《GPS原理及應(yīng)用》課件第2章 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)踐系統(tǒng)

1、第二章第二章 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng) 完全定義一個(gè)空間 2.1坐標(biāo)系統(tǒng) GPS定位是通過安置于地球表面的GPS接收 機(jī)同時(shí)接收4顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，從而測(cè)定地 面點(diǎn)的位置。觀測(cè)點(diǎn)固定在地球表面，其空間位 置隨地球自轉(zhuǎn)而變動(dòng)，而GPS衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心 旋轉(zhuǎn)且與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。因此，在GPS衛(wèi)星定位 中，需建立描述GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，并確定 該坐標(biāo)系與地面點(diǎn)所在的坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從 而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。 1 、坐標(biāo)原點(diǎn)的位置；2 、3個(gè)坐標(biāo)軸的指向 ；3 、長(zhǎng)度單位。 GPS定位常采用空間直角坐標(biāo)系，一般取地球質(zhì)心為坐標(biāo)系的 原點(diǎn)。空間直角坐標(biāo)系用位置矢

2、量在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影參數(shù)（x 、y、z）表示空間點(diǎn)的位置。采用空間直角坐標(biāo)系，可以方便地 通過平移和旋轉(zhuǎn)從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化至另一坐標(biāo)系。完全定義一個(gè) 空間直角坐標(biāo)系，需要確定： 即不管采用哪一種坐標(biāo)系，一組具體的坐標(biāo) 值只表示唯一的空間點(diǎn)位，一個(gè)空間點(diǎn)位也對(duì) 應(yīng)唯一的一組坐標(biāo)值，不同坐標(biāo)系之間存在著 明確、唯一的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 根據(jù)選擇的參數(shù)不同，除空間直角坐標(biāo)系外，還有其他形 式的坐標(biāo)系，如球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系等。它們?cè)谑褂弥惺?等價(jià)的。 根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，坐標(biāo)系分為兩大類，即天球坐標(biāo) 系和地球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn) 及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位

3、置和狀 態(tài)。地球坐標(biāo)系則是與地球相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，用于描述地面點(diǎn) 的位置。 2.2 時(shí)間系統(tǒng) 在GPS衛(wèi)星定位中，作為觀測(cè)目標(biāo)的GPS衛(wèi)星以每 秒數(shù)公里的速度在運(yùn)動(dòng)。對(duì)觀測(cè)者而言，衛(wèi)星的方向、 距離、高度和運(yùn)行速度都不斷地變化。因此，在由跟蹤 站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行定軌時(shí)，提供衛(wèi)星位置的同時(shí)，必須給出 對(duì)應(yīng)的瞬間時(shí)刻。 另一方面，為了根據(jù)衛(wèi)星與GPS接收機(jī)之間的 距離準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，必須準(zhǔn)確測(cè)定衛(wèi)星至接 收機(jī)之間的信號(hào)傳播時(shí)間。若要求距離誤差小 于1cm，則信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)小于 0.03ns。 若要求GPS衛(wèi)星位置的誤差小于1cm，相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小 于2.6 。 s 任何一個(gè)觀測(cè)量都必須對(duì)應(yīng)地給

4、定獲取該觀測(cè)量的 時(shí)刻。因此，在GPS衛(wèi)星定位中，為了保證觀測(cè)量的精 度，對(duì)觀測(cè)時(shí)刻要有較高的精度要求，建立精密的時(shí)間 系統(tǒng)有著十分重要的意義。 與坐標(biāo)系統(tǒng)一樣，時(shí)間系統(tǒng)也應(yīng)有相應(yīng)的尺度（時(shí) 間單位）與原點(diǎn)（歷元）。只有把尺度與原點(diǎn)結(jié)合起來 ，才能給出時(shí)刻的概念。 就理論上而言，任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，只要它的運(yùn)動(dòng)是連續(xù) 的，其周期是恒定的，并且是可觀測(cè)和利用實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)的，都 可以作為時(shí)間尺度。實(shí)際上我們所能得到的時(shí)間尺度只能在 一定的精度上滿足這一理論要求。隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展和更 加穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的時(shí)間尺度將不斷地接近這 一理論要求。在實(shí)際工作中，由于所選用的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不 同，便產(chǎn)生了

