第五章GPS定位的坐标系统及时间系统

1、第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统第五章GPS定位的坐标系统及时间系统 * 甘肃林业职业技术学院测绘工程系全球定位系统 (GPS的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置 ,实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标,位置是相对于参考坐标系而言的,为此 ,首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、 3 个坐标轴的指向和尺度所定义,根据坐标轴指向的不同 ,可划分为两大类坐标系 :天球坐标系和地球坐标系。由于坐标系相对于时间的依赖性,每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。不管采用什么形式,坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换 ,可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。1、天球

2、坐标系和地球坐标系第五章GPS定位的坐标系统及时间系统天球空间直角坐标系的定义:地球质心 O 为坐标原点 ,Z 轴指向天球北极 ,X 轴指向春分点 ,Y 轴垂直于 XOZ 平面 ,与 X 轴和 Z轴构成右手坐标系。在此坐标系下 ,空间点的位置由坐标 (X,Y,Z 来描述。 (1 天球坐标系天球球面坐标系的定义 :地球质心 O 为坐标原点 ,春分点轴与天轴所在平面为天球经度(赤经测量基准 基准子午面 ,赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为 (r, 。,天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1 表示 :第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统直角坐标系

3、与其等效的天球球面坐标系参数间的转换对同一空间点 ,天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系: (2-1 (2-2第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统(2、地球坐标系地球直角坐标系的定义原点 O 与地球质心重合 ,Z 轴指向地球北极 ,X 轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点 ,Y 轴在赤道平面里与 XOZ 构成右手坐标系。图2-2 直角坐标系和大地坐标系地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义是:地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为(L,B,H 。地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图 2-2 表示 :第五章 GPS定位

4、的坐标系统及时间系统对同一空间点 ,直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系:直角坐标系与大地坐标系参数间的转换第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统(3、站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系站心赤道直角坐标系如图2-3,P1是测站点 ,O 为球心。以 O 为原点建立球心空间直角坐标系。以 P1 为原点建立与相应坐标轴平行的坐标系叫站心赤道直角坐标系。显然 ,同坐标系有简单的平移关系 : (2-5 第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统站心地平直角坐标系以 P1 为原点 ,以 P1 点的法线为 z 轴 (指向天顶为正 ,以子午线方向为 x 轴(向北为正 ,y 轴与 x,z 垂直 (向东为正

5、建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下 :代入 (2-4 可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式 :第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统瞬时极天球坐标系与地球坐标系瞬时极天球坐标系 :原点位于地球质心 ,z 轴指向瞬时地球自转方向 (真天极 ,x 轴指向瞬时春分点 (真春分点 , y 轴按构成右手坐标系取向。瞬时极地球坐标系 : 原点位于地球质心 ,z 轴指向瞬时地球自转轴方向 ,x 轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点 ,y 轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的关

6、系如图 2-4 所示。瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的转换关系为 : (2-10 下标 et 表示对应 t 时刻的瞬时极地球坐标系 , ct 表示对应 t 时刻的瞬时极天球坐标系。 G为对应平格林尼治子午面的真春分点时角。 (4 卫星测量中常用坐标系第五章GPS 定位的坐标系统及时间系统选择某一历元时刻 ,以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z 轴和 x轴指向 ,y 轴按构成右手坐标系取向 ,建立天球坐标系 平天球坐标系 ,坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。岁差旋转变换 ZM(t0 表示历元 J2000.0年平天球坐标系 z 轴指向 ,ZM(t 表示所论历元时刻