第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

1、 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)u 能夠熟練的進(jìn)行不同坐標(biāo)系基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換；u 掌握世界時、原子時、協(xié)調(diào)世界時和GPS時等時間系統(tǒng)的概念及其相互關(guān)系；u 掌握GPS時間基準(zhǔn)的建立方法；u 掌握天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系的基本概念；u 掌握WGS-84坐標(biāo)系、2000國家大地坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1980國家大地坐標(biāo)系、地方獨(dú)立坐標(biāo)系以及高程基準(zhǔn)的基本概念； 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境

2、與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動，處理觀測數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。所以，了解GPS測量中的些常用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)，熟悉它們各自間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是極為重要的。本章將主要介紹天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，以及有關(guān)時間系統(tǒng)的概念。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.

3、1 2.1 天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系2.2 WGS-842.2 WGS-84坐標(biāo)系和我國大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系和我國大地坐標(biāo)系2.3 2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換2.4 2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1 2.1 天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系 衛(wèi)星定位常采用空間直角坐標(biāo)系及其相應(yīng)的大地坐標(biāo)系，一般取地球質(zhì)心為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同分為兩類坐標(biāo)系，即和。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GP

4、SGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 天球坐標(biāo)系是這類坐標(biāo)系統(tǒng)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對于極為方便。嚴(yán)格說來，衛(wèi)星的運(yùn)動理論是根據(jù)牛頓引力定律，在慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中建立起來的，而慣性坐標(biāo)系統(tǒng)在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運(yùn)動。但是，實(shí)際上嚴(yán)格滿足這一條件是困難的。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 地球坐標(biāo)系是與。這類坐標(biāo)系統(tǒng)對于表達(dá)地面觀測站的位置和處理GPS觀測成果尤為方便。它在經(jīng)典大地測量學(xué)(Geodesy)中，具有多種表達(dá)形式和極為廣泛的應(yīng)用。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游

5、系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 完全定義一個坐標(biāo)系統(tǒng)必須明確：、和。在GPS測量中,坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般取地球的質(zhì)心，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性。為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系，通常稱為。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.1 2.1.1 相關(guān)概念相關(guān)概念 天球的基本概念 :是指以空間某一點(diǎn)為中心，半徑 r為任意長度的一個假想的球體。 :天文學(xué)中通常把參考坐標(biāo)系建立在天球上。

6、池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在天文學(xué)中，通常均把天體投影到天球的球面，并利用球面坐標(biāo)系統(tǒng)來表達(dá)或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。為了建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點(diǎn)、線、面和圈。在全球定位系統(tǒng)中，為描述衛(wèi)星的位置也將涉及到這些概念。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 天軸和天極 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸稱為；天軸與天球的交點(diǎn)Pn、Ps稱為，其中Pn稱為北天極， Ps稱為南天極。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅

7、游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 天球赤道面與天球赤道 通過地球質(zhì)心并與天軸垂直的平面，稱為。這時天球赤道面與地球赤道面相重。該赤道面與天球相交的大圓稱為。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 包含天軸并通過地球上任一點(diǎn)的平面，稱為。而天球子午面與天球相交的大圓稱為。 通過天軸的平面與天球相交的半個大圓。 天球子午面與天球子午圈 時圈 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

8、與時間系統(tǒng) 黃道 地球公轉(zhuǎn)的軌道與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上運(yùn)動的軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 黃極 通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)，其中靠近北天極的交點(diǎn)n，稱為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)s稱為南黃極。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 春分點(diǎn) 當(dāng)太陽在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時，黃道與地球赤

9、道的交點(diǎn)。在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)中，春分點(diǎn)和天球赤道面，是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.2.1.2 2 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 ： 天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)、線、圈為基礎(chǔ)建立的坐標(biāo)系。 任一天體的位置，在天球坐標(biāo)系中可用兩種形式來描述。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M；Z軸指向天球北極Pn ，X軸指向春分點(diǎn)，Y軸垂直于XMZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成

10、右手坐標(biāo)系統(tǒng)。 在天球空間直角坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為(X，Y，Z)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M，赤經(jīng)為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與過天體S的天球子午面之間的夾角；赤緯為原點(diǎn)M至天體S的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑長度r為原點(diǎn)M至天體S的距離。在天球球面坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為(,r)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPS

11、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 22222sinsincoscoscosYXZarctgXYarctgZYXrrZYX或 在實(shí)踐中，以上關(guān)于天球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式，應(yīng)用都很普遍。由于它們和地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以對于描述天體或人造地球衛(wèi)星的位置和狀態(tài)是方便的。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 由于觀測者所處位置不同，而使觀測同一天體的方向發(fā)生變化，這種變化稱為

12、視差。視差又有周年視差（恒星視差）、周日視差等之分。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.2.1.3 3 歲差與章動對天球坐標(biāo)的影響歲差與章動對天球坐標(biāo)的影響n 地球的非球形影響歲差現(xiàn)象 地球的形體接近于一個赤道隆起的橢球體，因此，在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在赤道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間

13、系統(tǒng) 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)(從北天極上方觀察為從北天極上方觀察為順時針方向，以下同順時針方向，以下同)，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)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 如果月球的引力及其運(yùn)行的軌道都是固定不變的，同時忽略其它行星引力的微小影響，那么日月引力的影響，僅將使北天極繞北黃極以順時針方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個圓錐面；這時，在天球上，北天極的軌跡近似地構(gòu)成一個以北黃極n為中心，以黃赤交角為半徑的小圓。在這個小圓上，北天極每年西移約為50.371。

14、周期大約為25800年。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在天球上，這種規(guī)律運(yùn)動的北天極，通常稱為(或簡稱為平北天極)，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)，稱為。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 月地距變化章動現(xiàn)象 如果把觀測時的北天極稱為瞬時北天極(或稱真北天極)，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時天球赤道和瞬時春分點(diǎn)(或稱真天球赤道和真春分點(diǎn))，那么在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，

15、大致成橢圓形軌跡，其長半徑約為9.2，周期約為18.6年。這種現(xiàn)象稱為。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)歲差圓歲差圓瞬時北天極瞬時北天極平北天極平北天極北黃極 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 通常均把這種復(fù)雜的運(yùn)功，分解為n 如何為了描述北天極在天球上的運(yùn)動 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.4 2.1.4 協(xié)議天球坐

16、標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系 Z軸指向瞬時北天極，X軸指向瞬時春分點(diǎn)；l ：l ：Z軸指向平北天極，X軸指向平春分點(diǎn)；l ： 1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天極為協(xié)議北天極，Z軸指向協(xié)議北天極的天球坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系，X軸指向協(xié)議春分點(diǎn)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到觀測歷元t的瞬時天球坐標(biāo)系下，通?？煞譃閮刹剑杭词紫葘f(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，換算到觀測瞬間的平天球坐標(biāo)系下，然后再將瞬時平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到瞬時天球坐標(biāo)系統(tǒng)。 在實(shí)際工作中，

17、坐標(biāo)系統(tǒng)的這種轉(zhuǎn)換，一般都可借助計算機(jī)的相應(yīng)軟件自動完成。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，地球上任一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將隨地球的自轉(zhuǎn)而變化，顯然這在實(shí)用上很不方便。為了描述地面觀測站的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)系(有時稱地固坐標(biāo)系)。該系統(tǒng)也有兩種形式。2.1.52.1.5 地球地球坐標(biāo)系坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合

18、，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平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相合，大地緯度B為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)(L B H) (X Y Z) 式

19、中，N 為橢球的卯酉圈曲率半徑， e為橢球的第一偏心率。BHeNLBHNLBHNZYXsin1sincoscoscos2(X Y Z) (L B H)NBYXHXHeNLZHNBXYLcos1costanarctan222 若以a、b分別表示所取橢球的長半徑和短半徑，則22222sin1abaeBeaN 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在介紹天球坐標(biāo)系時，所關(guān)心的主要問題，是地球自轉(zhuǎn)軸在空間的指向及其變化。因?yàn)樘烨蜃鴺?biāo)系與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以，這時地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體本身的變化與否并不重要；而對于與地球

20、體固聯(lián)的坐標(biāo)系來說，情況就完全不同了，這時地極點(diǎn)是作為地球坐標(biāo)系的一個重要基準(zhǔn)點(diǎn)，自然我們希望它在地球上的位置是固定的，否則地球參考系的Z軸方向?qū)⒂兴淖?，也就是說，地球赤道面和起始子午面的位置均將有所改變。從而引起地球上點(diǎn)的坐標(biāo)變化。2.1.6 2.1.6 地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 事實(shí)上，人們早已發(fā)現(xiàn)，。觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置，我們稱為瞬時地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時極。 通過大量觀測資科的分析表明，地極在地球表面上的運(yùn)動，主要包含兩