5、不同的時(shí)間系統(tǒng)。 本章主要介紹幾種天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系，以及坐標(biāo)系 之間的轉(zhuǎn)換模型，并對(duì)幾種常用的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行介紹，為后 繼的GPS定位原理的介紹奠定基礎(chǔ)。 2.2 協(xié)議天球坐標(biāo)系 2.2.1 天球的基本概念 所謂天球，是指以地球質(zhì)心為中心、以無窮大為半徑的一個(gè)假 想球體。地球自轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線稱為天軸，天軸與天球的2個(gè)交 點(diǎn)稱為天極，即北天極和南天極。包含天軸并通過地球上任意 點(diǎn)的平面稱為天球子午面，天球子午面與天球相交的大圓稱為 天球子午圈，通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓稱為時(shí)圈 。通過地球質(zhì)心且與天軸垂直的平面稱為天球赤道面，天球赤 道面與天球的交線稱為天球赤道。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道面

6、與 天球相交的平面稱為黃道面，相交的大圓稱為黃道。黃道面與 赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5。 通過天球中心且垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)稱為黃 極，其中靠近北天極的交點(diǎn)稱為黃北極，靠近南天極的交點(diǎn)稱 為黃南極。黃道與天球赤道有2個(gè)交點(diǎn)，其中太陽的視位置由南 向北通過赤道的交點(diǎn)稱為春分點(diǎn)，另一點(diǎn)則稱為秋分點(diǎn)。 2.2.2 天球坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系包括天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系。 在天球空間直角坐標(biāo)系中，任意空間點(diǎn)S的坐標(biāo)為（x，y，z） 。該坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其Z軸指向 北天極，X軸指向春分點(diǎn)，Y軸垂直于XOZ平面并構(gòu)成右手坐 標(biāo)系。 在天球球面坐標(biāo)中，任意

7、空間點(diǎn)S的坐標(biāo)為 。該 坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為天球中心O，赤經(jīng) 為 含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與過空間點(diǎn)S的天球子午 面之間的夾角，赤緯 為原點(diǎn)O至空間點(diǎn)S的連線與天球 赤道面之間的夾角，向徑 為原點(diǎn)O至空間點(diǎn)S 的距離 。 對(duì)同一空間點(diǎn)，天球空間直角坐標(biāo)系與其等 效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 或 2.2.3 歲差與章動(dòng)的影響 1.歲差 上述坐標(biāo)系統(tǒng)的建立，是基于假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)的球體且沒有 天體攝動(dòng)力影響的理想情況，即假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向 是固定的，因而春分點(diǎn)在天球的位置保持不變。但是，實(shí)際上地 球的形體是接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體，在太陽、月亮的萬有 引力和其他天體引

8、力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球的自轉(zhuǎn)軸方 向不再保持不變，這使得春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移現(xiàn)象， 這種現(xiàn)象稱為歲差。 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞黃北極產(chǎn)生緩慢 的旋轉(zhuǎn)（從北天極上方觀察為順時(shí)針方向），因而使北 天極以同樣的方式在天球上繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。 在這個(gè)小圓圈上，北天極每年西移50.7，周期大約為 25600年。 2.章動(dòng) 上述有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱為瞬時(shí)平北天極，簡(jiǎn)稱平 北天極，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球 平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。但是，在太陽和其他行星引力 的影響下，月球的運(yùn)行軌道以及月球與地球之間的距離 都是不斷變化的，所以，北天極在天球上繞黃北極旋轉(zhuǎn) 的軌跡實(shí)際

9、上要復(fù)雜得多。若稱觀測(cè)時(shí)的北天極為瞬時(shí) 北天極或真北天極，而與之相應(yīng)得天球赤道和春分點(diǎn)稱 為瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分點(diǎn)或真天球赤道和真春分點(diǎn) ，則在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí) 平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓軌跡，周期約為18.6年。 這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。 2.2.4 協(xié)議天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換 1.協(xié)議地球坐標(biāo)系 在歲差和章動(dòng)的共同影響下，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的指 向在不斷變化。顯然，在這種非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中，不能直接 根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了建立一個(gè)與 慣性坐標(biāo)系統(tǒng)相接近的坐標(biāo)系，選擇某一時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)歷元 ，并將此刻地球的瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向， 經(jīng)該瞬時(shí)的

