第二章GPS坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)ppt課件

1、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng)海洋與地球科學(xué)學(xué)院海洋與地球科學(xué)學(xué)院坐標(biāo)系統(tǒng)概論坐標(biāo)系統(tǒng)概論w描述描述GPS三部分的要求三部分的要求w衛(wèi)星衛(wèi)星地球地球(公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn))坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)w坐標(biāo)系統(tǒng)衛(wèi)星，地球）坐標(biāo)系統(tǒng)衛(wèi)星，地球）w坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換課程內(nèi)容：坐標(biāo)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換協(xié)議天球坐標(biāo)：描述對(duì)象協(xié)議天球坐標(biāo)：描述對(duì)象協(xié)議地球坐標(biāo)：描述對(duì)象協(xié)議地球坐標(biāo)：描述對(duì)象兩者的關(guān)系兩者的關(guān)系天球的基本概念天球概念圖解天球概念圖解天軸與天極天軸與天極天球赤道面和天球赤道天球赤道面和天球赤道天球子午面和子午圈天球子午面和子午圈時(shí)圈時(shí)圈黃道與黃極黃道與黃極春分點(diǎn)春分點(diǎn)討論與理解討論與理解天球坐標(biāo)系定義定義天球

2、空間直角坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系 (X, Y, Z)天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系 (, r)天球坐標(biāo)系的假設(shè)地球是均質(zhì)球體地球是均質(zhì)球體沒(méi)有其他天體攝動(dòng)力的影響沒(méi)有其他天體攝動(dòng)力的影響基于上述假設(shè)，地球自轉(zhuǎn)軸在空間是固定的基于上述假設(shè)，地球自轉(zhuǎn)軸在空間是固定的.實(shí)際的地球地球是球？地球是球？均質(zhì)？均質(zhì)？沒(méi)有其他天體攝動(dòng)力的影響？沒(méi)有其他天體攝動(dòng)力的影響？基于上述假設(shè)，地球的自轉(zhuǎn)軸是固定的？基于上述假設(shè)，地球的自轉(zhuǎn)軸是固定的？歲差現(xiàn)象北天極繞黃北極旋轉(zhuǎn)北天極繞黃北極旋轉(zhuǎn)春分點(diǎn)西移春分點(diǎn)西移圖解圖解理解和討論理解和討論歲差現(xiàn)象中月球的影響主要的影響主要的影響如果月球的引力及其運(yùn)行軌道固定不變?nèi)绻?/p>

3、球的引力及其運(yùn)行軌道固定不變天球北天極的軌跡天球北天極的軌跡:近似小圓近似小圓瞬時(shí)平北天極瞬時(shí)平北天極(平北天極平北天極)平天球赤道、平春分點(diǎn)平天球赤道、平春分點(diǎn)歲差現(xiàn)象中除月球其他因素的影響月球運(yùn)行軌道及月地距月球運(yùn)行軌道及月地距離是不斷變化的；離是不斷變化的；T時(shí)刻：瞬時(shí)時(shí)刻：瞬時(shí)(真真)北天極北天極，瞬時(shí)，瞬時(shí)(真真)天球赤道天球赤道，瞬時(shí)，瞬時(shí)(真真)春分點(diǎn)；春分點(diǎn)；章動(dòng)：瞬時(shí)北天極繞瞬章動(dòng)：瞬時(shí)北天極繞瞬時(shí)平北天極旋轉(zhuǎn)；時(shí)平北天極旋轉(zhuǎn)；章動(dòng)現(xiàn)象圖解圖解北天極在天球上的運(yùn)北天極在天球上的運(yùn)動(dòng)：歲差章動(dòng)動(dòng)：歲差章動(dòng)協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義緣由緣由:歲差與章動(dòng)歲差與章動(dòng)解決辦法：近慣性坐標(biāo)系統(tǒng)

4、解決辦法：近慣性坐標(biāo)系統(tǒng)協(xié)議天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換協(xié)議天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)平天球坐標(biāo)協(xié)議天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)平天球坐標(biāo)(歲差旋轉(zhuǎn)歲差旋轉(zhuǎn))瞬時(shí)平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)瞬時(shí)平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)(章動(dòng)旋轉(zhuǎn)章動(dòng)旋轉(zhuǎn))綜合轉(zhuǎn)換公式綜合轉(zhuǎn)換公式地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系目的目的定義定義空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系/大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：BHeNZLBHNYLBHNXsin)1 (sincos)(coscos)(222222122)sin1 (/abaeBeWWaNNBRHXarctgLWBZaetgarctgBco

