GPS定位時間系統(tǒng)

1GPS原理及應(yīng)用蘭州交通大學土木學院測繪工程系李建章2第三講坐標和時間系統(tǒng)協(xié)議天球坐標系協(xié)議地球坐標系協(xié)議天球坐標系和協(xié)議地球坐標系轉(zhuǎn)換國家坐標系和地方坐標系WGS坐標系時間系統(tǒng)3地形面、參考橢球面和大地水準面大地水準面橢球面橢球高h正高Hh=N+H地表面NN=大地水準面差距大地水準面橢球面H1地表面N1h1h2H2N2h1=H1+N1

h2=H2+N2(h1-

h2)=(H1-H2)+(N1-

N2)垂線偏差大地水準面橢球面地表面

垂直于橢球面垂直于大地水準面垂線偏差似大地水準面7第四節(jié)、國家坐標系和地方坐標系一、地球參心坐標系所謂參心坐標系的參心，指參考橢球的中心。經(jīng)典大地測量中，利用局部測量數(shù)據(jù)計算的橢球來代替地球形狀，所以該橢球只是與本地區(qū)大地水準面很好的接近，而在別的地區(qū)相差較大，且該橢球中心不在地球質(zhì)心，因此將該橢球叫做參考橢球。為什么要使用參心坐標系？8

參心坐標系也分參心大地坐標系和參心空間直角坐標系。9建立一個參心坐標系，必須解決如下問題：橢球的大小和形狀。橢球中心的位置。確定橢球中心為原點的空間直角坐標系坐標軸的方向，簡稱定向。確定大地原點。10國家大地原點1112二、國家大地坐標系1、1954年北京坐標系20世紀50年代，在我國天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當時的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素（ａ=6378245m,e=1/298.3），并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系進行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系。13

1954年北京坐標系和前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系有一定的關(guān)系（橢球參數(shù)和大地原點一致）但又不完全是前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系。如大地點高程是以1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面為基準，高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差結(jié)果為起算值，按我國天文水準路線推算出來的。大地水準面自東向西最大差距達67米。142、1980年西安坐標系為了進行全國天文大地網(wǎng)整體平差，采用了新的橢球元素和進行了新的定位和定向，1978年以后，建立了1980年國家大地坐標系。151980年國家大地坐標系的大地原點設(shè)在我國中部—陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。該坐標系是參心坐標系。橢球短軸Z軸平行于由地球地心指向1968.0地極原點（JYD）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)度零方向；Y軸與Z，X軸成右手坐標系。16橢球參數(shù)采用1975國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第16屆大會的推薦值，四個基本常數(shù)為：a=6378140=1/298.25717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)。高程系統(tǒng)基準是1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面。183、新1954年北京坐標系

1980年國家大地坐標系建立后，實施了全國天文大地網(wǎng)整體平差。提供了屬于1980年國家大地坐標系的大地點成果。這種成果與原大地點局部平差成果二者屬于兩個不同的參心坐標系。這給實際的使用帶來一定的問題。實用部門和單位大量成果是1954北京坐標系的。而大地控制點在兩坐標系中最大差100米以上。19因而有的部門和單位將1980年國家大地坐標系的空間直角坐標經(jīng)三個平移參數(shù)平移變換至克氏橢球中心，橢球參數(shù)保持與1954北京坐標系相同而建立所謂新1954北京坐標系，這樣新1954北京坐標系與原1954北京坐標系接近，但其精度和1980年國家大地坐標系完全一樣。20三、高斯平面直角坐標系與UTM坐標系

