精品課程GPS原理及應(yīng)用-第2章 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)踐系統(tǒng)ppt課件

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)空間完全定義一個(gè)空間 2.1坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng) GPS定位是通過(guò)安置于地球表面的定位是通過(guò)安置于地球表面的GPS接接收機(jī)同時(shí)接收收機(jī)同時(shí)接收4顆以上的顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，從而測(cè)定衛(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)，而置隨地球自轉(zhuǎn)而變動(dòng)，而GPS衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)且與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。因此，在轉(zhuǎn)且與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。因此，在GPS衛(wèi)星定位中，衛(wèi)星定位中，需建立描述需建立描述GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，并確定該坐標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)

2、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。標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。1 、坐標(biāo)原點(diǎn)的位置；、坐標(biāo)原點(diǎn)的位置；2 、3個(gè)坐標(biāo)軸的指向個(gè)坐標(biāo)軸的指向 ；3 、長(zhǎng)度單位。、長(zhǎng)度單位。 GPS定位常采用空間直角坐標(biāo)系，一般取地球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)系用位置矢量質(zhì)心為坐標(biāo)系的原點(diǎn)?？臻g直角坐標(biāo)系用位置矢量在在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影參數(shù)個(gè)坐標(biāo)軸上的投影參數(shù)x、y、z表示空間表示空間點(diǎn)的位置。采用空間直角坐標(biāo)系，可以方便地通過(guò)點(diǎn)的位置。采用空間直角坐標(biāo)系，可以方便地通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)從一個(gè)坐標(biāo)

3、系轉(zhuǎn)化至另一坐標(biāo)系。完全平移和旋轉(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：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。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)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)谑褂弥惺堑葍r(jià)

4、的。系、大地坐標(biāo)系等。它們?cè)谑褂弥惺堑葍r(jià)的。 根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，坐標(biāo)系分為兩根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，坐標(biāo)系分為兩大類(lèi)，即天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。天球坐大類(lèi)，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)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)標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài)。地球坐標(biāo)系則是與地球相關(guān)行位置和狀態(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。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)時(shí)間系統(tǒng) 在在GPS衛(wèi)星定位中，作為觀測(cè)目標(biāo)的衛(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

5、度在運(yùn)動(dòng)。對(duì)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、間隔、高度和運(yùn)觀測(cè)者而言，衛(wèi)星的方向、間隔、高度和運(yùn)行速度都不斷地變化。因此，在由跟蹤站對(duì)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。須給出對(duì)應(yīng)的瞬間時(shí)刻。 另一方面，為了根據(jù)衛(wèi)星與另一方面，為了根據(jù)衛(wèi)星與GPS接收機(jī)之間接收機(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誤差小于1cm，則信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差，則信號(hào)

6、傳播時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)小于應(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)地給定獲取任何一個(gè)觀測(cè)量都必須對(duì)應(yīng)地給定獲取該觀測(cè)量的時(shí)刻。因此，在該觀測(cè)量的時(shí)刻。因此，在GPS衛(wèi)星定位衛(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。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)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(lái)，

7、才能給出時(shí)刻的概把尺度與原點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，才能給出時(shí)刻的概念。念。 就理論上而言，任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，只要就理論上而言，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(mǎn)足這一理論要求。隨著觀測(cè)技術(shù)定的精度上滿(mǎn)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)際時(shí)間尺度將不斷地接近這一

8、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)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)。產(chǎn)生了不同的時(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)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，為后繼的用的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行介紹，為后繼的GPS定位原定位原理的介紹奠定基礎(chǔ)。理的介紹奠定基礎(chǔ)。 2.2 協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系 2.2.1 天球的基本概念天球的基本概念 所謂天球，是指以地球質(zhì)心為中心、以無(wú)窮大為所謂天球，是指以地球質(zhì)心為中心、以無(wú)窮大為半徑的一個(gè)假想球體。地球自

