GPS02坐标系统与时间系统ppt课件

1、GPSGPS原理及运用原理及运用OUTLINEOUTLINEYour Location is:36.067901o N94.171071o W2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系2.2 WGS-84坐标系和我国大坐标系和我国大地坐标系地坐标系2.3 坐标系转换坐标系转换2.4 时间系统时间系统3经典大地丈量中的坐标系统经典大地丈量中的坐标系统常见的坐标系统常见的坐标系统空间直角坐标系空间直角坐标系大地坐标系大地坐标系平面直角坐标系平面直角坐标系2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系4建立丈量坐标系的基准面是什么？建立丈量坐标系的基准面是什么？2.1 天球坐标系与地

2、球坐标系天球坐标系与地球坐标系5参考椭球面和参心坐标系参考椭球面和参心坐标系大地水准面海洋陆地地球外表n参考椭球面参考椭球2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系6参心坐标系的特点参心坐标系的特点2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系7平面直角坐标系的建立平面直角坐标系的建立2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系8高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标系的定义高斯平面直角坐标系的定义X 轴：中央子午线的投影轴：中央子午线的投影Y 轴：赤道的投影轴：赤道的投影原点：两轴的交点原点：两轴的交点假东、假北假东、假北为了防止坐标系中出现负值，一

3、致规定将每为了防止坐标系中出现负值，一致规定将每一带的坐标轴西移或南移一定间隔。一带的坐标轴西移或南移一定间隔。我国的假北为我国的假北为0，假东为，假东为500km高斯分带投影高斯分带投影6度带度带3度带度带2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系9经典大地丈量中的坐标系统经典大地丈量中的坐标系统v定义一个坐标系统，包含哪两个根本要素？定义一个坐标系统，包含哪两个根本要素？v建立参心坐标系的出发点是什么？建立参心坐标系的出发点是什么？v建立一个参心大地坐标系，必需处理那些问题建立一个参心大地坐标系，必需处理那些问题？2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系10卫星定位中

4、的坐标系卫星定位中的坐标系u描画卫星的位置描画卫星的位置天球坐标系天球坐标系u描画地球上的点的位置描画地球上的点的位置地球坐标系地球坐标系2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系11天球和天球坐标系天球和天球坐标系天球以地球质心为中心，半径为恣意长度的一个假想球体。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系12天球天球天轴天轴: :地球自地球自转轴的延伸转轴的延伸线线u天极天极: :天轴天轴与天球的交与天球的交点点u天天( (球球) )赤道赤道面：经过地面：经过地球质心，与球质心，与天轴垂直的天轴垂直的平面平面u天球子天球子午面：包午面：包含天轴含天轴, ,并并经过天球经

5、过天球上任何一上任何一点的平面点的平面2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系13黄道和二分点黄道和二分点 地球绕日公转的地球绕日公转的轨道平面与天球相交轨道平面与天球相交的圆称之为的圆称之为“黄道面黄道面 地球自转与黄道地球自转与黄道太阳绕地球的运转太阳绕地球的运转轨道面法线并不一轨道面法线并不一致，而夹角成的角致，而夹角成的角 天赤道与黄道相天赤道与黄道相交于两点，当一年中交于两点，当一年中太阳过这两点时分别太阳过这两点时分别是春分和秋分，在这是春分和秋分，在这两天全球各地昼夜等两天全球各地昼夜等长。长。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系14旋进与岁差旋进与岁

6、差二分点由西向东缓慢漂移也称为二分点由西向东缓慢漂移也称为“旋进旋进。这一景象在我国被称之为岁差。这一景象在我国被称之为岁差。 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系15章章 动动 月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，周期约为周期约为18.6年。这种景象称为章动。年。这种景象称为章动。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系16天球坐标系的两种表示方法天球坐标系的两种表示方法u天球球面坐标系天球球面坐标系 u ( (赤经，赤纬，向径赤经，赤纬，向径) )u天球空