21、種周期性的變化，一種是周期約為一年，振幅約為0.1 的變化；另一種是周期約為432天，振幅約為0.2的變化。后一種周期變化，一般稱為張德勒周期變化。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 為了描述地極移動的規(guī)律，通常均取一平面直角坐標(biāo)系來表達(dá)地極的瞬時位置。為此，假設(shè)該面通過地極的某一平均位置（即平極）并與地球表面相切。在此平面上取直角坐標(biāo)系(xp 、yp)， 設(shè)其原點(diǎn)與平極重合， xp軸指向格林尼治平均天文臺， yp軸指向格林尼治零子午面以西90的子午線方向。于是任一歷元t的瞬時極pn的位置，可表示為(xp

22、 、yp) 。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 地極的移動將使地球坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的指向發(fā)生變化，這對實(shí)際工作造成了許多困難。因此，國際天文學(xué)聯(lián)合會和國際大地測量學(xué)協(xié)會，早在1967年便建議，采用國際上5個緯度服務(wù)站，以1900至1905年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 平極的這個位置是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為,與之相應(yīng)的地球赤道面，稱為平赤道面或協(xié)議赤

23、道面。在實(shí)際工作中，至今仍普遍采用CIO作為協(xié)議地極。以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，稱為，而與瞬時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系，稱之為瞬時地球坐標(biāo)系。右圖描繪了從197l至1975年間，相對于CIO地極運(yùn)動的軌跡。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 極移現(xiàn)象主要引起了地球瞬時坐標(biāo)系相對協(xié)議地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)（見右圖)。如果以(X Y Z)CTS和(X Y Z)t分別表示協(xié)議地球空間直角坐標(biāo)系和觀測歷元t的瞬時地球空間直角坐標(biāo)系，那么其間的關(guān)系為tCTSZYXMZYX其中 ppyRxRM12 考慮到地極坐標(biāo)為微小量，

24、如果僅取至一次微小項，則有11001ppppyxyxM 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.7 2.1.7 協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的關(guān)系坐標(biāo)系的關(guān)系 ： 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z指向國際協(xié)議原點(diǎn)，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤道面的交點(diǎn)，Y軸垂直于XMZ平面，由此建立的右手坐標(biāo)系為協(xié)議地球坐標(biāo)系 ： 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向2000年1月15日的平

25、北天極，X軸指向協(xié)議春分點(diǎn)，由此建立的右手坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 根據(jù)協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義可知： 兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同； 瞬時天球坐標(biāo)系的Z 軸與瞬時地球坐標(biāo)系的Z軸指向相同； 兩瞬時坐標(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。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二

26、章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.8 2.1.8 站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系 使用站心坐標(biāo)系能夠比較直觀方便地描述衛(wèi)星與觀測站之間的瞬時距離、方位角和高度角，了解衛(wèi)星在天空的分布情況。 站心赤道直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系站心地平直角坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 如右圖，P1是測站，O是球心。以P1為原點(diǎn)建立與球心空間直角坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)系叫做站心赤道直角坐標(biāo)系。顯然，

27、站心赤道直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系間有簡單的平移關(guān)系。BHeNLBHNLBHNZYXZYXsin1sincoscoscos2站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 站心地平直角坐標(biāo)系 以P1為原點(diǎn)， P1點(diǎn)的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向?yàn)閤軸（向北為正），y軸與x、z軸垂直（向東為正）。 站心赤道直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系與與站心地平直角坐標(biāo)系站心地平直角坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)

28、系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系地平站赤zyxBBLBLLBLBLLBZYXsin0cossincoscossinsincoscossincossin站心地平直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系BHeNLBHNLBHNzyxBBLBLLBLBLLBZYXsin1sincoscoscossin0cossincoscossinsincoscossincossin2地平球心 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 站心地平極坐標(biāo)系 以測站P1為原點(diǎn)，至衛(wèi)星s的

29、距離r、衛(wèi)星的方位角A、衛(wèi)星的高度角h可以建立站心地平極坐標(biāo)系。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系間有關(guān)系22222arctanarctan,sinhcoshsincoshcosyxzhxyAzyxrrArArzyx 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 經(jīng)典大地測量中的坐標(biāo)系統(tǒng)常見的坐標(biāo)系統(tǒng)u 空間直角坐標(biāo)系u 大地坐標(biāo)系u 平面直角坐標(biāo)系2.22.2 WGS-84WGS-84坐標(biāo)