5、scosYsin122/12222/122)(ZYXRYXZarctgN為橢球卯酉圈的曲率半徑，為橢球卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的第一偏心率，為橢球的第一偏心率，a、b為為橢球的長(zhǎng)短半徑。橢球的長(zhǎng)短半徑。極移現(xiàn)象歲差與章動(dòng)的原因歲差與章動(dòng)的原因日月引力日月引力地球質(zhì)量不均勻地球質(zhì)量不均勻地極點(diǎn)在地球表面的位置隨時(shí)間而變化地極點(diǎn)在地球表面的位置隨時(shí)間而變化瞬間地球自轉(zhuǎn)軸瞬間地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)極瞬時(shí)極極移的描述方法平面直角坐標(biāo)系表達(dá)平面直角坐標(biāo)系表達(dá)圖解極移圖解極移極移現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題坐標(biāo)體系坐標(biāo)體系坐標(biāo)軸指向坐標(biāo)軸指向萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性極移現(xiàn)象解決辦法國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)(C

6、IO：conventional international origin)：國(guó)際上：國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù)站，個(gè)緯度服務(wù)站，1900.00至至1905.05年平均緯度所確定的平均地極位置；年平均緯度所確定的平均地極位置；協(xié)議地極協(xié)議地極(CTP)瞬時(shí)地極與協(xié)議地極瞬時(shí)地極瞬時(shí)地極協(xié)議地極協(xié)議地極瞬時(shí)地球坐標(biāo)系瞬時(shí)地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系圖解圖解(P21)轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換兩者定義區(qū)別原點(diǎn)：地球質(zhì)心原點(diǎn)：地球質(zhì)心Z軸軸X軸與軸與X軸的夾角軸的夾角所以兩者之間的關(guān)系是所以兩者之間的關(guān)系是由定義寫(xiě)轉(zhuǎn)換公式坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換框圖大地水準(zhǔn)面和參考橢球體w當(dāng)海洋靜止時(shí)

7、，它的自由水面必定與該面上各點(diǎn)的重力當(dāng)海洋靜止時(shí)，它的自由水面必定與該面上各點(diǎn)的重力方向方向( (鉛垂線方向鉛垂線方向) )成正交，我們把這個(gè)面叫做水準(zhǔn)面。成正交，我們把這個(gè)面叫做水準(zhǔn)面。但水準(zhǔn)面有無(wú)數(shù)多個(gè)，其中有一個(gè)與靜止的平均海水面但水準(zhǔn)面有無(wú)數(shù)多個(gè)，其中有一個(gè)與靜止的平均海水面相重合?？梢栽O(shè)想這個(gè)靜止的平均海水面穿過(guò)大陸和島相重合。可以設(shè)想這個(gè)靜止的平均海水面穿過(guò)大陸和島嶼形成一個(gè)閉合的曲面，這就是大地水準(zhǔn)面。嶼形成一個(gè)閉合的曲面，這就是大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面和參考橢球體w大地水準(zhǔn)面相當(dāng)接近于一個(gè)規(guī)則的具有微小扁率的大地水準(zhǔn)面相當(dāng)接近于一個(gè)規(guī)則的具有微小扁率的數(shù)學(xué)曲面數(shù)學(xué)曲面旋轉(zhuǎn)橢球。旋

8、轉(zhuǎn)橢球可用旋轉(zhuǎn)橢球。旋轉(zhuǎn)橢球可用2 2個(gè)幾何參數(shù)個(gè)幾何參數(shù)確定，即為橢球的長(zhǎng)半徑確定，即為橢球的長(zhǎng)半徑a a和扁率和扁率f f，這兩個(gè)參數(shù)決，這兩個(gè)參數(shù)決定了橢球的形狀和大小。定了橢球的形狀和大小。w為了將地面測(cè)量數(shù)據(jù)歸算到橢球面上，僅僅知道它為了將地面測(cè)量數(shù)據(jù)歸算到橢球面上，僅僅知道它的形狀和大小是不夠的，還必須確定它與大地水準(zhǔn)的形狀和大小是不夠的，還必須確定它與大地水準(zhǔn)面的相關(guān)位置，也就是所謂的橢球定位和定向。面的相關(guān)位置，也就是所謂的橢球定位和定向。w另外，為了從幾何特性和物理特性兩個(gè)方面來(lái)研究另外，為了從幾何特性和物理特性兩個(gè)方面來(lái)研究全球的形狀，則還要使橢球與全球大地水準(zhǔn)面結(jié)合全球的