9、轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線(xiàn)稱(chēng)為半徑的一個(gè)假想球體。地球自轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線(xiàn)稱(chēng)為天軸，天軸與天球的天軸，天軸與天球的2個(gè)交點(diǎn)稱(chēng)為天極，即北天個(gè)交點(diǎn)稱(chēng)為天極，即北天極和南天極。包含天軸并通過(guò)地球上任意點(diǎn)的平極和南天極。包含天軸并通過(guò)地球上任意點(diǎn)的平面稱(chēng)為天球子午面，天球子午面與天球相交的大面稱(chēng)為天球子午面，天球子午面與天球相交的大圓稱(chēng)為天球子午圈，通過(guò)天軸的平面與天球相交圓稱(chēng)為天球子午圈，通過(guò)天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓稱(chēng)為時(shí)圈。通過(guò)地球質(zhì)心且與天軸垂的半個(gè)大圓稱(chēng)為時(shí)圈。通過(guò)地球質(zhì)心且與天軸垂直的平面稱(chēng)為天球赤道面，天球赤道面與天球的直的平面稱(chēng)為天球赤道面，天球赤道面與天球的交線(xiàn)稱(chēng)為天球赤道。地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道面

10、與交線(xiàn)稱(chēng)為天球赤道。地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的平面稱(chēng)為黃道面，相交的大圓稱(chēng)為黃天球相交的平面稱(chēng)為黃道面，相交的大圓稱(chēng)為黃道。黃道面與赤道面的夾角稱(chēng)為黃赤交角，約為道。黃道面與赤道面的夾角稱(chēng)為黃赤交角，約為23.5。 通過(guò)天球中心且垂直于黃道面的直線(xiàn)與通過(guò)天球中心且垂直于黃道面的直線(xiàn)與天球的交點(diǎn)稱(chēng)為黃極，其中靠近北天極的交天球的交點(diǎn)稱(chēng)為黃極，其中靠近北天極的交點(diǎn)稱(chēng)為黃北極，靠近南天極的交點(diǎn)稱(chēng)為黃南點(diǎn)稱(chēng)為黃北極，靠近南天極的交點(diǎn)稱(chēng)為黃南極。黃道與天球赤道有極。黃道與天球赤道有2個(gè)交點(diǎn)，其中太陽(yáng)個(gè)交點(diǎn)，其中太陽(yáng)的視位置由南向北通過(guò)赤道的交點(diǎn)稱(chēng)為春分的視位置由南向北通過(guò)赤道的交點(diǎn)稱(chēng)為春分點(diǎn)，另

11、一點(diǎn)則稱(chēng)為秋分點(diǎn)。點(diǎn)，另一點(diǎn)則稱(chēng)為秋分點(diǎn)。 2.2.2 天球坐標(biāo)系天球坐標(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，任意空球面坐標(biāo)系。在天球空間直角坐標(biāo)系中，任意空間點(diǎn)間點(diǎn)S的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為x，y，z）。該坐標(biāo)系的定義）。該坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其，其Z軸指向北天軸指向北天極，極，X軸指向春分點(diǎn)，軸指向春分點(diǎn)，Y軸垂直于軸垂直于XOZ平面并構(gòu)平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。成右手坐標(biāo)系。 在天球球面坐標(biāo)中，任意空間點(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

12、分點(diǎn)的天球子午面與過(guò)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(xiàn)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：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)的影響歲差與章動(dòng)的影響1.歲差歲差 上述坐標(biāo)系統(tǒng)的建立，是基于假設(shè)地球?yàn)榫鲜鲎鴺?biāo)系統(tǒng)的建立，是基于假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)的球體且沒(méi)有天體攝動(dòng)力影響的理想情況，即質(zhì)的球體且沒(méi)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，因而假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向是固定的，因而春

13、分點(diǎn)在天球的位置保持不變。但是，實(shí)際上地春分點(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，在太球的形體是接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體，在太陽(yáng)、月亮的萬(wàn)有引力和其他天體引力對(duì)地球隆起陽(yáng)、月亮的萬(wàn)有引力和其他天體引力對(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，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(chēng)為歲差。種現(xiàn)象稱(chēng)為歲差。 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞黃北在歲差的影響下，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極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)從北天極上方觀察

