坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)演示文稿ppt課件

1、第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 坐標(biāo)系的類型坐標(biāo)系的類型1、空固坐標(biāo)系、地固坐標(biāo)系；、空固坐標(biāo)系、地固坐標(biāo)系；2、地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系；、地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系；3、空間直角坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系；、空間直角坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系；4、瞬時坐標(biāo)系、協(xié)議坐標(biāo)系；、瞬時坐標(biāo)系、協(xié)議坐標(biāo)系；5、二維坐標(biāo)系、三維坐標(biāo)系。、二維坐標(biāo)系、三維坐標(biāo)系。第二節(jié) 協(xié)議天球坐標(biāo)系一、天球的根本概念一、天球的根本概念 天球天球以地心為球心，以恣意長以地心為球心，以恣意長為半徑的球面。為半徑的球面。 天軸天軸地球旋轉(zhuǎn)軸。地球旋轉(zhuǎn)軸。 天極天極天軸與天球面的交點。天軸與天球面的交點。Pn 、P

2、s。 天球赤道面天球赤道面過球心且與天軸垂過球心且與天軸垂直的平面。直的平面。 黃道面黃道面地球公轉(zhuǎn)軌道所在平面，地球公轉(zhuǎn)軌道所在平面，與赤道面夾角為與赤道面夾角為23.5。 春分點春分點太陽從南半球向北半球太陽從南半球向北半球運轉(zhuǎn)時，黃道與赤道的交點。運轉(zhuǎn)時，黃道與赤道的交點。PP赤道黃道 春分點黃赤交角ssnn重慶3月1日地方時12點春分點位置PnPs天頂?shù)仄矫娉嗟辣蹦蠔|西2930重慶3月1日中午12點春分點位置日春分點23.5黃道當(dāng)天太陽繞天軸運行軌道二、天球坐標(biāo)系的概念 1天球空間直角坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系 原點：地球質(zhì)量中心原點：地球質(zhì)量中心Z軸：指向北天極軸：指向北天極PnX軸：

3、指向春分點軸：指向春分點Y軸：與軸：與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系 2天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系原點：地球質(zhì)量中心原點：地球質(zhì)量中心赤經(jīng)赤經(jīng)：天體子午面與春分點子午面的：天體子午面與春分點子午面的夾角夾角赤緯赤緯：天體與地心連線和天球赤道面：天體與地心連線和天球赤道面的夾角的夾角向徑向徑r ：天體到地心的間隔：天體到地心的間隔XYZxyz天球坐標(biāo)系地心s春分點3空間直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換空間直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換sinsincoscoscosrzyx22222arctanarctanyxzxyzyxr三、歲差與章動 日月對地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋轉(zhuǎn)軸在空間的

4、指向發(fā)生挪動。 歲差：假定月球軌道固定，北天極沿圓形軌道繞北黃極的運動叫歲差，春分點每年西移50.2，周期約為25800年。 章動：由月球軌道變化引起的北天極沿橢圓形軌道運動叫章動，橢圓長半徑約為9.2，18.6年一周期。 平北天極：不思索章動的北天極。平春分點。 瞬時北天極：繞平北天極18.6年轉(zhuǎn)一周。真春分點。歲差與章動四、協(xié)議天球坐標(biāo)系1瞬時天球坐標(biāo)系：z軸指向瞬時北天極，x軸指向瞬時春分點真春分點。2平天球坐標(biāo)系：z軸指向平北天極，x軸指向平春分點。3協(xié)議天球坐標(biāo)系 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

5、軸指向協(xié)議春分點。4三者間的轉(zhuǎn)換：坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)第三節(jié) 協(xié)議地球坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系：空間直角坐標(biāo)系：原點：普通取地球質(zhì)心；原點：普通取地球質(zhì)心；Z軸：指向地球北極；軸：指向地球北極；X軸：指向格林威治子午線與地球赤軸：指向格林威治子午線與地球赤道的交點；道的交點；Y軸：構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸：構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系：大地坐標(biāo)系：大地經(jīng)度大地經(jīng)度L；大地緯度大地緯度B；大地高大地高H?？臻g直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換BHeNLLBHNYLBHNXsin1sincoscoscos2NBRHXYLWBZaeBcoscosarctansin1tanarctan2地極挪動二、協(xié)議地球坐標(biāo)系 Z軸指向19

6、001905年平均地球北極或其它國際協(xié)定的地球北極。 該當(dāng)留意，地極挪動與歲差和章動是不同的概念，歲差和章動是指地球自轉(zhuǎn)軸在空間指向的挪動，而地極挪動那么是指地球北極與地面參照物的相對挪動。三、地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 衛(wèi)星位置用天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，而測站點位置用地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示，要用衛(wèi)星坐標(biāo)求測站坐標(biāo)，需將天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)。 轉(zhuǎn)換的步驟是： 協(xié)議天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)系瞬時天球坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系。 在轉(zhuǎn)換過程中，因兩者的坐標(biāo)原點一致，故只需多次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸即可。第四節(jié) 地球坐標(biāo)系的其他表達方式一、參心坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點在參考橢圓體中心而不在地球質(zhì)心二