30、系和我國的大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)建立測量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面是什么？建立測量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面是什么？大地水準(zhǔn)面海洋陸地地球表面n參考橢球面參考橢球 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)參心坐標(biāo)系的特點(diǎn)參心坐標(biāo)系的特點(diǎn) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心 坐標(biāo)原點(diǎn)不位于地球質(zhì)心

31、 地心坐標(biāo)系適合于全球用途的應(yīng)用 參心坐標(biāo)系適合于局部用途的應(yīng)用 有利于局部大地水準(zhǔn)面與參考橢球面符合更好 保持國家坐標(biāo)系的穩(wěn)定 有利于地心坐標(biāo)的保密 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.2.1 WGS-84大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系u 類型：協(xié)議地球坐標(biāo)系，地心地固坐標(biāo)系u 定義:原點(diǎn)：地球的質(zhì)心Z軸：指向BIH1984.0定義的CTP（協(xié)議地球極）方向X軸：指向BIH1984.0的零子

32、午面和CTP赤道的交點(diǎn)Y軸：和Z,X構(gòu)成右手系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 對應(yīng)于WGS-84大地坐標(biāo)系有一個WGS-84橢球，其常數(shù)采用IUGG第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值。這里給出WGS-84橢球的兩個最常用的幾何常數(shù)：563223257.298121373786fma率扁長半軸橢球第一偏心率：e2=0.00669437999013地球引力常數(shù)：GM=（39860050.6）108（m3/s2）正?；A帶諧系數(shù)：J2=（484.166851.30）109（rad/s）地球自轉(zhuǎn)角速度：=（7

33、2921150.1500）1011（rad/s）u WGS-84橢球參數(shù) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.2.2 國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(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)系時有以下先決條件： 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)；n 1980國家大地坐標(biāo)系 C80坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面，X軸在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)

34、度0方向，Y軸與Z、X軸成右手坐標(biāo)系； 橢球兩個最常用的幾何參數(shù)為 長半軸 a6378140(m)，扁率 f = 1/298.257 橢球定位時按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時的實(shí)際情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，然后以連接呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴(kuò)大邊端點(diǎn)的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標(biāo)系就定名為1954年北京坐標(biāo)系。我們稱為舊19

35、54年北京坐標(biāo)系。n 舊P54坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 舊P54坐標(biāo)系可歸結(jié)為： 屬參心大地坐標(biāo)系； 采用克拉索夫斯基橢球的兩個幾何參數(shù)長半軸 a 6378245(m)，扁率 f = 1/298.3 大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃； 采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位； 高程基準(zhǔn)為1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面； 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。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與

36、時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 全國天文大地網(wǎng)在1980年國家大地坐標(biāo)系上進(jìn)行整體平差完成后，理論上應(yīng)使用該整體平差結(jié)果。但考慮到實(shí)用中許多部門和單位有大量測繪成果是舊P54下的，因而產(chǎn)生了所謂的新P54年北京坐標(biāo)系。 n 新P54坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 新P54是將C80內(nèi)的空間直角坐標(biāo)經(jīng)三個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心得到的。它具有如下特點(diǎn)： 屬參心大地坐標(biāo)系； 橢球參數(shù)(P54):長半軸 a6378245(m),扁率 f = 1/298.3 大地原點(diǎn)與C80大地原點(diǎn)相同

37、； 橢球軸向與C80橢球軸向相同； 高程基準(zhǔn)為1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面； 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 新P54點(diǎn)坐標(biāo)與舊P54點(diǎn)坐標(biāo)接近，但其精度和C80坐標(biāo)精度完全一樣。 據(jù)統(tǒng)計，新P54點(diǎn)坐標(biāo)與舊P54點(diǎn)坐標(biāo)相比較，就平面坐標(biāo)而言，縱坐標(biāo)x差值在-6.5m至+7.8m之間，橫坐標(biāo)y差值在-12.9m至+9.0m之間，差值在5m以內(nèi)的約占全國80%的地區(qū)。反映在1：5萬比例尺的地形圖上，絕大部分不超過0.1mm。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPS

38、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標(biāo)系。 2000國家大地坐標(biāo)系的定義 國家大地坐標(biāo)系的定義包括坐標(biāo)系的原點(diǎn)、三個坐標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的4個基本參數(shù)的定義。 原點(diǎn)：包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心； n 2000國家大地坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) Z軸：由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生

39、殘余的全球旋轉(zhuǎn)； X軸：由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點(diǎn)； Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系 尺度：采用廣義相對論意義下的尺度。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 地球橢球參數(shù) 長半軸 a6378137m 扁率 f=1/298.257222101 地心引力常數(shù) GM3.9860044181014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速度 7.292l1510-5rad s-1 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與

40、時間系統(tǒng)n 地方獨(dú)立坐標(biāo)系 水準(zhǔn)面建立在當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叱堂嫔?，（隱含著一個與當(dāng)?shù)仄骄０胃叱虒?yīng)的參考橢球） 以當(dāng)?shù)刈游缇€作為中央子午線 參考橢球的中心、軸向和扁率與國家參考橢球相同，長半徑有一改正量 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n ITRF坐標(biāo)框架簡介 國際地球參考框架ITRF(InternationalTerreetrial Reference Frame的縮寫)是一個地心參考框架。它是由空間大地測量觀測站的坐標(biāo)和運(yùn)動速度來定義的，是國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS的地面參考框架。由于章動、極移影響，國

41、際協(xié)議地極原點(diǎn)CI0是變化的，所以ITRF框架每年也都在變化。根據(jù)不同的時間段可定義不同的ITRF，如ITRF-93、ITRF-94、ITRF96、ITRF94(1996年7月I日以后的IGS星歷都是在此框架下給出的)等。它們的尺度和定向參數(shù)分別由人衛(wèi)激光測距和IERS公布的地球定向參數(shù)序列確定。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) ITRF框架為高精度的GPS定位測量提供較好的參考系，近幾年已被廣泛地用于地球動力學(xué)研究，高精度、大區(qū)域控制網(wǎng)的建立等方面，如青藏高原地球動力學(xué)研究、國家A級網(wǎng)平差、深圳市GP

42、S框架網(wǎng)的建立等都采用了ITRF框架。一個測區(qū)在使用ITRF框架時，一般以高級約束點(diǎn)的參考框架來確定本測區(qū)的框架。例如，在深圳市GPS框架建立時，選用了96國家A級網(wǎng)的貴陽、廣州、武漢三個A級站(其中武漢為IGS永久跟蹤站)為約束基準(zhǔn)，而96A級網(wǎng)的參考框架為ITRF-93框架，參考?xì)v元為96.365，所以深圳市GPS框架的基準(zhǔn)也選用ITRF-93框架為參考點(diǎn)。 ITRF框架實(shí)質(zhì)上也是一種地固坐標(biāo)系，其原點(diǎn)在地球體系(含海洋和大氣圈)的質(zhì)心，以WGS-84橢球?yàn)閰⒖紮E球。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)

43、n PZ-90坐標(biāo)系 PZ-90坐標(biāo)系是GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的坐標(biāo)系，與GPS采用的WGS-84坐標(biāo)系均屬于地心地固坐標(biāo)系。 PZ-90坐標(biāo)系的定義為： 坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局（IERS）推薦的協(xié)議地極原點(diǎn)，即19001905年的平均北極，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線的交點(diǎn)，Y軸按右手坐標(biāo)系定義。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) PZ-90坐標(biāo)系采用的參考橢球參數(shù)為： 長半軸 a6378136m 扁率 f=1/298.257839303 地心引力常數(shù) GM3

44、.9860044181014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速度 7.292l1510-5rad s-1 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.32.3 坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換 區(qū)分區(qū)分 在不同坐標(biāo)系表示形式之間進(jìn)在不同坐標(biāo)系表示形式之間進(jìn)行變換行變換 在不同的參考基準(zhǔn)間進(jìn)行變換在不同的參考基準(zhǔn)間進(jìn)行變換（基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換）（基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換） 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 坐標(biāo)系坐標(biāo)系間間的變換的變換u 空間大地坐標(biāo)系 空間直

45、角坐標(biāo)系u 空間直角坐標(biāo)系 空間大地坐標(biāo)系u 空間大地坐標(biāo)系 高斯平面直角坐標(biāo)系 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)1 1. . (B L H)(B L H)(X Y Z)(X Y Z) 式中，N 為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。BHeNLBHNLBHNZYXsin1sincoscoscos2 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)NBYXHXHeNLZHNBXYLcos1costanarctan222 若以a