14、為順時(shí)針?lè)较颍?，因而使北天極以同樣的方式在時(shí)針?lè)较颍?，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)。天球上繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。 在這個(gè)小圓圈上，北天極每年西移在這個(gè)小圓圈上，北天極每年西移50.7，周期大約為周期大約為25600年。年。2.章動(dòng)章動(dòng) 上述有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱(chēng)為瞬時(shí)平北天極，簡(jiǎn)稱(chēng)上述有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱(chēng)為瞬時(shí)平北天極，簡(jiǎn)稱(chēng)平北天極，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱(chēng)為瞬時(shí)天平北天極，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱(chēng)為瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。但是，在太陽(yáng)和其他行星引球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。但是，在太陽(yáng)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力的影響下，月球的運(yùn)

15、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)際上要復(fù)雜得多。若稱(chēng)觀測(cè)時(shí)的北天極為瞬轉(zhuǎn)的軌跡實(shí)際上要復(fù)雜得多。若稱(chēng)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)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(chēng)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稱(chēng)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，周期約為時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓軌跡，周期約為18

16、.6年。這種現(xiàn)象稱(chēng)為章動(dòng)。年。這種現(xiàn)象稱(chēng)為章動(dòng)。2.2.4 協(xié)議天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換協(xié)議天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換 1.協(xié)議地球坐標(biāo)系協(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)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(lái)研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了建立一個(gè)與定律來(lái)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)軸和作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時(shí)

17、自轉(zhuǎn)軸和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)該瞬時(shí)的歲差和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)該瞬時(shí)的歲差和章動(dòng)改正后，分別作為章動(dòng)改正后，分別作為Z軸和軸和X軸的指向。由此軸的指向。由此所構(gòu)成的空間固定坐標(biāo)系，稱(chēng)為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元所構(gòu)成的空間固定坐標(biāo)系，稱(chēng)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，時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系，或協(xié)議天球坐標(biāo)系， 國(guó)際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)和國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)國(guó)際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)和國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決定，自決定，自1984年年1月月1日后啟用的協(xié)議天日后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向，是以球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向，是以2000年年1月月15日太陽(yáng)質(zhì)心力學(xué)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)歷元標(biāo)以日太陽(yáng)質(zhì)心力學(xué)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)

18、歷元標(biāo)以J2000.0的赤道和春分點(diǎn)所定義的。的赤道和春分點(diǎn)所定義的。為為2000年年1月月15日日12hJ2000.0的平的平天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系Z軸指向軸指向J2000.0的平北天極的平北天極X軸指向軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)的平春分點(diǎn)Z軸指向軸指向J2000.0的平北天極的平北天極X軸指向軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)的平春分點(diǎn)2.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(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)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?dú)v元t的瞬時(shí)天球坐標(biāo)，通?？煞譃榈乃矔r(shí)天球坐標(biāo)，通常可分為2個(gè)步驟，個(gè)步驟，即：首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)換算到即：首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)換算到瞬時(shí)

19、平天球坐標(biāo)系統(tǒng)；然后將瞬時(shí)平天球坐瞬時(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)。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)系協(xié)議地球坐標(biāo)系2.3.1 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系 若用天球坐標(biāo)系描述地球上任一固定點(diǎn)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(wú)關(guān)，的位置，由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無(wú)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)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。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

20、固聯(lián)的坐標(biāo)系，即地球建立一個(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)系也有坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系也有2種表達(dá)形式，即地種表達(dá)形式，即地球空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。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)在地球空間直角坐標(biāo)系中，任意地面點(diǎn)P的的坐標(biāo)為坐標(biāo)為X，Y，Z）。該坐標(biāo)系的定義是：）。該坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其，其Z軸指向地球軸指向地球北極，北極，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點(diǎn)道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于軸垂直于XOZ平面并構(gòu)成右平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。手

21、坐標(biāo)系。2. 大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系 地球橢球的中心與地球質(zhì)心地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢圓短軸。點(diǎn)的子午重合，橢圓短軸。點(diǎn)的子午面面NPS與起始子午面與起始子午面NGS所構(gòu)成的二面角，叫做點(diǎn)的所構(gòu)成的二面角，叫做點(diǎn)的大地經(jīng)度，由起始子午面起大地經(jīng)度，由起始子午面起算，向東為正，叫東經(jīng)算，向東為正，叫東經(jīng)0180），向西為負(fù)，），向西為負(fù)，叫西經(jīng)（叫西經(jīng)（ 0 180）。）。點(diǎn)的法線(xiàn)與赤道面的夾角，點(diǎn)的法線(xiàn)與赤道面的夾角，叫做點(diǎn)的大地緯度。由赤道叫做點(diǎn)的大地緯度。由赤道面起算，向北為正，叫北緯面起算，向北為正，叫北緯090）；向南為負(fù)，）；向南為負(fù)，叫南緯叫南緯(090)。 大地坐標(biāo)系是用大