7、、站心坐標(biāo)系三、平面直角坐標(biāo)系 高斯投影與橫軸墨卡托投影 高斯投影時，中央子午線長度不變，離中央子午線愈遠，長度變形愈大，對于6帶，赤道與邊境子午線交點處的投影變形為0.%。 在投影帶寬度不變的情況下，采用橫軸墨卡托投影，使中央子午線長度縮短為原長度的0.9996倍通用橫軸墨卡托，以減小長度變形的絕對值。 通用橫軸墨卡托投影，對于6帶，在y為 180km范圍內(nèi)長度縮短，以外長度伸長。四、地方獨立坐標(biāo)系 在工程丈量中，當(dāng)測區(qū)高程大于160m時，地面長度與參考橢球面長度相差太大，需建立地方獨立坐標(biāo)系。 建立獨立坐標(biāo)系時，先選一點作原點，該點的坐標(biāo)與一致坐標(biāo)一致，其它各點與原點的坐標(biāo)增量的絕對值增大

8、DH/R倍。方法有彭脹法與平移法兩種，彭脹法是對各點與原點的坐標(biāo)增量加矯正。平移法是將參考橢圓體中心沿原點法線方向平移H。兩種方法計算結(jié)果相差很小。 此外，當(dāng)y坐標(biāo)大于45km時。還需以高斯投影正反算或換帶計算改換投影帶中央子午線。彭脹法與平移法的計算公式彭脹法：x= x+ x.H/R y=y+y.H/R平移法：HzyxzzHzyxyyHzyxxx222022202220第五節(jié) 大地丈量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換一、大地丈量基準(zhǔn)的概念 大地丈量基準(zhǔn)是指描畫地球大小、外形和地球在空間定位、定向的參數(shù)，包括幾何參數(shù)：長半徑a、地球重力場二階帶諧系數(shù)J2；物理參數(shù)：GM、；定向定位參數(shù)。 經(jīng)典大地丈量基準(zhǔn)是由幾何

9、丈量確定的，短少物理參數(shù)，現(xiàn)代大地丈量基準(zhǔn)是由物理丈量確定的，參數(shù)齊全。 參數(shù)闡明 地球重力場二階帶諧系數(shù)J2常用正?；A帶球諧系數(shù) 替代。5/C220J20CGMammJmJmJJmmJJmJf3332222232222229897849398916275611143892123大地丈量坐標(biāo)系與大地丈量基準(zhǔn)的異同 大地丈量坐標(biāo)系是實際定義，空間一點在不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換不影響點位。 大地丈量基準(zhǔn)是根據(jù)假設(shè)干觀測點的觀測數(shù)據(jù)確定的大地丈量坐標(biāo)系，因觀測有誤差，故空間一點在不同基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換會帶來誤差。 在多數(shù)場所下，兩者不加區(qū)別。二、常用大地丈量基準(zhǔn)1WGS-84坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系是美

10、國84年在衛(wèi)星大地丈量的根底上建立的以地球質(zhì)心為原點的大地丈量基準(zhǔn)。大小外形參數(shù)見后，Z軸指向1984北極，X軸指向1984格林威治子午線與赤道交點，Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數(shù)是WGS-84坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，故GPS丈量時，先求得測站點的WGS-84坐標(biāo)，再換算為當(dāng)?shù)剡\用的坐標(biāo)。2ITRF參考框架 ITRF是國際地球自轉(zhuǎn)效力局根據(jù)分布全球的地面觀測站，以最先進的丈量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)確定的大地丈量基準(zhǔn)。是世界公認(rèn)的精度最高的大地丈量基準(zhǔn)。目前尚未普遍采用。但其日后必將替代WGS-84。 IERF已發(fā)布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、200

11、0等多個地心參考框架，橢球參數(shù)與WGS-84一樣，定向不同。 網(wǎng)站：/3 3北京北京5454坐標(biāo)系坐標(biāo)系1 1克拉索夫斯基橢球，與現(xiàn)代值相差較大；克拉索夫斯基橢球，與現(xiàn)代值相差較大；2 2指向不明；指向不明；3 3參考橢球面與大地水準(zhǔn)面差距大；參考橢球面與大地水準(zhǔn)面差距大；4 4誤差積累大；誤差積累大；5 5未整體平差，各部分結(jié)合部有未整體平差，各部分結(jié)合部有2m2m誤差。誤差。4西安西安80坐標(biāo)系坐標(biāo)系 對國家網(wǎng)進展了整體平差，在我國國內(nèi)，橢球面與似大地水準(zhǔn)對國家網(wǎng)進展了整體平差，在我國國內(nèi)，橢球面與似大地水準(zhǔn)面吻合最好。面吻合最好。 Z軸、軸、X軸分別指向軸分別指向1968

12、北極和格林威治子午線與赤道交點。北極和格林威治子午線與赤道交點。 存在問題：存在問題：是部分基準(zhǔn)而非全球基準(zhǔn)；是部分基準(zhǔn)而非全球基準(zhǔn)；二維坐標(biāo)系，不適宜衛(wèi)星定位。二維坐標(biāo)系，不適宜衛(wèi)星定位。各基準(zhǔn)的參數(shù)比較 坐標(biāo)系統(tǒng)地球橢球1954年北京坐標(biāo)系1980年西安坐標(biāo)系WGS-84世界大地坐標(biāo)系橢球名稱克拉索夫斯基1980大地坐標(biāo)系WGS-84建成年代194019791984橢球類型參考橢球參考橢球總地球橢球a（m）637824563781406378137J2或C20(f)（1：298.3）J2: 1.0826310-3（1：298.257） C20 ： -484.1668510-6（1：298.