10、歲差和章動(dòng)改正后，分別作為Z軸和X軸的指向。 由此所構(gòu)成的空間固定坐標(biāo)系，稱為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元t0時(shí)刻的 平天球坐標(biāo)系，或協(xié)議天球坐標(biāo)系， 國際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)和國際天文聯(lián)合會(huì)決定，自1984年1月 1日后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向，是以2000年1 月15日太陽質(zhì)心力學(xué)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)歷元（標(biāo)以J2000.0）的赤道和 春分點(diǎn)所定義的。 為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn) Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn) 2.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到觀測(cè)歷元t的瞬

11、時(shí)天球 坐標(biāo)，通?？煞譃?個(gè)步驟，即：首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐 標(biāo)換算到瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系統(tǒng)；然后將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系統(tǒng)。 2.3 協(xié)議地球坐標(biāo)系 2.3.1 地球坐標(biāo)系 若用天球坐標(biāo)系描述地球上任一固定點(diǎn)的位置，由于天球坐 標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，該點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)將隨地球的 自轉(zhuǎn)而不斷變化，這顯然在實(shí)際應(yīng)用中不可行。因此，為了描 述地面觀測(cè)站的位置，有必要建立一個(gè)與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo) 系，即地球坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系也有2種表達(dá)形式，即地球空間直 角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。 1.地球空間直角坐標(biāo)系 在地球空間直角坐標(biāo)系中，任意地面點(diǎn)P的坐標(biāo)為（X， Y，Z）。該坐標(biāo)系的定

12、義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O ，其Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與地 球赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于XOZ平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系 。 2. 大地坐標(biāo)系 地球橢球的中心與地球質(zhì)心 重合，橢圓短軸。點(diǎn)的子午 面NPS與起始子午面NGS 所構(gòu)成的二面角，叫做點(diǎn)的 大地經(jīng)度，由起始子午面起 算，向東為正，叫東經(jīng)（ 0180），向西為負(fù) ，叫西經(jīng)（ 0 180） 。點(diǎn)的法線與赤道面的夾角 ，叫做點(diǎn)的大地緯度。由赤 道面起算，向北為正，叫北 緯（090）；向南為 負(fù)，叫南緯(090)。 大地坐標(biāo)系是用大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高H表示 地面點(diǎn)位的。過地面點(diǎn)P的子午面與起始子午面間的夾角 叫P點(diǎn)的大

13、地經(jīng)度。由起始子午面起算，向東為正，叫東 經(jīng)（0180），向西為負(fù)，叫西經(jīng)（0-180）。 過P點(diǎn)的橢球法線與赤道面的夾角叫P點(diǎn)的大地緯度。由 赤道面起算，向北為正，叫北緯（090），向南為負(fù) ，叫南緯（0-90）。從地面點(diǎn)P沿橢球法線到橢球面 的距離叫大地高。大地坐標(biāo)坐標(biāo)系中，點(diǎn)的位置用L,B表 示。如果點(diǎn)不在橢球面上，表示點(diǎn)的位置除L,B外，還要 附加另一參數(shù)大地高H。 3.空間直角坐標(biāo)系同大地坐標(biāo)系的關(guān)系 同一地面點(diǎn)在地球空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在大地坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)可用如下兩組公式轉(zhuǎn)換。 式中：e子午橢圓第一偏心率，可由長(zhǎng)短半徑 按式 算得。N法線長(zhǎng)度，可由式 算得。 X Z K0 B