9、形狀，則還要使橢球與全球大地水準(zhǔn)面結(jié)合最為密切。最為密切。參考橢球體w現(xiàn)代大地測(cè)量中，采用現(xiàn)代大地測(cè)量中，采用4個(gè)參數(shù)來(lái)描述橢球的幾何和個(gè)參數(shù)來(lái)描述橢球的幾何和物理特性，這四個(gè)參數(shù)是：物理特性，這四個(gè)參數(shù)是：w橢球的長(zhǎng)半徑橢球的長(zhǎng)半徑(解方程，用弧度測(cè)量的傳統(tǒng)方法求解方程，用弧度測(cè)量的傳統(tǒng)方法求出出)。w地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)J2(J2與扁率存在一定解析與扁率存在一定解析關(guān)系關(guān)系)(衛(wèi)星大地測(cè)量與衛(wèi)星激光測(cè)距求出衛(wèi)星大地測(cè)量與衛(wèi)星激光測(cè)距求出)。w地心引力常數(shù)與地球質(zhì)量的乘積地心引力常數(shù)與地球質(zhì)量的乘積GM(衛(wèi)星大地測(cè)量衛(wèi)星大地測(cè)量解算解算)。w地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速

10、度(天文觀測(cè)求出天文觀測(cè)求出)。w地心坐標(biāo)系：將橢球中心與地球質(zhì)心重合，且與全地心坐標(biāo)系：將橢球中心與地球質(zhì)心重合，且與全球大地水準(zhǔn)面最為密合的旋轉(zhuǎn)橢球。球大地水準(zhǔn)面最為密合的旋轉(zhuǎn)橢球。地球參心坐標(biāo)系w參考橢球：為了研究局部球面的形狀，且使地面參考橢球：為了研究局部球面的形狀，且使地面測(cè)量數(shù)據(jù)歸算至橢球的各項(xiàng)改正數(shù)最小，各個(gè)國(guó)測(cè)量數(shù)據(jù)歸算至橢球的各項(xiàng)改正數(shù)最小，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)分別選擇和某一局部區(qū)域的大地水準(zhǔn)面家和地區(qū)分別選擇和某一局部區(qū)域的大地水準(zhǔn)面最為密合的橢球建立坐標(biāo)系。這樣選定和建立的最為密合的橢球建立坐標(biāo)系。這樣選定和建立的橢球稱為參考橢球；橢球稱為參考橢球；w大地原點(diǎn)大地原點(diǎn)w參心坐

11、標(biāo)系參心坐標(biāo)系參心空間直角坐標(biāo)系和參心大地參心空間直角坐標(biāo)系和參心大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系w由于參心坐標(biāo)系處理局部區(qū)域數(shù)據(jù)帶來(lái)的變形較由于參心坐標(biāo)系處理局部區(qū)域數(shù)據(jù)帶來(lái)的變形較小，所以，參心坐標(biāo)系至今對(duì)大地測(cè)量仍有重要小，所以，參心坐標(biāo)系至今對(duì)大地測(cè)量仍有重要作用。作用。國(guó)家大地坐標(biāo)系1. 1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系(BJ54舊舊)國(guó)家大地坐標(biāo)系1. 1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系(BJ54舊舊) 參心坐標(biāo)系；參心坐標(biāo)系； 大地原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃；大地原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃； 參考橢球：克拉索夫斯基橢球，前蘇聯(lián)參考橢球：克拉索夫斯基橢球，前蘇聯(lián)1942年年坐標(biāo)系的延伸；坐標(biāo)系的延伸；高程基

12、準(zhǔn)：高程基準(zhǔn)：1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面；海水面；高程異常：原蘇聯(lián)高程異常：原蘇聯(lián) 1955年大地水準(zhǔn)面重新平差年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算結(jié)果為起算數(shù)據(jù)，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算而得；而得；平差方法：分區(qū)分期局部平差；平差方法：分區(qū)分期局部平差；國(guó)家大地坐標(biāo)系1. 1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系(BJ54舊舊) 存在的問(wèn)題：存在的問(wèn)題： 橢球參數(shù)差異較大，不包含表示地球物理特性橢球參數(shù)差異較大，不包含表示地球物理特性的參數(shù)。的參數(shù)。 定向不明確，橢球的短半軸既不指向國(guó)際通用定向不明確，橢球的短半軸既不指向國(guó)際通用的的CTP

13、，也不指向目前我國(guó)使用的，也不指向目前我國(guó)使用的JYD極。極。參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達(dá)統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達(dá)60余米，最大達(dá)余米，最大達(dá)67米。米。大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)局部分區(qū)平差得到的，區(qū)與大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)局部分區(qū)平差得到的，區(qū)與區(qū)之間有較大的隙距，全國(guó)的天文大地控制區(qū)之間有較大的隙距，全國(guó)的天文大地控制點(diǎn)實(shí)際上不能形成一個(gè)整體。點(diǎn)實(shí)際上不能形成一個(gè)整體。國(guó)家大地坐標(biāo)系2. 1980年西安坐標(biāo)系年西安坐標(biāo)系(GDZ80)大地原點(diǎn)位于陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)石際寺村大地原點(diǎn)位于陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)石際寺村國(guó)家大地坐標(biāo)系2.