7、间直角坐标系天球空间直角坐标系u (X,Y,Z) (X,Y,Z)2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系17建立天球坐标系的两个问题建立天球坐标系的两个问题u实践地球的外形近似一个赤道隆起的椭球体，因此实践地球的外形近似一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在绕太阳运转时，自转轴的方向不再坚持不变而使在绕太阳运转时，自转轴的方向不再坚持不变而使春分点在黄道上产生缓慢的西移春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动岁差、章动2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系18三种天球坐标系三种天球坐标系瞬时真

8、天极瞬时真天极瞬时平天极瞬时平天极一个特定时辰，即一个特定时辰，即规范历元：规范历元：2000.1.152000.1.15：的瞬时：的瞬时平天极平天极2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系19三种天球坐标系三种天球坐标系u瞬时极真天球坐标系瞬时极真天球坐标系u瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点点u坐标轴指向随时间变化坐标轴指向随时间变化u瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系u瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点点u经过了章动矫正经过了章动矫正u规范历元的平天球坐标系规范历元的平天球坐标系u相应规范历元相应规

9、范历元2000.1.152000.1.15的一个特定的一个特定时辰的平天球坐标系时辰的平天球坐标系u经过了规范历元到观测历元的岁差矫正经过了规范历元到观测历元的岁差矫正2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系20地球坐标系地球坐标系空间技术和远程武器的开展，要求提供高精度的地心坐标空间技术和远程武器的开展，要求提供高精度的地心坐标2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系211 1、地心坐标系的定义、地心坐标系的定义u地心空间直地心空间直角坐标系角坐标系u地心大地坐地心大地坐标系标系思索：和参心坐标系统的定义有何区别？思索：和参心坐标系统的定义有何区别？2.1 天球坐标系

10、与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系222 2、建立地球坐标系的问题：极移、建立地球坐标系的问题：极移u极移极移地球自地球自转轴相对于地球转轴相对于地球体的位置不是固体的位置不是固定的，因此地极定的，因此地极点在地球外表的点在地球外表的位置是随时间而位置是随时间而变化的，这种景变化的，这种景象称为极移。象称为极移。-10.0-5.00.05.010.00.05.010.015.020.0Pole PositionX Pole (m)Y Pole (m)19932001瞬时北地极瞬时北地极1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系23

11、3 3、两种地球坐标系、两种地球坐标系地球坐标系地球坐标系原点原点Z Z轴轴X X轴轴瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系地心地心瞬时北地极瞬时北地极平地球坐标系平地球坐标系地心地心协议地极原点协议地极原点如如1900.001905.1900.001905.0000年地球自转轴年地球自转轴的瞬时平均位置的瞬时平均位置) )与地心和与地心和CIOCIO连线正交之平面和连线正交之平面和格林尼治平子午面的交线格林尼治平子午面的交线瞬时真赤道面和包含瞬时自转瞬时真赤道面和包含瞬时自转轴的格林尼治平子午面的交线轴的格林尼治平子午面的交线协定地球坐协定地球坐标系？标系？2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地

12、球坐标系24天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系u联络联络u1 1原点都位于地球的质心原点都位于地球的质心u2 2瞬时自转轴和瞬时天轴重合；即瞬时天球坐标系和瞬瞬时自转轴和瞬时天轴重合；即瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的时地球坐标系的Z Z轴重合轴重合u3 3X X轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的交点，两瞬时坐标系的交点，两瞬时坐标系的X X轴夹角为春分点的格林尼治恒星时轴夹角为春分点的格林尼治恒星时GASTGASTu转换转换瞬时天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系规范历元的规范历元的平天球坐标系平天球坐标系G

13、AST旋转旋转瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系协议地球坐标系极移矫正极移矫正章动章动岁差岁差2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系252.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系26WGS-84WGS-84坐标系坐标系u类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系ECEFECEFu定义定义: :原点：地球的质心原点：地球的质心u Z Z轴：指向轴：指向BIH1984.0BIH1984.0定义的定义的CTPCTP协议地球极方协议地球极方向向u X X轴：指向轴：指向BIH1984.0BIH1984.0的零子午面和的零子午面和