14、 90+ B O T M 0切線M0T的斜率的導(dǎo)數(shù)式 ： 0 tan 90ctg dZ BB dX 由橢圓方程求導(dǎo)得： 1 2 2 2 2 b Z a X Z X e Za Xb dX dZ 2 2 2 1 代入第一式得：BeXZtan1 2 1 將 代入橢圓方程，化簡(jiǎn)后得： Be Bea Z Be Ba X 22 2 22 sin1 sin1 sin1 cos 1 引入輔助符號(hào)： WaNBeW sin1 22 則有： 2.3.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系 1 極移 地球自轉(zhuǎn)軸不僅受日、月引力作用而使其在空間變化，而且還 受到地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響而在地球體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。前者導(dǎo)致 歲差和章動(dòng)，后者導(dǎo)致極移。

15、地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)地球體的位置并 不是固定的，因而，地極點(diǎn)在地球表面上的位置，是隨時(shí)間而 變化的，這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。觀測(cè)瞬間地球自 轉(zhuǎn)軸所處的位置稱為瞬間地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí) 極。 地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)，主要包含2種周期 性變化： Chandler周期分量（由地球內(nèi)部質(zhì)量運(yùn)動(dòng)引起，周期為1.2年） 周年分量（主要由地球表面的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)（如洋流、大氣環(huán)流等 ）引起） 2.協(xié)議地球坐標(biāo)系 以瞬時(shí)極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，稱為 瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。由于瞬時(shí)極的極移 會(huì)造成坐標(biāo)軸的指向發(fā)生變化，所以 ，采用瞬時(shí)地球坐標(biāo)系在實(shí)際工作中 遇到許多困難。因此，1967年，國際 天文學(xué)聯(lián)合會(huì)合

16、國際大地測(cè)量學(xué)會(huì)建 議，采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)站依據(jù) 1900-1905年的平均緯度所確定的平均 地極位置，作為平極。該平極是相應(yīng) 于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置， 通常稱為國際協(xié)議原點(diǎn)（CIO）。與之 相應(yīng)的地球赤道面，稱為平赤道或協(xié) 議赤道面。 極移現(xiàn)象主要引起地球瞬時(shí)坐標(biāo)系相對(duì)協(xié)議地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 。若以(X,Y,Z)表示平地球坐標(biāo)，以(x,y,z)表示瞬時(shí)（真）地球 坐標(biāo)。（平地球坐標(biāo)系 :Z軸指向空間中某一固定點(diǎn)（平極）的 地球坐標(biāo)系） 轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 2.3.3 協(xié)議天球坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 根據(jù)協(xié)議天球坐標(biāo)系和協(xié)議地球坐標(biāo)系的定義可知，兩坐標(biāo)系存 在如下聯(lián)系與區(qū)別： 1 兩

17、坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同。 2 兩坐標(biāo)系的Z軸指向相同。 3 兩坐標(biāo)系的X軸的指向不同，其間夾角為春分點(diǎn)的格林尼治恒 星時(shí)（定義：春分點(diǎn)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時(shí)間間隔為一 恒星日。并由此派生出“時(shí)”、“分”、“秒”等單位；數(shù) 值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。） 綜上所述，由于衛(wèi)星和地面點(diǎn)分別屬于不同的坐標(biāo)系，要實(shí) 現(xiàn)GPS衛(wèi)星定位的目的。不僅要進(jìn)行關(guān)于歲差、章動(dòng)、極移的 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，而且要進(jìn)行協(xié)議天球坐標(biāo)系至協(xié)議地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn) 換。 轉(zhuǎn)換流程如圖： 2.4 國家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系 2.4.1 地球參心坐標(biāo)系 在常規(guī)大地測(cè)量中，為了處理觀測(cè)成果及計(jì)算地面控制網(wǎng)的坐 標(biāo)，

18、通常先定義一個(gè)參考橢球，即選取一參考橢球面作為基本參 考面，選一參考點(diǎn)作為大地測(cè)量的起算點(diǎn)（稱為大地原點(diǎn)），并 利用大地原點(diǎn)的天文觀測(cè)量確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方 位。這樣確定的參考橢球位置，其中心一般不會(huì)與地球質(zhì)心相重 合。這種原點(diǎn)位于地球質(zhì)心附近的坐標(biāo)系，稱為地球參心坐標(biāo)系 。 參心空間直角坐標(biāo)系的定義為： 已接近于地球質(zhì)心的參考橢圓的中心為O1，Z1軸平行于參考 橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，X1軸指向起始大地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸， Y軸垂直于X1O1Z1平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)的坐 標(biāo)，可表示為（X，Y，Z），也可用參心坐標(biāo)系的坐標(biāo)（B，L， H），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換。 雖然參心