22、地經(jīng)度大地坐標(biāo)系是用大地經(jīng)度L、大地緯度、大地緯度B和大地和大地高高H表示地面點(diǎn)位的。過(guò)地面點(diǎn)表示地面點(diǎn)位的。過(guò)地面點(diǎn)P的子午面與起始的子午面與起始子午面間的夾角叫子午面間的夾角叫P點(diǎn)的大地經(jīng)度。由起始子午面點(diǎn)的大地經(jīng)度。由起始子午面起算，向東為正，叫東經(jīng)起算，向東為正，叫東經(jīng)0180），向西為），向西為負(fù)，叫西經(jīng)負(fù)，叫西經(jīng)0-180）。過(guò)）。過(guò)P點(diǎn)的橢球法線(xiàn)與點(diǎn)的橢球法線(xiàn)與赤道面的夾角叫赤道面的夾角叫P點(diǎn)的大地緯度。由赤道面起算，點(diǎn)的大地緯度。由赤道面起算，向北為正，叫北緯向北為正，叫北緯090），向南為負(fù)，叫南），向南為負(fù)，叫南緯緯0-90）。從地面點(diǎn)）。從地面點(diǎn)P沿橢球法線(xiàn)到橢球面沿橢球

23、法線(xiàn)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)外，還要附加另一參數(shù)大地高大地高H。3.空間直角坐標(biāo)系同大地坐標(biāo)系的關(guān)系空間直角坐標(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)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)可用如下兩組公式和在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可用如下兩組公式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。式中：式中：e子午橢圓第一偏心率，可由長(zhǎng)短半徑子午橢圓第一偏心率，可由長(zhǎng)短半徑按式按式 算得。算得。N法線(xiàn)長(zhǎng)度，可由法

24、線(xiàn)長(zhǎng)度，可由式式 算得。算得。 XZK0B90+ BOTM 0切線(xiàn)M0T的斜率的導(dǎo)數(shù)式：0tan 90ctgdZBBdX 由橢圓方程求導(dǎo)得：12222bZaXZXeZaXbdXdZ2221代入第一式得：BeXZtan121將 代入橢圓方程，化簡(jiǎn)后得：BeBeaZBeBaX22222sin1sin1 sin1cos1引入輔助符號(hào)：WaNBeW sin122則有：2.3.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系1 極移極移 地球自轉(zhuǎn)軸不僅受日、月引力作用而使其在地球自轉(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

25、歲差和影響而在地球體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。前者導(dǎo)致歲差和章動(dòng)，后者導(dǎo)致極移。地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)地球章動(dòng)，后者導(dǎo)致極移。地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)地球體的位置并不是固定的，因此，地極點(diǎn)在地體的位置并不是固定的，因此，地極點(diǎn)在地球表面上的位置，是隨時(shí)間而變化的，這種球表面上的位置，是隨時(shí)間而變化的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)極移。觀測(cè)瞬間地現(xiàn)象稱(chēng)為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)極移。觀測(cè)瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置稱(chēng)為瞬間地球自轉(zhuǎn)軸，球自轉(zhuǎn)軸所處的位置稱(chēng)為瞬間地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)的極點(diǎn)稱(chēng)為瞬時(shí)極。而相應(yīng)的極點(diǎn)稱(chēng)為瞬時(shí)極。地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)，主要包含地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)，主要包含2種周期性變化：種周期性變化：Chandler周期分量由地球內(nèi)部

26、質(zhì)量運(yùn)動(dòng)引周期分量由地球內(nèi)部質(zhì)量運(yùn)動(dòng)引起，周期為起，周期為1.2年）年）周年分量主要由地球表面的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)如洋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）流、大氣環(huán)流等引起）2.協(xié)議地球坐標(biāo)系協(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(chēng)以瞬時(shí)極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，稱(chēng)為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。由于瞬時(shí)極的極為瞬時(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，中遇到許多困難。因此，1967年，年，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)合國(guó)際大地測(cè)量學(xué)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)合國(guó)際大地測(cè)量學(xué)會(huì)