14、1980年西安坐標(biāo)系年西安坐標(biāo)系(GDZ80)參心坐標(biāo)系。參心坐標(biāo)系。大地原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。大地原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。 參考橢球：參考橢球：1975年年IUGG推薦橢球，有推薦橢球，有4個(gè)幾何個(gè)幾何和物理參數(shù)：和物理參數(shù)：長(zhǎng)軸：長(zhǎng)軸：63781405(m)；地心引力常數(shù)地心引力常數(shù)GM地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)J2地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速度w橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和最橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。小為原則求解參數(shù)。高程基準(zhǔn)：高程基準(zhǔn)：1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面海水面 。平差方法：天

15、文大地網(wǎng)整體平差。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。sradJsmGM/10292115. 71008263. 12/10986005. 3532314國(guó)家大地坐標(biāo)系2. 1980年西安坐標(biāo)系年西安坐標(biāo)系(GDZ80)特點(diǎn)：特點(diǎn)：大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部。大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部。橢球面同近大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)最為密合。橢球面同近大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)最為密合。定向明確，短軸平行于由地球質(zhì)心指向定向明確，短軸平行于由地球質(zhì)心指向1968.0地極原點(diǎn)地極原點(diǎn)(JYD)的方向，起始大地子午面平行的方向，起始大地子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面。于格林尼治平均天文臺(tái)子午面。國(guó)家大地坐標(biāo)系3. 新新1954年北

16、京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系(BJ54新新) 由由1980年國(guó)家大地坐標(biāo)年國(guó)家大地坐標(biāo)(GDZ80)轉(zhuǎn)換得來(lái)，轉(zhuǎn)換得來(lái)，仍選用克拉索夫斯基橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)橢球，并將仍選用克拉索夫斯基橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)橢球，并將橢球中心平移，使其坐標(biāo)軸與橢球中心平移，使其坐標(biāo)軸與1980西安坐標(biāo)西安坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸平行。系的坐標(biāo)軸平行。大地原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。大地原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。多點(diǎn)定位，但橢球面同大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)多點(diǎn)定位，但橢球面同大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)并不最佳擬合。并不最佳擬合。定向明確，與定向明確，與GDZ80相同。相同。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。平

17、差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。高程基準(zhǔn)：高程基準(zhǔn)：1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面海水面 。地方坐標(biāo)系w緣由：國(guó)家坐標(biāo)系的投影變形大，不方便使用；緣由：國(guó)家坐標(biāo)系的投影變形大，不方便使用；w目的：基于限制變形、方便、實(shí)用和科學(xué)的目的，目的：基于限制變形、方便、實(shí)用和科學(xué)的目的，常常會(huì)建立適合本地區(qū)的地方獨(dú)立坐標(biāo)系；常常會(huì)建立適合本地區(qū)的地方獨(dú)立坐標(biāo)系；w構(gòu)建：建立地方獨(dú)立坐標(biāo)系，實(shí)際上就是通過(guò)一些構(gòu)建：建立地方獨(dú)立坐標(biāo)系，實(shí)際上就是通過(guò)一些參數(shù)來(lái)確定地方參考橢球與投影面。參數(shù)來(lái)確定地方參考橢球與投影面。地方坐標(biāo)系地方參考橢球一般選擇與當(dāng)?shù)仄骄叱滔鄬?duì)應(yīng)的參考橢球

18、，地方參考橢球一般選擇與當(dāng)?shù)仄骄叱滔鄬?duì)應(yīng)的參考橢球，該橢球的中心、軸向和扁率與國(guó)家參考橢球相同，其橢該橢球的中心、軸向和扁率與國(guó)家參考橢球相同，其橢球半徑球半徑a a增大為：增大為： 式中，式中， 為當(dāng)?shù)仄骄０胃叱?，為?dāng)?shù)仄骄０胃叱蹋?為該地區(qū)平均高程異為該地區(qū)平均高程異常。常。在地方投影面的確定過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)選取過(guò)測(cè)區(qū)中心的經(jīng)線在地方投影面的確定過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)選取過(guò)測(cè)區(qū)中心的經(jīng)線為獨(dú)立中央子午線，并選取當(dāng)?shù)仄骄叱堂鏋橥队懊?。為?dú)立中央子午線，并選取當(dāng)?shù)仄骄叱堂鏋橥队懊妗?1111mHmH0WGS-84坐標(biāo)系w目前目前GPS所采用的坐標(biāo)系所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，美國(guó)國(guó)防部研制確定統(tǒng)，美國(guó)國(guó)防部

