GPS定位的坐标系统及时间系统

第二章

坐标系统与时间系统

Slide2OUTLINE?常规大地测量中的坐标系统

?卫星大地测量中的坐标系统

?GPS常用的坐标系统

?坐标系统之间的转换

?时间系统

YourLocationis:36.067901oN94.171071oWSlide3第一节

经典大地测量中的坐标系统

常见的坐标系统

?空间直角坐标系

?大地坐标系

?平面直角坐标系

Slide41、复习

建立测量坐标系的基准面是什么？

Slide5参考椭球面和参心坐标系

大地水准面

海洋

陆地

地球表面

?参考椭球面

参考椭球

Slide62、参心坐标系的特点

Slide7我国的大地坐标系

?1954年北京坐标系

类型：参心坐标系

建立：与苏联1942年普尔科沃坐标系联测

椭球：克拉索夫斯基椭球

问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好

?1980年国家大地坐标系

类型：参心坐标系

建立：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

大地原点：陕西省泾阳县永乐镇

椭球：1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会

NO1GEOIDNO2P17Slide83、平面直角坐标系的建立

Slide9高斯平面直角坐标定义

?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

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

6度带

3度带

Slide10经典大地测量中的坐标系统

?定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？

?建立参心坐标系的出发点是什么？

?建立一个参心大地坐标系，必须解决那些问题？

Slide11第二节

卫星定位中的坐标系

?描述卫星的位置——天球坐标系

?描述地球上的点的位置——地球坐标系

Slide12一、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。

Slide131、天球

天轴:地球自转轴的延伸线

?天极:天轴与天球的交点

?天球赤道面：通过地球质心，与天轴垂直的平面

?天球子午面：包含天轴,并通过天球上任何一点的平面

Slide14黄道和春分点

?黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的轨道

?春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时黄道与天球赤道的交点

Slide152、天球坐标系的两种表示方法

?天球球面坐标系

(赤经，赤纬，向径)?天球空间直角坐标系

(X,Y,Z)p11Slide163、建立天球坐标系的两个问题

?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——岁差、章动

P14、15Slide174、三种天球坐标系

瞬时真天极

瞬时平天极

一个特定时刻，即标准历元：2000.1.15：的瞬时平天极

P15Slide18三种天球坐标系

?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

——〉坐标轴指向随时间变化

?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

——〉经过了章动改正

?标准历元的平天球坐标系

——〉相应标准历元（2000.1.15）的一个特定时刻的平天球坐标系

——〉经过了标准历元到观测历元的岁差改正

Slide19二、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

Slide201、地心坐标系的定义

?地心空间直角坐标系

?地心大地坐标系

P12图2-2思考：和参心坐标系统的定义有何区别？

Slide212、建立地球坐标系的问题：极移

?极移——地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，因而地极点在地球表面的位置是随时间而变化的，这种现象称为极移。

-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0PolePositionX

Pole

(m)YPole(m)19932001P15瞬时北地极

1900.00~1905.00年地球自转轴

的瞬时平均位置

Slide223、两种地球坐标系

地球坐标系

原点

Z轴

X轴

瞬时地球坐标系

地心

瞬时北地极

平地球坐标系

地心

协议地极原点

（如1900.00~1905.00年地球自转轴

的瞬时平均位置)与地心和CIO连线正交之平面和

格林尼治平子午面的交线

瞬时真赤道面和包含瞬时自转

轴的格林尼治平子午面的交线

协议地球坐标系？？

P16Slide23WGS-84坐标系

?类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）

?定义:原点：地球的质心

Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向

X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点

Y轴：和Z,X构成右手系

?椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）

235631/298.2572:

2m

6378137

:长半径???f扁率?P16Slide24小结：GPS中的坐标系统

?WGS-84坐标系

?我国的国家大地坐标系

?

地方独立坐标系

?ITRF坐标框架

?站心坐标系

p16Slide251、地方独立坐标系

?产生：高斯投影3度带、六度带

——〉有利于统一互算

——〉投影变形

?地方独立坐标系

——〉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

SRySRHSRySHRHSSSmAmmmAm????????????????220222122地方参考椭球？？

Slide26为什么讨论地方参考椭球？

1、为什么GPS控制网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？

Slide27如何确定地方参考椭球的参数？

1、仅改变已知椭球的长半径

1）直接以投影面到椭球面距离?H为

长半径变化量

2）由测区平均曲率半径的变动量求长半径

3）以测区卯酉圈曲率半径的变化量求长半径变化量

2、仅改变椭球中心位置，并不改变定向及元素

3、改变长半径及偏心率,不改变椭球定位和定向

???????aaaa1XYZLBOPQ????hHBehBeahaNdNadaadaNdNhdN2222sin1)(sin1)(??????????????????p18Slide282、ITRF参考框架