27、建議，采用國(guó)際上會(huì)建議，采用國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù)站依個(gè)緯度服務(wù)站依據(jù)據(jù)1900-1905年的平均緯度所確定年的平均緯度所確定的平均地極位置，作為平極。該平極的平均地極位置，作為平極。該平極是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱(chēng)為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)位置，通常稱(chēng)為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO）。與之相應(yīng)的地球赤道面，）。與之相應(yīng)的地球赤道面，稱(chēng)為平赤道或協(xié)議赤道面。稱(chēng)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)。若以地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)。若以(X,Y,Z)表示平地表示平地球坐標(biāo)，以球坐標(biāo)，以(x,y,z)表示瞬

28、時(shí)真地球坐表示瞬時(shí)真地球坐標(biāo)。（平地球坐標(biāo)系標(biāo)。（平地球坐標(biāo)系 :Z軸指向空間中某一軸指向空間中某一固定點(diǎn)平極的地球坐標(biāo)系）固定點(diǎn)平極的地球坐標(biāo)系） 轉(zhuǎn)換關(guān)系為：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，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：兩坐標(biāo)系存在如下聯(lián)系與區(qū)別：1 兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同。置相同。2 兩坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)系的Z軸指向相同。軸指向相同。3 兩坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)系的X軸的指向不同，

29、其間夾角為春分點(diǎn)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(guò)地方的格林尼治恒星時(shí)定義：春分點(diǎn)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。并由此派生出上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。并由此派生出“時(shí)時(shí)”、“分分”、“秒等單位；數(shù)值上等于春分點(diǎn)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。）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)不同的坐標(biāo)系，要實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星定位的目衛(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)議標(biāo)轉(zhuǎn)換，而

30、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。地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)換流程如圖：轉(zhuǎn)換流程如圖：2.4 國(guó)家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系國(guó)家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系2.4.1 地球參心坐標(biāo)系地球參心坐標(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)，通常先定義一個(gè)參考橢球，即地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)，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(chēng)為大地原點(diǎn)），并利用大為大地測(cè)量的起算點(diǎn)稱(chēng)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)部的位地原點(diǎn)的天文觀測(cè)量確定參考橢

31、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(chēng)為地球參心坐標(biāo)系。近的坐標(biāo)系，稱(chēng)為地球參心坐標(biāo)系。 參心空間直角坐標(biāo)系的定義為：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，軸平行于參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，X1軸指向起始大軸指向起始大地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，Y軸垂直于軸垂直于X1O1Z1平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)平面，

32、構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)，可表示為的坐標(biāo)，可表示為X，Y，Z），也可用參心坐），也可用參心坐標(biāo)系的坐標(biāo)標(biāo)系的坐標(biāo)B，L，H），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換。換。 雖然參心坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系或稱(chēng)協(xié)議雖然參心坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系或稱(chēng)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。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：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，軸平行于參考橢圓的旋

33、轉(zhuǎn)軸，X1軸指向起始大軸指向起始大地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，地子午面與參考橢圓的旋轉(zhuǎn)軸，Y軸垂直于軸垂直于X1O1Z1平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)的平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)，可表示為坐標(biāo)，可表示為X，Y，Z），也可用參心坐標(biāo)系），也可用參心坐標(biāo)系的坐標(biāo)的坐標(biāo)B，L，H），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換。），兩坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換。2.4.2 站心坐標(biāo)系站心坐標(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(chēng)為測(cè)站中心原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，這種坐標(biāo)系稱(chēng)為測(cè)站中心坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱(chēng)站心坐標(biāo)系。站心坐標(biāo)系分為坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱(chēng)站心坐標(biāo)系。站心坐標(biāo)系分為站