19、研制確定的世界大地坐標(biāo)系的世界大地坐標(biāo)系(WGS)；w幾何定義：原點(diǎn)為地球質(zhì)幾何定義：原點(diǎn)為地球質(zhì)心，心，Z軸指向軸指向 BIH 1984.0定義的協(xié)議地極定義的協(xié)議地極(CTP)方向，方向，X軸指向軸指向 BIH1984.0 定義定義的零子午面和的零子午面和 CTP赤道的赤道的交點(diǎn)，交點(diǎn)，Y軸與軸與 Z、X軸構(gòu)成軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。右手坐標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系w參考橢球：參考橢球：WGS-84橢球，其參數(shù)采用橢球，其參數(shù)采用 IUGG第第 17屆大會(huì)推薦值：屆大會(huì)推薦值：w計(jì)算計(jì)算GPS衛(wèi)星瞬間位置衛(wèi)星瞬間位置23156205 .39860010292115. 71016685.484257

20、223563.298/16378137skmGMsradCfma高斯克呂格投影平面直角坐標(biāo)系w為了建立各種比例尺地形圖的控制及工程測(cè)量控制，一般應(yīng)為了建立各種比例尺地形圖的控制及工程測(cè)量控制，一般應(yīng)將橢球面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)按照一定的規(guī)律投影到平面上，將橢球面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)按照一定的規(guī)律投影到平面上，并以相應(yīng)的平面直角坐標(biāo)表示。并以相應(yīng)的平面直角坐標(biāo)表示。w目前各國(guó)常采用的是高斯投影和目前各國(guó)常采用的是高斯投影和UTM投影，這兩種投影具投影，這兩種投影具有下列特點(diǎn)：有下列特點(diǎn)：w橢球面上任意一個(gè)角度，投影到平面上都保持不變，中央經(jīng)橢球面上任意一個(gè)角度，投影到平面上都保持不變，中央經(jīng)線長(zhǎng)度比等于

21、線長(zhǎng)度比等于1，沒(méi)有長(zhǎng)度變形，其余經(jīng)線長(zhǎng)度比均大于，沒(méi)有長(zhǎng)度變形，其余經(jīng)線長(zhǎng)度比均大于1，長(zhǎng)度變形為正。長(zhǎng)度變形為正。w中央子午線投影為縱軸，并且是投影點(diǎn)的對(duì)稱軸，中央子午中央子午線投影為縱軸，并且是投影點(diǎn)的對(duì)稱軸，中央子午線投影后無(wú)變形，但其它長(zhǎng)度均產(chǎn)生變形，且越離中央子午線投影后無(wú)變形，但其它長(zhǎng)度均產(chǎn)生變形，且越離中央子午線越遠(yuǎn)，變形愈大。線越遠(yuǎn)，變形愈大。高斯高斯-克呂格投影克呂格投影等角橫切橢圓柱投影等角橫切橢圓柱投影高斯克呂格投影平面直角坐標(biāo)系w為了保證地圖的精度，采用分帶投影方法，即將投影范為了保證地圖的精度，采用分帶投影方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其變形不超過(guò)一定的限度

22、。圍的東西界加以限制，使其變形不超過(guò)一定的限度。w6 度帶是從度帶是從0 度子午線起，自西向東每隔經(jīng)差度子午線起，自西向東每隔經(jīng)差6 為一投為一投影帶，全球分為影帶，全球分為60 帶，各帶的帶號(hào)用自然序數(shù)帶，各帶的帶號(hào)用自然序數(shù)1，2，3，60表示。即以東經(jīng)表示。即以東經(jīng)06為第為第1帶，其中央經(jīng)線為帶，其中央經(jīng)線為3E，東經(jīng)，東經(jīng)612為第為第2 帶，其中央經(jīng)線為帶，其中央經(jīng)線為9E，其余類推。，其余類推。w3 度帶，是從東經(jīng)度帶，是從東經(jīng)1 度度30 分的經(jīng)線開(kāi)始，每隔分的經(jīng)線開(kāi)始，每隔3 度為一度為一帶，全球劃分為帶，全球劃分為120個(gè)投影帶。個(gè)投影帶。w高斯平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與笛卡