13、257223563）GM3.98600510143.9860051014 （rad/s）7.29211510-57.29211510-5三、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換三、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換 1 1七參數(shù)法七參數(shù)法( (適宜于空間直角坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換適宜于空間直角坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換 OB ZB XB YB OA YA ZA XA x Y Z C XCA XCB X0 AAABBBZYXRmZYXZYX)()1 (000111)()()()(XYXZYZXYZRRRR2 2四參數(shù)法適宜于高斯平面坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換四參數(shù)法適宜于高斯平面坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換)cossinsincos)(1 (80/5484yxyxmyx3參數(shù)估算 七參數(shù)法需知三個點在兩個

14、坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。 四參數(shù)法需知兩個點在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。 其中m用測距儀確定也可。4地方獨立坐標(biāo)系 地方獨立坐標(biāo)系都是在北京54或西安80的根底上進展三項改化，一是將一致編號的投影帶中央子午線移至測區(qū)中央，二是將投影面由參考橢球面改為測區(qū)平均高程面，三是高斯投影后將獨立坐標(biāo)系原點的縱橫坐標(biāo)加一個常數(shù)，105-106.25,70,52,300)。轉(zhuǎn)換時，參考橢球參數(shù)除長半徑加H+外，其它參數(shù)均不改動。四、四、 高程基準(zhǔn)與大地水準(zhǔn)面模型高程基準(zhǔn)與大地水準(zhǔn)面模型 高程基準(zhǔn)有由各國或國際確定的大地水準(zhǔn)面、似大地水準(zhǔn)面、參考橢球面或地球橢球面。大地水準(zhǔn)面與參考橢球面或地球橢球面之間有一段間隔，而且此間

15、隔在各點有不同數(shù)值，其變化極不規(guī)那么。使大地高與正高或正常高之間難以轉(zhuǎn)換。常用轉(zhuǎn)換方式有以下四種： 1、等值線圖法由大地水準(zhǔn)面差距圖查取大地水準(zhǔn)面差距，H正=H- 2、地球模型法EGM96)： =f(L，B) 3、高程擬合法： =a+bx+cy+dx2+ey2+fxy 4、區(qū)域似大地水準(zhǔn)面如圖精化法我國2000似大地水準(zhǔn)面模型(0.30.7m)青島市似大地水準(zhǔn)面模型17mm)第六節(jié) 時間系統(tǒng)一、時間的概念 現(xiàn)代丈量科技與空間科技嚴(yán)密結(jié)合，丈量精度極高。如衛(wèi)星定軌、飛機和車輛導(dǎo)航、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、研討地殼升降和板塊運動等問題，不僅要求給出空間位置，而且應(yīng)給出相應(yīng)的時間?，F(xiàn)代大地丈量基準(zhǔn)應(yīng)是包括時

16、間在內(nèi)的四維基準(zhǔn)。 GPS丈量中，時間的意義確定GPS衛(wèi)星的在軌位置；確定測站位置；確定地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系。 時間包括時辰絕對時間與時間間隔相對時間兩個概念。 丈量時間同樣需求建立丈量基準(zhǔn)，包括尺度與原點。可作為時間基準(zhǔn)的運動景象必需是周期性的，且其周期應(yīng)有復(fù)現(xiàn)性和足夠的穩(wěn)定性。二、世界時二、世界時1恒星時 以春分點延續(xù)兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔為一恒星日，含24恒星小時。分真春分點地方時、真春分點格林威治時、平春分點地方時、平春分點格林威治時四種。2平太陽時 以平太陽延續(xù)兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔為一平太陽日，含24平太陽小時。3世界時 以子夜為零時起算的格林威治平太陽時，用UT0表示。與平太陽時相差12小時，即UT0=GAMT+12h 平太陽時和世界時均以地球自轉(zhuǎn)為參照，而地球自轉(zhuǎn)速度是變化的，包括極移、自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化和逐年變慢等。1956年引入極移矯正和自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化矯正：UT1=UT0+UT2=UT1+TS 加逐年變慢矯正。 三、原子時三、原子時 以銫原子基態(tài)兩超精細(xì)能級的輻射躍遷定以銫原子基態(tài)兩超精細(xì)能級的輻射躍遷定義時間尺度，以義時間尺度，以1958年年1月月1日零時的世界時減日零時的世界時減去去0.0039秒為原點。秒為原點。 原子鐘精度極高，目前運用的氫鐘精度可原子鐘精度極高，目前運用的氫鐘精度可達達10-16。 四、協(xié)調(diào)世界時四、協(xié)