34、心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。站心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。 站心地平直角坐標(biāo)系是以測(cè)站的橢球法站心地平直角坐標(biāo)系是以測(cè)站的橢球法線(xiàn)方向?yàn)榫€(xiàn)方向?yàn)閆軸，以測(cè)站大地子午線(xiàn)北端與大軸，以測(cè)站大地子午線(xiàn)北端與大地地平面的交線(xiàn)為地地平面的交線(xiàn)為X軸，大地平行面東方軸，大地平行面東方向與大地地平面的交線(xiàn)為向與大地地平面的交線(xiàn)為Y軸，構(gòu)成坐標(biāo)軸，構(gòu)成坐標(biāo)系。系。 站心極坐標(biāo)系是以測(cè)站的鉛垂線(xiàn)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(guò)地面觀測(cè)量-空間距離D、大地方位角和天頂距z來(lái)確定，cossinsinsincosPQxdzydzzdz

35、 2.4.3國(guó)家大地坐標(biāo)系國(guó)家大地坐標(biāo)系 目前，我國(guó)常用的大地坐標(biāo)系為目前，我國(guó)常用的大地坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系和年北京坐標(biāo)系和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系，年國(guó)家大地坐標(biāo)系，它們均為參心坐標(biāo)系。它們均為參心坐標(biāo)系。1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系 建國(guó)初期，為了迅速開(kāi)展我國(guó)的測(cè)繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時(shí)的建國(guó)初期，為了迅速開(kāi)展我國(guó)的測(cè)繪事業(yè)，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(guò)與蘇聯(lián)于蘇聯(lián)的普爾科沃）。通過(guò)與蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系年普爾科沃坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)和計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為進(jìn)行聯(lián)測(cè)和

36、計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為1954年北年北京坐標(biāo)系。因此，京坐標(biāo)系。因此，P54可歸結(jié)為：可歸結(jié)為：a屬參心大地坐標(biāo)系；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)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；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；采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位；e高程基準(zhǔn)為高程基準(zhǔn)為 1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面；水面； f高程異常以原蘇聯(lián)高程異常以原蘇聯(lián) 1955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)。按我國(guó)天文水

37、準(zhǔn)路線(xiàn)推算而得為起算數(shù)據(jù)。按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線(xiàn)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(guó)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(guó)際上較普遍采用的國(guó)際協(xié)議慣用原點(diǎn)CIOConventional International Origin）,也不是我國(guó)地極原點(diǎn)；起始大地子午面也不是國(guó)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(lái)一些不便和誤差。 另外，監(jiān)于

38、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。1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系年國(guó)家大地坐標(biāo)系 C80是為了進(jìn)行全國(guó)天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球是為了進(jìn)行全國(guó)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，在建立定位的基本原理，在建立C80坐標(biāo)系時(shí)有以下先決條件：坐標(biāo)系時(shí)有以下先決條件：（1大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)；大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)；（2C80坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸Z軸平行于由地球質(zhì)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心指向地極

39、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；文臺(tái)子午面；X軸在大地起始子午面內(nèi)與軸在大地起始子午面內(nèi)與 Z軸垂直指向經(jīng)度軸垂直指向經(jīng)度 0方向；方向；Y軸與軸與 Z、X軸成右手坐標(biāo)系；軸成右手坐標(biāo)系；（3橢球參數(shù)采用橢球參數(shù)采用IUGG(國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)）國(guó)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)年大會(huì)推薦的參數(shù)因而可得因而可得C80橢球兩個(gè)最常用的幾何參數(shù)為：橢球兩個(gè)最常用的幾何參數(shù)為：長(zhǎng)軸：長(zhǎng)軸：63781405m）；扁率：）；扁率：1/298.257 （4多點(diǎn)定位；橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和多點(diǎn)定位；橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和

40、最小為原則求解參數(shù)最小為原則求解參數(shù) （5大地高程以大地高程以1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水面為年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水面為基準(zhǔn)基準(zhǔn) 1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系與年國(guó)家大地坐標(biāo)系與1954年北年北京坐標(biāo)系屬于兩個(gè)不同的參心坐標(biāo)系。在有京坐標(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)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。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)系世界大地坐標(biāo)系 在在GPS定位中，衛(wèi)星主要被作為位置定位中，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已知的空間觀測(cè)