23、兒直角坐標(biāo)系坐標(biāo)高斯平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與笛卡兒直角坐標(biāo)系坐標(biāo)軸相反，一般將軸相反，一般將y值加上值加上500公里，在公里，在y值前冠以帶號(hào)。值前冠以帶號(hào)。w帶號(hào)與中央子午線經(jīng)度的關(guān)系為：帶號(hào)與中央子午線經(jīng)度的關(guān)系為：kLnL3360, 30, 6不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換w在已有常規(guī)測(cè)量成果的區(qū)域進(jìn)行在已有常規(guī)測(cè)量成果的區(qū)域進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，往往測(cè)量時(shí)，往往需要將由需要將由GPS測(cè)量獲得的成果納入到國(guó)家坐標(biāo)系或測(cè)量獲得的成果納入到國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系，以保證已有測(cè)繪成果的充分利用。地方獨(dú)立坐標(biāo)系，以保證已有測(cè)繪成果的充分利用。wGPS定位測(cè)量數(shù)據(jù)處理中，需要考慮如何將定位測(cè)量數(shù)據(jù)處理中，需要考

24、慮如何將GPS測(cè)測(cè)量成果由量成果由WGS-84世界大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至國(guó)家或地世界大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至國(guó)家或地方獨(dú)立坐標(biāo)系。方獨(dú)立坐標(biāo)系。不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換w平移平移w旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)w縮放縮放平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，例如：數(shù)字化儀坐標(biāo)平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，例如：數(shù)字化儀坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；與測(cè)量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；三維空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；三維空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：u一種是不同投影帶之間的轉(zhuǎn)換，又稱鄰帶換算，一種是不同投影帶之間的轉(zhuǎn)換，又稱鄰帶換算，它是指一個(gè)帶的平面坐標(biāo)換算到相鄰帶的平面坐它是指一個(gè)帶的平面坐標(biāo)換算到相鄰帶的平面坐標(biāo)。標(biāo)。u另一

25、種是不同平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，如屏另一種是不同平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，如屏幕坐標(biāo)系與數(shù)字化儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。幕坐標(biāo)系與數(shù)字化儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：1) 平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：假設(shè)原始坐標(biāo)系為假設(shè)原始坐標(biāo)系為 ，轉(zhuǎn)換后為，轉(zhuǎn)換后為 ,令令P表示平表示平面上一個(gè)未被轉(zhuǎn)換的點(diǎn)，面上一個(gè)未被轉(zhuǎn)換的點(diǎn)，P表示經(jīng)某種變換后的新點(diǎn)，表示經(jīng)某種變換后的新點(diǎn)，則平面直角坐標(biāo)系之間存在三種變換分別是平移變則平面直角坐標(biāo)系之間存在三種變換分別是平移變換、比例變換和旋轉(zhuǎn)變換。換、比例變換和旋轉(zhuǎn)變換。對(duì)于平移變換，假定對(duì)于平移變換，

26、假定 表示點(diǎn)表示點(diǎn)P沿沿X方向的平移量，方向的平移量， 為為沿沿Y方向的平移量。則有相應(yīng)的矩陣形式為。方向的平移量。則有相應(yīng)的矩陣形式為。 對(duì)于比例變換，對(duì)于比例變換， 是給定點(diǎn)是給定點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)沿相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)沿X方向方向的比例系數(shù)的比例系數(shù), 是沿是沿Y方向的比例系數(shù)，經(jīng)變換后則方向的比例系數(shù)，經(jīng)變換后則有矩陣。有矩陣。yxTTyxyxyxSSyxyx00 xTyTxSySxoyyoxu對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換，先討論繞原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，若點(diǎn)對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換，先討論繞原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，若點(diǎn)P相對(duì)于原點(diǎn)逆時(shí)相對(duì)于原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，則從數(shù)學(xué)上很容易得到變換后的坐標(biāo)為針旋轉(zhuǎn)角度，則從數(shù)學(xué)上很容易得到變換后的坐標(biāo)為u

27、 矩陣可以表示為：矩陣可以表示為：u 這里的旋轉(zhuǎn)角通常稱為歐勒角。這里的旋轉(zhuǎn)角通常稱為歐勒角。 稱為旋轉(zhuǎn)矩陣。稱為旋轉(zhuǎn)矩陣。 cossinsincosyxyyxxcossinsincosyxyxcossinsincosu在在GIS中，經(jīng)常會(huì)遇到同時(shí)具有以上三種變換的平面直角坐中，經(jīng)常會(huì)遇到同時(shí)具有以上三種變換的平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算，例如高斯坐標(biāo)系與數(shù)字化儀坐標(biāo)系之間的標(biāo)系的坐標(biāo)換算，例如高斯坐標(biāo)系與數(shù)字化儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)轉(zhuǎn)換。設(shè) 為數(shù)字化儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為數(shù)字化儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 為為高斯坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。則可有如下變換：高斯坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。則可有如下變換：u 共有五個(gè)參數(shù)，也即五個(gè)