46、、b分別表示所取橢球的長半徑和短半徑，則22222sin1abaeBeaN2 2. .(X Y Z)(X Y Z)(B L H)(B L H) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)3 3. . (B L)(B L)(x y)(x y)高斯投影的計算公式：高斯投影的計算公式： 2cos)tantan185(cos120)tan1 (cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBNBBNSx弧長該點(diǎn)到赤道的子午線線的經(jīng)差該點(diǎn)經(jīng)度到中央子午其

47、中： 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換包括：坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換包括： 不同參心大地坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換 參心大地坐標(biāo)系與地心大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 大地坐標(biāo)與高斯平面坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換 實(shí)際應(yīng)用中，我們需要將GPS點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面網(wǎng)的坐標(biāo)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本方法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本方法XYZXYZ BJ54 BJ54 WGS84WGS84( (B,L)B,L)1 1

48、(B,L)(B,L)2 2( (x,y)x,y)1 1 (x,y)(x,y)2 2( (X,Y,Z)X,Y,Z)1 1 (X,Y,Z) (X,Y,Z)2 2(B(B, ,L L, ,H H) )1 1 ( (B B, ,L L, ,H H) )2 2 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算 如果不知道兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而是知道部分點(diǎn)在兩個坐標(biāo)系的坐標(biāo)，稱公共點(diǎn)，須通過公共點(diǎn)的兩組坐標(biāo)求得轉(zhuǎn)換參數(shù) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系

49、統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法三點(diǎn)法三點(diǎn)法：對轉(zhuǎn)換參數(shù)的要求精度不高，或只有三個公共點(diǎn)時，可用三個點(diǎn)的9個坐標(biāo)，列出9個方程，取其中的7個方程求解多點(diǎn)法多點(diǎn)法：由公共點(diǎn)在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，按照轉(zhuǎn)換模型，以轉(zhuǎn)換參數(shù)為未知數(shù)寫出誤差方程 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n WGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系我國國家坐標(biāo)系我國國家坐標(biāo)系 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)

50、境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換中的參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)換中的參數(shù)設(shè)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轉(zhuǎn)換參數(shù)提供轉(zhuǎn)換參數(shù)七參數(shù)七參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)橢球參數(shù)投影參數(shù)投影參數(shù)三個平移三個平移橢球參數(shù)差橢球參數(shù)差（化簡）（化簡）長半軸之差：長半軸之差： -108扁率之差：扁率之差： +0.00480795原點(diǎn)平移參數(shù)：原點(diǎn)平移參數(shù)： +15 -150 -90 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅

51、游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.42.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 在現(xiàn)代大地測量學(xué)中，為了研究諸如地殼升降和板塊運(yùn)功等地球動力學(xué)現(xiàn)象，時間也和描述觀測點(diǎn)的空間坐標(biāo)一樣，成為研究點(diǎn)位運(yùn)動過程和規(guī)律的一個重要分量，從而形成空間與時間參考系中的四維大地測量學(xué)。 在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時間系統(tǒng)是精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，因而也是人們利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航和定位的重要基準(zhǔn)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.4.1 2.4.1 有關(guān)時間的基本概

52、念有關(guān)時間的基本概念n 時間的兩個概念 時間有“時刻”和“時間間隔”兩個概念。 時刻時刻，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星測量學(xué)中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱為歷元。 時間間隔時間間隔，系指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時刻之差。 時間間隔測量時間間隔測量也稱為相對時間測量，而時刻測量相應(yīng)地稱為絕對時間測量。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 在在GPSGPS定位中，時間的重要意義定位中，時間的重要意義 GPS衛(wèi)星作為一個高空觀測目標(biāo)，其位置是不斷變化的。因此在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時，必須

53、給出相應(yīng)的瞬間時刻。例如，當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差少于1cm時，則相應(yīng)的時刻時刻誤差應(yīng)小于2.610-6秒。（衛(wèi)星運(yùn)行速度約34km/s） GPS測量是通過接收和處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來確定用戶接收機(jī)(即觀測站)至衛(wèi)星的距離(或距離差)，進(jìn)而確定觀測站的位置。因此，準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求上述距離誤差小于1cm ，則信號傳播時間（時間間隔時間間隔）的測定誤差應(yīng)不超過310-11秒。（光速約3108km/s， 精確值為2.99792458108km/s ） 由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標(biāo)系中，地球上點(diǎn)的位置是不斷變化的。若要求赤道上一點(diǎn)的位