19、坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系（或稱協(xié)議坐標(biāo)系）都是與 地球體相固聯(lián)的地球坐標(biāo)系。它們的原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸的指向一 般不相同。 參心空間直角坐標(biāo)系的定義為： 已接近于地球質(zhì)心的參考橢圓的中心為O1，Z1軸平行于參考 橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，X1軸指向起始大地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸， Y軸垂直于X1O1Z1平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)的坐標(biāo) ，可表示為（X，Y，Z），也可用參心坐標(biāo)系的坐標(biāo)（B，L，H ），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換。 2.4.2 站心坐標(biāo)系 為了測(cè)量工作的需要常常需要以測(cè)站為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，這 種坐標(biāo)系稱為測(cè)站中心坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱站心坐標(biāo)系。站心坐標(biāo)系 分為站心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。 站心地

20、平直角坐標(biāo)系是以測(cè)站的橢球法線方向?yàn)閆軸 ，以測(cè)站大地子午線北端與大地地平面的交線為X軸， 大地平行面（東方向）與大地地平面的交線為Y軸，構(gòu) 成坐標(biāo)系。 站心極坐標(biāo)系是以測(cè)站的鉛垂線為準(zhǔn)，以測(cè)站點(diǎn) 到某點(diǎn)的空間距離D、天頂距Z和大地方位角A表示該 點(diǎn)的位置。 空間任意一點(diǎn)Q相對(duì)于P的位置可通過地面觀測(cè)量 -空間距離D、大地方位角和天頂距z來確定， cossin sinsin cos PQ xdz ydz zdz 2.4.3國家大地坐標(biāo)系 目前，我國常用的大地坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系和1980 年國家大地坐標(biāo)系，它們均為參心坐標(biāo)系。 1954年北京坐標(biāo)系 建國初期，為了迅速開展我國的測(cè)繪事業(yè)

21、，鑒于當(dāng)時(shí)的實(shí) 際情況，采用了蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球和大地原點(diǎn)（位于 蘇聯(lián)的普爾科沃）。通過與蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系進(jìn)行 聯(lián)測(cè)和計(jì)算建立了我國大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo) 系。因此，P54可歸結(jié)為： a屬參心大地坐標(biāo)系； b采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何參數(shù) （ a=6378245m，=1/298.3） ； c. 大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃； d采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位； e高程基準(zhǔn)為 1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水 面； f高程異常以原蘇聯(lián) 1955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果 為起算數(shù)據(jù)。按我國天文水準(zhǔn)路線推算而得 。 BJ54坐標(biāo)系的缺點(diǎn)： 橢球參數(shù)有較大誤差。與現(xiàn)代

22、精確的橢球參數(shù)相比，長(zhǎng)半 軸約大109m； 參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng) 性的傾斜，東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距最大+68m。使得大比 例尺地圖反映地面的精度受到影響，也對(duì)觀測(cè)元素的歸算提 出了嚴(yán)格要求； 定向不明確。橢球短軸的指向既不是國際上較普遍采用的 國際協(xié)議（習(xí)用）原點(diǎn)CIO（Conventional International Origin）,也不是我國地極原點(diǎn)；起始大地子午面也不是國際 時(shí)間局BIH所定義的格林尼治平均天文臺(tái)子午面，從而給坐 標(biāo)換算帶來一些不便和誤差。 另外，監(jiān)于該坐標(biāo)系是按局部平差逐步提供大地點(diǎn)成果的， 因而不可避免地出現(xiàn)一些矛盾和不夠合理的地方。

