1 T2 T3 D R1 R2 R3 EPOCH Ref. UNITS- cm cm cm ppb .001 .001 .001 IERS Tech. . . . . . . . Note # RATES T1 T2 T3 D R1 R2 R3UNITS- cm/y cm/y cm/y ppb/y .001/y .001/y .001/y- ITRF97 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 27 rates 0.00 -0.0

12、6 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF96 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 24 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF94 0.67 0.61 -1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 20 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 第50页 ITRF93 1.27 0.65 -2.09 1.95 -0.39 0.80 -1.14 1988.0 18 rates -0.29 -0.02 -0

13、.06 0.01 -0.11 -0.19 0.07 ITRF92 1.47 1.35 -1.39 0.75 0.00 0.00 -0.18 1988.0 15 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF91 2.67 2.75 -1.99 2.15 0.00 0.00 -0.18 1988.0 12 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF90 2.47 2.35 -3.59 2.45 0.00 0.00 -0.18 1988.0 9 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01

14、 0.00 0.00 0.02 ITRF89 2.97 4.75 -7.39 5.85 0.00 0.00 -0.18 1988.0 6 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF88 2.47 1.15 -9.79 8.95 0.10 0.00 -0.18 1988.0 rates 0.00 -0.06 -0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 第51页Very Long Baseline Interferometry 第52页第53页DORIS is a Doppler satellite tracking system dev

15、elopped for precise orbit determination and precise ground location。It is onboard the Jason-1 and ENVISAT altimetric satellites and the remote sensing satellites SPOT-2, SPOT-4 and SPOT-5. It also flew with SPOT-3 and TOPEX/POSEIDON 第54页第55页第56页第57页第58页九峰第59页第60页22 站心坐标系 第61页22.1 垂线站心直角坐标系 第62页第63页第64页第65页第66页第67页第68页第69页22.2 法线站心直角坐标系 第70页第71页23 坐标系换算 23.1 欧勒角与旋转矩阵 两个直角坐标系进行相互变换旋转角称为欧勒角 对于二维直角坐标系 第72页第73页第74页第75页第76页23.2 不一样空间直角坐标系转换布尔莎公式 第77页第78页第79页第80页因为公共点坐标存在误差，求得转换参数将受其影响，公共点坐标误差对转换参数影响与点位几何分布及点数多少相关，因而为了求得很好转换参数，应