54、置誤差不超過1cm，則時刻時刻的測定誤差須小于210-5秒。（地球自轉(zhuǎn)速度約3km/s） 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 確定時間的基準(zhǔn)確定時間的基準(zhǔn) 測量時間，同樣必須建立一個測量的基準(zhǔn)，即時間的單位時間的單位( (尺度尺度) )和原點(diǎn)和原點(diǎn)( (起始?xì)v元起始?xì)v元) )。其中時。其中時間的尺度是關(guān)鍵間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。一般來說，任何一個可觀察的周期運(yùn)動現(xiàn)象，只要符合以下要求，都可以用作確定時間的基準(zhǔn)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSG

55、PS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 運(yùn)動應(yīng)是連續(xù)的，周期性的； 運(yùn)動的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性； 運(yùn)動的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性，即要求在任何地方和時間，都可以通過觀測和實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)這種周期性運(yùn)動。 在實(shí)踐中，由于我們所選的上述周期運(yùn)動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。在GPS測量中，具有重要意義的時間系統(tǒng)主要有三種：即恒星時、力學(xué)時和原子時。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.4.2 2.4.2 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)(Universal Time UT)(Universal Time UT) 地

56、球在空間的自轉(zhuǎn)運(yùn)動是連續(xù)的，而且比較均勻。所以人類最先建立的時間系統(tǒng)，便是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動為基準(zhǔn)的世界時系統(tǒng)。但是，由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動時，所選空間參考點(diǎn)不同，世界時系統(tǒng)又包括恒星時、平太陽時、世界時恒星時、平太陽時、世界時等不同的形式。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 恒星時恒星時(Sidereal Time ST)(Sidereal Time ST) 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動所確定的時間，稱為。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一個恒星日，含24個恒星小時。所以恒星時在數(shù)值上等于

57、春分點(diǎn)相對于本地子午圈的時角。因?yàn)楹阈菚r是以春分點(diǎn)通過本地子午圈時為原點(diǎn)計算的，同一瞬間對不同測站的恒星時各異，所以恒星時具有地方性地方性，有時也稱之為地方恒星時。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)n 平太陽時平太陽時(Mean Solar Time MT)(Mean Solar Time MT) 由于地球的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動的開普勒定律已知，太陽的視運(yùn)動速度是不均均的。如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的參考點(diǎn)，那將不符合建立時間系統(tǒng)的基本要求。為此，假設(shè)一個參考點(diǎn)的視運(yùn)動速度，等于真太陽周年

58、運(yùn)動的平均速度，且其在天球赤道上作周年視運(yùn)動。這個假設(shè)的參考點(diǎn)參考點(diǎn)，在天文學(xué)中稱為平太陽平太陽。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽日，而一個平太陽日包含有24個平太陽時。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性具有地方性，故常稱為地方平太陽時或地方平時。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時。世界時與平太陽時的尺度基準(zhǔn)相同，其差別（12小時)僅在于起算點(diǎn)不同。 世界時系統(tǒng)是以地球的自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)是以地球的自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人

59、們發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部的位置并不是固定的，即有極移現(xiàn)象并且地球的自轉(zhuǎn)速度也不均勻，它不僅包合有長期的減緩趨勢，而且還具有一些短周期的變化和季節(jié)性的變化，情況甚為復(fù)雜。 n 世界時世界時(Universal Time UT)(Universal Time UT) 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 這樣一來，地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，就破壞了上述建立時間系統(tǒng)的基本條件。為了彌補(bǔ)這一缺陷，從1956年開始，1）在世界時在世界時UT0UT0中引入了極移改正中引入了極移改正, ,得到世界時得到世界時UT1UT1（含

60、有地球自轉(zhuǎn)速度變化的影響）；2）在在UT1UT1中加入地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正得到世中加入地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正得到世界時界時UT2UT2。 UT2雖經(jīng)地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的改正，但仍含有地球自轉(zhuǎn)速度長期變化和不規(guī)則變化的影響，所以世界時UT2仍不是一個嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng)。 池州學(xué)院池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系資源環(huán)境與旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.4.3 2.4.3 原子時原子時(Atomic TimeTA)(Atomic TimeTA) 隨著空間科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)與大地測量學(xué)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對時間準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自