28、未知數(shù)，所以至少需要三個(gè)互相共有五個(gè)參數(shù)，也即五個(gè)未知數(shù)，所以至少需要三個(gè)互相重合的已知坐標(biāo)的公共點(diǎn)。重合的已知坐標(biāo)的公共點(diǎn)。yxyxTTyxSSyxcossinsincos00,yxP ,yxP 2) 空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換： 空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，類似于平面直角坐空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，類似于平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。假設(shè)原始坐標(biāo)系為標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。假設(shè)原始坐標(biāo)系為 ，轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換后為為 , 其中平移變換的矩陣形式為其中平移變換的矩陣形式為 比例變換的矩陣形式為比例變換的矩陣形式為XYZOZYXO zyxTTTzyxzyxzyxSSSzyxzyx00000

29、0 對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換，設(shè)原始坐標(biāo)系通過(guò)三次旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換，設(shè)原始坐標(biāo)系通過(guò)三次旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系，分別是：系，分別是：（1繞繞 軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度，角度， 旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)至（2繞繞 軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度，角度， 旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)至（3繞繞 軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度，角度， 旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)至 那么那么 為空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)變換的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，也為空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)變換的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，也稱為歐勒角，與它們相對(duì)應(yīng)的矩陣分別為：稱為歐勒角，與它們相對(duì)應(yīng)的矩陣分別為：xxxxxRcossin0sincos0001)(1yyyyyRcos0sin010sin0cos)(11000cossin0sincos)(1zzzzz

30、Rz1OZ11,OYOX00,OYOXY0OY10,OZOX02,OZOXX2OX00,OZOY22,OZOYZYX, 令令則有則有 可得可得 一般地，一般地， 均為小角度，則又有均為小角度，則又有0RzyxzyxyxzyxzxzyxzxyxzyxzxzyxzxyzyyRcoscossinsincoscossinsinsincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscos00sinsinsinsinsinsinsin,sin,sin1coscoscoszyzxyxzzyyxxzyxZYX,)()()(1110ZYXRRRR由此又

31、得由此又得R0通常稱為旋轉(zhuǎn)矩陣。通常稱為旋轉(zhuǎn)矩陣。1110 xyxzyxR兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系 在測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)遇到既有旋轉(zhuǎn)又有平移的兩個(gè)空間直角在測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)遇到既有旋轉(zhuǎn)又有平移的兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算，這里存在著三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算，這里存在著三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，再顧及到兩個(gè)坐標(biāo)系之間尺度的不盡一致，從而還有一個(gè)尺度再顧及到兩個(gè)坐標(biāo)系之間尺度的不盡一致，從而還有一個(gè)尺度變化參數(shù)，共計(jì)有變化參數(shù)，共計(jì)有7個(gè)參數(shù)，相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即為：個(gè)參數(shù)，相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即為： 式中，式中， 為三個(gè)平移參數(shù)，為三個(gè)平移參數(shù)， 為旋轉(zhuǎn)參

32、數(shù)，為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度為尺度變化參數(shù)。變化參數(shù)。 上式即為測(cè)量中上式即為測(cè)量中2個(gè)不同空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型，個(gè)不同空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型，在實(shí)際中，為了求得這在實(shí)際中，為了求得這7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在兩個(gè)坐標(biāo)系之間需要個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在兩個(gè)坐標(biāo)系之間需要至少有至少有3個(gè)已知坐標(biāo)的重合的公共點(diǎn)，列個(gè)已知坐標(biāo)的重合的公共點(diǎn)，列9個(gè)方程。個(gè)方程。)(R000,ZYXTTTSSSZYXRmZYXZYX)()1 (000w習(xí)題：確定矢量習(xí)題：確定矢量(1,1,1)在原坐標(biāo)系繞坐標(biāo)軸在原坐標(biāo)系繞坐標(biāo)軸z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)45度、繞坐標(biāo)軸度、繞坐標(biāo)軸y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)-45度后，在度后，在新坐標(biāo)系下的表示。新坐