41、目標(biāo)，因此為了確定地面觀測(cè)站的位置，測(cè)站的位置，GPS衛(wèi)星的瞬間位置應(yīng)用統(tǒng)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(lái)描述，這種坐標(biāo)系一的協(xié)議地球坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，這種坐標(biāo)系統(tǒng)稱(chēng)為世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)WGS)。在。在GPS實(shí)驗(yàn)階段，采用的是實(shí)驗(yàn)階段，采用的是1972的世界大地的世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-72)，而從，而從1987年年1月月10日開(kāi)始采用了改進(jìn)的世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，日開(kāi)始采用了改進(jìn)的世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，即即WGS-84坐標(biāo)系。坐標(biāo)系。 WGS-84世界大地坐標(biāo)系是一種協(xié)議世界大地坐標(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，地球坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于地球質(zhì)量的

42、中心，Z軸平行于國(guó)際時(shí)間局軸平行于國(guó)際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定時(shí)元定義的協(xié)議地球極軸義的協(xié)議地球極軸GTP方向，方向，X軸指向軸指向國(guó)際時(shí)間局國(guó)際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定義的零子時(shí)元定義的零子午面和國(guó)際時(shí)間局午面和國(guó)際時(shí)間局BIH 1984.0時(shí)元定義時(shí)元定義的協(xié)議地球赤道的交點(diǎn)，的協(xié)議地球赤道的交點(diǎn)，Y軸指向國(guó)際時(shí)間軸指向國(guó)際時(shí)間局局BIH 1984.0時(shí)元定義的協(xié)議地球東向時(shí)元定義的協(xié)議地球東向而垂直于而垂直于X軸方向，構(gòu)成了地心地固正交坐軸方向，構(gòu)成了地心地固正交坐標(biāo)系。標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系所采用的橢球體，坐標(biāo)系所采用的橢球體，稱(chēng)為稱(chēng)為WGS-84橢球體。橢球體。 橢

43、球的主要參數(shù)為：橢球的主要參數(shù)為： 長(zhǎng)半軸長(zhǎng)半軸a=（63781372m 地球引力常數(shù)含大氣層地球引力常數(shù)含大氣層C=（39860051080.6108m3/s2 地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速度=（729211510-110.150010-11 ）rad/s 正常化二階帶諧系數(shù)正?；A帶諧系數(shù)C2.0=-484.1668510-60.610-6 利用以上利用以上4個(gè)基本常數(shù)可計(jì)算出其他橢球參數(shù)：個(gè)基本常數(shù)可計(jì)算出其他橢球參數(shù)： 第一偏心率第一偏心率e2=0.00669437999013 第二偏心率第二偏心率 （e）2=0.006739496742277 扁率扁率=1/298.257223563

44、 對(duì)于地面上一點(diǎn)對(duì)于地面上一點(diǎn)P的位置，可以用直角坐標(biāo)的位置，可以用直角坐標(biāo)x，y，z來(lái)表示，也可以用來(lái)表示，也可以用B，L，H來(lái)表示，來(lái)表示，B、L分別表示緯度、經(jīng)度，分別表示緯度、經(jīng)度，H表示大地高表示大地高從從橢球面到橢球面到P點(diǎn)的法線(xiàn)方向距離，點(diǎn)的法線(xiàn)方向距離，N表示該點(diǎn)的卯酉表示該點(diǎn)的卯酉圈半徑。圈半徑。WGS-84世界大地坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間存在如下關(guān)系：之間存在如下關(guān)系：式中：式中：NP為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑； e為第一偏心率。為第一偏心率。2.6 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)1.時(shí)間系統(tǒng)概述時(shí)間系統(tǒng)概述 時(shí)間包含時(shí)間包含“時(shí)辰和時(shí)辰和“時(shí)

45、間間隔時(shí)間間隔2個(gè)概念。所謂時(shí)刻，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(chēng)為歷元。時(shí)間間隔則是指發(fā)生某一現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)得時(shí)刻也稱(chēng)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(guò)程，是這一過(guò)程始末的時(shí)刻之差。所以，時(shí)象所經(jīng)歷的過(guò)程，是這一過(guò)程始末的時(shí)刻之差。所以，時(shí)間間隔測(cè)量也稱(chēng)為相對(duì)時(shí)間測(cè)量，而時(shí)刻測(cè)量相應(yīng)地稱(chēng)為間間隔測(cè)量也稱(chēng)為相對(duì)時(shí)間測(cè)量，而時(shí)刻測(cè)量相應(yīng)地稱(chēng)為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。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，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)。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)定性運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性（3運(yùn)動(dòng)的周期必須具有