23、 1980年國家大地坐標(biāo)系 C80是為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球 定位的基本原理，在建立C80坐標(biāo)系時(shí)有以下先決條件： （1）大地原點(diǎn)在我國中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)； （2）C80坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸Z軸平行于由地球質(zhì) 心指向地極原點(diǎn)方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天 文臺(tái)子午面；X軸在大地起始子午面內(nèi)與 Z軸垂直指向經(jīng)度 0方 向；Y軸與 Z、X軸成右手坐標(biāo)系； （3）橢球參數(shù)采用IUGG(國際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)） 1975年大會(huì)推薦的參數(shù) 因而可得C80橢球兩個(gè)最常用的幾何參數(shù)為： 長(zhǎng)軸：63781405（m）；扁率：1/298.257 （

24、4）多點(diǎn)定位；橢球定位時(shí)按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和 最小為原則求解參數(shù) （5）大地高程以1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水面為基 準(zhǔn) 1980年國家大地坐標(biāo)系與1954年北京坐標(biāo)系屬于兩個(gè)不同的 參心坐標(biāo)系。在有些城市與礦區(qū)，基于使用和方便采用地方獨(dú) 立坐標(biāo)系，其實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)地方參考橢球。 2.5 WGS-84世界大地坐標(biāo)系 在GPS定位中，衛(wèi)星主要被作為位置已知的空間觀測(cè)目標(biāo)， 因此為了確定地面觀測(cè)站的位置，GPS衛(wèi)星的瞬間位置應(yīng)用統(tǒng) 一的協(xié)議地球坐標(biāo)系統(tǒng)來描述，這種坐標(biāo)系統(tǒng)稱為世界大地坐 標(biāo)系統(tǒng)（WGS)。在GPS實(shí)驗(yàn)階段，采用的是1972的世界大地 坐標(biāo)系統(tǒng)（WGS-72)，而從1

25、987年1月10日開始采用了改進(jìn)的 世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，即WGS-84坐標(biāo)系。 WGS-84世界大地坐標(biāo)系是一種協(xié)議地球坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位 于地球質(zhì)量的中心，Z軸平行于國際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定 義的協(xié)議地球極軸（GTP）方向，X軸指向國際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定義的零子午面和國際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定義 的協(xié)議地球赤道的交點(diǎn)，Y軸指向國際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元 定義的協(xié)議地球東向而垂直于X軸方向，構(gòu)成了地心地固正交 坐標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系所采用的橢球體，稱為WGS-84橢球 體。 橢球的主要參數(shù)為： 長(zhǎng)半軸a=（63781372）m 地球引力常數(shù)（含大氣層

26、）C=（39860051080.6108） m3/s2 地球自轉(zhuǎn)角速度=（729211510-110.150010-11 ）rad/s 正?；A帶諧系數(shù)C2.0=-484.1668510-60.610-6 利用以上4個(gè)基本常數(shù)可計(jì)算出其他橢球參數(shù)： 第一偏心率e2=0.00669437999013 第二偏心率 （e）2=0.006739496742277 扁率=1/298.257223563 對(duì)于地面上一點(diǎn)P的位置，可以用直角坐標(biāo)（x，y，z）來表示， 也可以用（B，L，H）來表示，B、L分別表示緯度、經(jīng)度，H表 示大地高從橢球面到P點(diǎn)的法線方向距離，N表示該點(diǎn)的卯 酉圈半徑。WGS-84世

27、界大地坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間存在如下 關(guān)系： 式中：NP為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑； e為第一偏心率。 2.6 時(shí)間系統(tǒng) 1.時(shí)間系統(tǒng)概述 時(shí)間包含“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”2個(gè)概念。所謂時(shí)刻 ，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所 獲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)得時(shí)刻也稱為歷元。時(shí)間間隔則是指發(fā)生某一 現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時(shí)刻之差。所以， 時(shí)間間隔測(cè)量也稱為相對(duì)時(shí)間測(cè)量，而時(shí)刻測(cè)量相應(yīng)地稱 為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。 要測(cè)量時(shí)間，必須建立一個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)，即時(shí)間的單位（ 尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v元）。其中，時(shí)間的尺度是關(guān)鍵， 而原點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。一般地，任何一個(gè)可 觀察的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，只要符合以下要求，都可以用做確 定時(shí)間的基準(zhǔn)。 （1）運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是連續(xù)的，周期性的 （2）運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性 （3）運(yùn)