14、CTPCTP赤道的交点赤道的交点u Y Y轴：和轴：和Z,XZ,X构成右手系构成右手系u椭球国际大地丈量与地球物理结合会第椭球国际大地丈量与地球物理结合会第1717届年会届年会235631/298.2572: 2m 6378137 :长半径f扁率P162.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系27我国的大地坐标系我国的大地坐标系u19541954年北京坐标系年北京坐标系u类型：参心坐标系类型：参心坐标系u建立：与苏联建立：与苏联19421942年普尔科沃坐标系联测年普尔科沃坐标系联测u椭球：克拉索夫斯基椭球椭球：克拉索夫斯基椭球u问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好问

15、题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好u19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系u类型：参心坐标系类型：参心坐标系u建立：进展了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球建立：进展了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元素，进展了定位和定向元素，进展了定位和定向u大地原点：陕西省泾阳县永乐镇大地原点：陕西省泾阳县永乐镇u椭球：椭球：19751975年国际大地丈量与地球物理结合会第年国际大地丈量与地球物理结合会第1616届年会届年会NO1GEOIDNO22.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系282.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系地方独

16、立坐标系地方独立坐标系地方参考椭地方参考椭球？球？292.3 2.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换区分区分坐标变换坐标变换在不同坐标系表示方式在不同坐标系表示方式之间进展变换之间进展变换坐标转换坐标转换在不同的参考基准间进在不同的参考基准间进展变换基准的转换展变换基准的转换30一、坐标系的变换一、坐标系的变换u空间大地坐标系空间大地坐标系u 空间直角坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标系空间直角坐标系u 空间大地坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系空间大地坐标系u 高斯平面直角坐标高斯平面直角坐标系系 311 1、(B L H)(B L H)(X Y Z)(X Y Z)该点卯酉圈曲率半径

17、（其中：),sine-1/coscos)1 (sincos)(coscos)(22BaNLBHeNZLBHNYLBHNX需求哪些参数？需求哪些参数？322 2、(X Y Z)(X Y Z)(B L H)(B L H)1/(/cosYX)XY(tanLBtane1tanBeCZYX1tanB2222221222221eeebaCNBH其中：需求哪些参数？需求哪些参数？333 3、(B L)(B L)(x y)(x y) 2cos)tantan185(cos120)tan1 (cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBN

18、BBNSx弧长该点到赤道的子午线线的经差该点经度到中央子午其中：高斯投影的计算公式：高斯投影的计算公式：需求哪些参数？需求哪些参数？34二、坐标转换的根本方法二、坐标转换的根本方法XYZXYZ BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)235转换参数的计算转换参数的计算u假设不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点假设不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须经过公共点的两在两个坐标系的坐标，称公共点，须经过公共点的两组坐标求得转换参数组坐标求得转换参数36转换参数的求解方法转换参数的求解方法三点法：对

19、转换参数的要求精度不高，或只需三点法：对转换参数的要求精度不高，或只需三个公共点时，可用三个点的三个公共点时，可用三个点的9 9个坐标，列出个坐标，列出9 9个方程，取其中的个方程，取其中的7 7个方程求解个方程求解多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程程ZYXBuBBBIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIiIIiIIiIIiZYXXYZXZYYZXZYXZYX00001000010000137WGS-84WGS-84坐标系坐标系我国国家坐标系我国国家坐标系 B

20、J54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)238转换中的参数设置转换中的参数设置B L HWGS-84X Y ZWGS-84X Y ZBJ54/STATE80B L HBJ54/STATE80 x y高斯平面高斯平面提供转换参数提供转换参数七参数七参数椭球参数椭球参数椭球参数椭球参数投影参数投影参数三个平移三个平移椭球参数差椭球参数差化简化简长半轴之差：长半轴之差： -108扁率之差：扁率之差： +0.00480795原点平移参数：原点平移参数： +15 -150 -9039u时间系统时间系统u常用的时间系统常用的时间系统uGPS时间