33、標(biāo)系下的表示。 GPS時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)在GPS定位中的意義描述描述GPS三部分及其相互關(guān)系的基準(zhǔn)三部分及其相互關(guān)系的基準(zhǔn):意義意義1：對(duì)于衛(wèi)星：對(duì)于衛(wèi)星時(shí)間與位置關(guān)系時(shí)間與位置關(guān)系意義意義2：距離測(cè)定：距離測(cè)定通過(guò)時(shí)間間接獲得，誤差通過(guò)時(shí)間間接獲得，誤差意義意義3：天球坐標(biāo)和地球坐標(biāo)之間描述的要求：天球坐標(biāo)和地球坐標(biāo)之間描述的要求誤差要求誤差要求時(shí)間概念時(shí)間概念w時(shí)辰：歷元時(shí)辰：歷元w時(shí)間間隔：始末時(shí)刻之差時(shí)間間隔：始末時(shí)刻之差時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)兩個(gè)基準(zhǔn)：兩個(gè)基準(zhǔn)：尺度：時(shí)間的單位，關(guān)鍵尺度：時(shí)間的單位，關(guān)鍵尺度基準(zhǔn)：周期運(yùn)動(dòng)，滿足以下要求：連續(xù)性、尺度基準(zhǔn)：周期運(yùn)動(dòng)，滿足以下要求：連續(xù)

34、性、周期穩(wěn)定性、可觀測(cè)性和復(fù)現(xiàn)性；周期穩(wěn)定性、可觀測(cè)性和復(fù)現(xiàn)性；原點(diǎn)：起始?xì)v元原點(diǎn)：起始?xì)v元不同的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同的時(shí)間系統(tǒng)不同的時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)w世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)w原子時(shí)系統(tǒng)原子時(shí)系統(tǒng)w力學(xué)時(shí)系統(tǒng)力學(xué)時(shí)系統(tǒng)w協(xié)調(diào)世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)wGPSGPS時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)w不同時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系不同時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)w恒星時(shí)恒星時(shí)(siderdal time，ST)w平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)(mean solar time，MT)w世界時(shí)世界時(shí)(universal time，UT)恒星時(shí)恒星時(shí)(siderdal time，ST)w以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的

35、時(shí)間。以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。w春分點(diǎn)：空間坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，是黃道春分點(diǎn)：空間坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，是黃道(地球繞太陽(yáng)公地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道轉(zhuǎn)的軌道)與赤道的交點(diǎn)與赤道的交點(diǎn)(交點(diǎn)有兩個(gè)，春分點(diǎn)交點(diǎn)有兩個(gè)，春分點(diǎn)/秋分點(diǎn)秋分點(diǎn))。 w恒星日：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔。恒星日：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔。w一個(gè)恒星日一個(gè)恒星日=24個(gè)恒星小時(shí)個(gè)恒星小時(shí)=1440個(gè)恒星分個(gè)恒星分=86400個(gè)恒星個(gè)恒星秒。秒。w時(shí)間尺度：恒星時(shí)時(shí)間尺度：恒星時(shí)=春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角w原點(diǎn)：春分點(diǎn)經(jīng)過(guò)本地子午圈時(shí)原點(diǎn)：春分點(diǎn)經(jīng)過(guò)本地子午

36、圈時(shí)地方性地方性w真北天極真北天極真春分真春分 (真真)恒星時(shí)恒星時(shí)w平北天極平北天極平春分平春分平恒星時(shí)平恒星時(shí)平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)(mean solar time，MT)w地球公轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度不均勻太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度不均勻w假設(shè)：平太陽(yáng)，以真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度在天球赤假設(shè)：平太陽(yáng)，以真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，其周期與真太陽(yáng)一致。道上作周年視運(yùn)動(dòng)，其周期與真太陽(yáng)一致。w以平太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。以平太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。w平太陽(yáng)日：平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔平太陽(yáng)日：平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)

37、間間隔為一個(gè)平太陽(yáng)日，為一個(gè)平太陽(yáng)日， 一個(gè)平太陽(yáng)日一個(gè)平太陽(yáng)日=24個(gè)平太陽(yáng)小時(shí)。個(gè)平太陽(yáng)小時(shí)。w時(shí)間尺度：平太陽(yáng)時(shí)時(shí)間尺度：平太陽(yáng)時(shí)=平太陽(yáng)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。平太陽(yáng)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。w原點(diǎn)：平太陽(yáng)通過(guò)本地子午圈時(shí)原點(diǎn)：平太陽(yáng)通過(guò)本地子午圈時(shí)地方平太陽(yáng)時(shí)。地方平太陽(yáng)時(shí)。世界時(shí)世界時(shí)(universal time, UT)w以平子午夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)。以平子午夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)。wUT = GAMT+12(h)wGAMT：平太陽(yáng)相對(duì)格林尼治子午圈的時(shí)角：平太陽(yáng)相對(duì)格林尼治子午圈的時(shí)角w世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)：尺度相同，起算點(diǎn)不同世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)：尺度相同，起算點(diǎn)不同w極移極移地球自轉(zhuǎn)速度不均勻：在世界時(shí)地球自轉(zhuǎn)速度不均勻：在世界時(shí)(UT0)中引入中引