?InternationalTerrestrialReferenceFrame?产生:综合了SLR、VLBI、LLR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，定义出的一个地心参考框架

?实质:地心地固系的具体体现

p19Slide293、站心坐标系

站心赤道直角坐标系

站心地平直角坐标系

p12Slide30第三节

坐标系统之间的转换

区分

?坐标变换——在不同坐标系表示形式之间进行变换

?坐标转换——在不同的参考基准间进行变换（基准的转换）

p19Slide31一、坐标系的变换

?空间大地坐标系

—〉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

—〉高斯平面直角坐标系

Slide321、(BLH)——〉(XYZ)该点卯酉圈曲率半径（其中：),sine-1/coscos])1([sincos)(coscos)(22BaNLBHeNZLBHNYLBHNX????????????????????需要哪些参数？

Slide332、(XYZ)——〉(BLH))1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tanBeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH????????????????????????????????????????其中：需要哪些参数？

Slide343、(BL)——〉(xy)??????????????????????????????????????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：

需要哪些参数？

Slide35二、坐标转换的基本方法

XYZXYZBJ54WGS84(B,L)1——(B,L)2

(x,y)1——(x,y)2

(X,Y,Z)1——(X,Y,Z)2

Slide36空间直角坐标系的转换

Slide37布尔沙模型

?????????????????????????????????IiIiIiBZZBYYBXXBBBBIIiIIiIIiZYXRRRuZYXZYX)()()()1(000????BBBZBYBXBBBuZYXOZYXOuZYXOOZYX?????????11,,,,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)(,cos0sin010sin0cos)(,cossin0sincos0001)(zzzzzzYYYYYYXXXXXXRRR???????????????P20，公式2-20Slide38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(000???????P20，公式2-21Slide392、转换参数的计算

?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，须通过公共点的两组坐标求得转换参数

Slide40求转换参数的模型

?????????????????????????????????????????????????????????IiIiIiBXBYBXBZBYBZIiIiIiBBBBIIiIIiIIiZYXZYXuZYXZYX000)1(000???????????????????????????????????????????????????????????????ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX????000010000100001P20，公式2-22Slide41转换参数的求解方法

三点法：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9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解

多点法：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程

????????????????????????????????????????????????????????ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX????000010000100001Slide42三、WGS-84坐标系—我国国家坐标系

BJ54WGS84

(x,y)1(x,y)2

(B,L)1(B,L)2

(X,Y,Z)1(X,Y,Z)2

Slide43转换中的参数设置

（BLH）WGS-84（XYZ）WGS-84（XYZ）BJ54/STATE80（BLH）BJ54/STATE80（xy）高斯平面

提供转换参数

七参数

椭球参数

椭球参数

投影参数

三个平移

椭球参数差

（化简）

长半轴之差：-108扁率之差：+0.00480795原点平移参数：+15-150-90Slide44第四节

时间系统

?时间系统

?常用的时间系统

?GPS时间系统

?时间系统间的转换

Slide45意义：

?卫星的位置误差<1cm，要求相应的时刻误差应小于2.6x10-6秒；

?测距误差<1cm，要求信号传播时间的测量误差，应不超过3x10-11秒；

Slide46一、时间系统

?时间：包含时刻和时间间隔两种意义

?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），一般来说任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

Slide47二、常用的时间系统

?世界上现在通用的时间系统时什么？

时间的单位尺度不同；

度量时间的时钟不同

Slide48常用的几类时间系统

?恒星时和太阳时

?历书时

?原子时

地球的周期性自转

地球的周期性公转

原子核外电子能级跃迁时辐射的电磁波的频率

Slide491、世界时系统

世界时系统

恒星时

春分点

太阳时

太阳

根据天体的周日视运动反映地球的自转；

810?稳定性：平太阳时

平太阳

Slide50恒星时

?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

Slide51太阳时

–参照于太阳的地球自转周期

?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间计量系统。

Slide52平太阳时

?太阳时的问题——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，最长和最短可相差51秒；

?平太阳——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。

?平太阳时——以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。

Slide53世界时UT世界时——以平子夜为零时的格林尼治平太阳时

UT极移改正

UT1地球自转

速度改正

UT2?长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；

?季节性变化：大气层中的气团岁季节变化；

?不规则变化：地球内部的物质运动；

Slide542、原子时ATI?原子时秒长——位于海平面的铯133原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，为一原子时秒。

?国际原子时——国际上约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。

1310?稳定性：Slide55原子时

?原子时原点——UT2(1958.1.1.0)-0.0039sUT2IAT1958.0Δt

(地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒)Slide563、协调世界时UTC?协调世界时——从1972年开始，国际上开始使用一种以原子时秒长为基准，时刻上接近世界时的折衷的时间系统。

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

Slide57协调世界时

Δt

UT11972.0UTC