21、系统时间系统u时间系统间的转换时间系统间的转换40意义：意义：u卫星的位置误差卫星的位置误差1cm，要求相应的时，要求相应的时辰误差应小于辰误差应小于2.6x10-6秒；秒；u测距误差测距误差1cm，要求信号传播时间的，要求信号传播时间的丈量误差，应不超越丈量误差，应不超越3x10-11秒；秒；41一、时间系统一、时间系统u时间：包含时辰和时间间隔两种意义时间：包含时辰和时间间隔两种意义u时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度单位和原点起始历元，普通来说任单位和原点起始历元，普通来说任何一个可观测的周期运动景象，只需满足：何一个可观测的周期运动景象，只需满

22、足：延续性，稳定性，复现性均可作为时间基准延续性，稳定性，复现性均可作为时间基准u漏壶、钟摆漏壶、钟摆42二、常用的时间系统二、常用的时间系统u世界上如今通用的时间系统时什么？世界上如今通用的时间系统时什么？时间的单位尺度时间的单位尺度不同；不同；度量时间的时钟度量时间的时钟不同不同43常用的几类时间系统常用的几类时间系统u恒星时和太阳时恒星时和太阳时u历书时历书时u原子时原子时地球的周地球的周期性自转期性自转地球的周地球的周期性公转期性公转原子核外电子能原子核外电子能级跃迁时辐射的级跃迁时辐射的电磁波的频率电磁波的频率441 1、世界时系统、世界时系统世界时系统世界时系统恒星时恒星时春分点春

23、分点太阳时太阳时太阳太阳根据天体的周日视运根据天体的周日视运动反映地球的自转；动反映地球的自转；810稳定性：平太阳时平太阳时平太阳平太阳45恒星时恒星时v恒星时选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描画时间的时间计量系统。参照于遥远星体的地球自转周期参考点：一个天体或天球上某个特殊点测站点子午圈参考点延续两次经过测站点子午圈的时间段46太阳时太阳时参照于太阳的地球自转周期v太阳时选取太阳作为参考点，用它的周日视运动周期来描画时间的时间计量系统。47平太阳时平太阳时v太阳时的问题太阳时的问题真太阳的周日视运动不均匀，并不真太阳的周日视运动不均匀，并不严厉等于地球自转周期。冬长夏短，最长和

24、最短可相差严厉等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差51秒；秒；v平太阳平太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳周假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。v平太阳时平太阳时以平太阳的周日视运动为根底建立的时以平太阳的周日视运动为根底建立的时间系统。天文学上假定由一个太阳平太阳在天赤道间系统。天文学上假定由一个太阳平太阳在天赤道上而不是在黄赤道上作等速运转，其速度等于运转上而不是在黄赤道上作等速运转，其速度等于运转在黄赤道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳延续两在黄赤道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳延续

25、两次上中天的时间间隔，叫做一个平太阳日，这也相当于次上中天的时间间隔，叫做一个平太阳日，这也相当于把一年中真太阳日的平均称为平太阳日，并且把把一年中真太阳日的平均称为平太阳日，并且把1/24平平太阳日取为太阳日取为1平太阳时。通常所谓的平太阳时。通常所谓的“日和日和“时，就是时，就是平太阳日和平太阳时的简称。平太阳日和平太阳时的简称。48世界时世界时UTUT世界时世界时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时UTUT极移矫正极移矫正UT1UT1地球自转地球自转速度矫正速度矫正UT2UT2v长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；v季节性变化：大气层中的气团随季节变化；v不规那么变化：地球内部的物质运动；492 2、原子时、原子时ATIATIv原子时秒长原子时秒长位于海平面的铯位于海平面的铯133133原子基态两原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡91926317709192631770周所继续的时间，为一原子时秒。周所继续的时间，为一原子时秒。v国际原子时国际原子时国际上约国际上约100100座原子钟，经过相座原子钟，经过相互比对，经数据处置推算出一致的原子时系统。互比对，经数据处置推算出一致的原子时系统。1310稳定性：50原子时原子时v原子时原点原子时原点UT2(1958.1.