高斯投影與全球橫軸墨卡托投影（UTM)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，赤道與邊界子午線交點處的投影變形為0.138%。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。21四、站心坐標系以測站為原點構(gòu)成的坐標系叫做測站中心坐標系，簡稱站心坐標系。戰(zhàn)心坐標系分為站心地平直角坐標系和站心極坐標系。站心地平直角坐標系是以測站所在橢球法線方向為Z軸，以測站所在大地子午線北端與地平面的交線為X軸，平行圈與地平面的交線為Y軸，構(gòu)成左手直角坐標系。站心極坐標系以測站所在的鉛垂線為準，以測站到目標點的空間距離D、天頂距Z和大地方位角A來表示該目標的位置。2223五、獨立坐標系在工程測量中，當測區(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系。建立獨立坐標系時，先選一點作原點，該點的坐標與統(tǒng)一坐標一致，其它各點與原點的坐標增量的絕對值增大D（H/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增量加改正。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y坐標大于45km時。還需以高斯投影正反算或換帶計算更換投影帶中央子午線。24第五節(jié)WGS坐標系1）WGS-84坐標系WGS-84坐標系是美國84年在衛(wèi)星大地測量的基礎(chǔ)上建立的以地球質(zhì)心為原點的大地測量基準。大小形狀參數(shù)見后，Z軸指向1984協(xié)議地極，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)成右手坐標系。由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數(shù)是WGS-84坐標系的數(shù)據(jù)，故GPS測量時，先求得測站點的WGS-84坐標，再換算為當?shù)厥褂玫淖鴺恕?52）ITRF參考框架ITRF是國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局根據(jù)分布全球的地面觀測站，以最先進的測量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)確定的大地測量基準。是世界公認的精度最高的大地測量基準。目前尚未普遍采用。但其日后必將代替WGS-84。IERF已發(fā)布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多個地心參考框架，橢球參數(shù)與WGS-84相同，定向不同。26坐標系統(tǒng)地球橢1954年北京坐標系1980年西安坐標系WGS-84世界大地坐標系橢球名稱克拉索夫斯基1980大地坐標系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）J2:1.08263×10-3（1：298.257）C20：-484.16685×10-6（1：298.257223563）GM－3.986005×10143.986005×1014（rad/s）－7.292115×10-57.292115×10-527第六節(jié)時間系統(tǒng)時間概念世界時系統(tǒng)力學時原子時28時間系統(tǒng)在ＧＰＳ定位中的意義確定GPS衛(wèi)星的在軌位置。確定測站位置。確定地球坐標系與天球坐標系的關(guān)系。29一、時間的概念：時間包括時刻（絕對時間）與時間間隔（相對時間）兩個概念。如：“上一堂課需要多長時間？”，這是說時間間隔；而“幾點鐘上課？”，這是說時刻，是一個時間點。時刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。時間間隔：指發(fā)生某一現(xiàn)象經(jīng)歷過程的始末時刻差。測量時間同樣需要建立測量基準，包括尺度與原點?？勺鳛闀r間基準的運動現(xiàn)象必須是周期性的，且其周期應(yīng)有復(fù)現(xiàn)性和足夠的穩(wěn)定性。在GPS導(dǎo)航定位中，通常采用的時間系統(tǒng)有三種，即：恒星時、力學時、原子時。30二、世界時系統(tǒng)以地球自轉(zhuǎn)作為時間基準的時間系統(tǒng)叫做世界時系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選的參考點不同，可分為恒星時、平太陽時、世界時。311）恒星時以春分點連續(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。分真恒星時和平恒星時。322）平太陽時太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上子午圈的時間間隔叫做一個真太陽日。由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)軌道是一個橢圓，其運動角速度不相同，再加上地球公轉(zhuǎn)軌道在黃道面上，而時角是在赤道平面上度量，因此真太陽日的長度是不相同的，也就是說真太陽時不具備作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。33但是日常生活中人們已經(jīng)習慣用太陽來確定時間，安排工作和休息。為了彌補真太陽時的缺陷，人們設(shè)想一個假太陽來代替真太陽，這個假太陽和真太陽一樣也在做周年運動，但有兩點不同：第一，其周年運動軌跡是赤道平面上而非黃道平面；第二，它在赤道上的運動角速度是恒定的，等于真太陽的平均角速度。我們把這個太陽叫平太陽。

以平太陽連續(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。343）世界時因為平太陽時是從平正午開始起算的，在同一天，若早上是10月17日，下午就是10月18日。1925年天文學家決定將起始點從平正午移到平午夜，并稱這個平太陽時為民用時。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+12h35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年引入極移改正和自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化改正：UT1=UT0+Δλ，UT2=UT1+ΔTS，加逐年變慢改正。世界時系統(tǒng)在天文學、大地測量學中有著廣泛的應(yīng)用。在GPS中，主要用于天球坐標系和地球坐標系之間的轉(zhuǎn)換。36三、力學時在天文學中，天體的星歷是根據(jù)天體力學中的運動方程編算的，在這些天體運動方程中，時間T是一個獨立的變量。37四、原子時以銫原子基態(tài)兩超精細能級的輻射躍遷定義時間尺度，以1958年1月1日零時的世界時減去0.0039秒為原點。原子鐘精度極高，目前使用的氫鐘精度可達10-16。國際原子時協(xié)調(diào)世界時GPS時間系統(tǒng)尺度是原子時秒長，原點取1980年1月6日零時的協(xié)調(diào)世界時。不潤秒。故與協(xié)調(diào)世界時時間差逐年增大。38問題：1、為什么說在空間定位技術(shù)中，時間是一個很重要的物理量？2、參心坐標系中的參心是什么意思？3、大地原點的作用是什么？4、為什么當前仍然在使用參心坐標系？5、站心坐標系有什么作用？9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。2月-252月-25Tuesday,February11,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。12:45:2312:45:2312:452/11/202512:45:23PM11、夫?qū)W須志也，才須學也，非學無以廣才，非志無以成學。2月-2512:45:2312:45Feb-2511-Feb-2512、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯兒。12:45:2312:45:2312:45Tuesday,February11,202513、志不立，天下無可成之事。2月-252月-2512:45:2312:45:23February11,202514、ThankyouverymuchfortakingmewithyouonthatsplendidoutingtoLondon.ItwasthefirsttimethatIhadseentheToweroranyoftheotherfamoussights.IfI'dgonealone,Icouldn'thaveseennearlyasmuch,becauseIwouldn'thaveknownmywayabo