坐标系统与时间系统演示文稿ppt课件

1、第二章 坐标系统与时间系统第一节第一节 坐标系的类型坐标系的类型1、空固坐标系、地固坐标系；、空固坐标系、地固坐标系；2、地心坐标系、参心坐标系；、地心坐标系、参心坐标系；3、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系；、空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系；4、瞬时坐标系、协议坐标系；、瞬时坐标系、协议坐标系；5、二维坐标系、三维坐标系。、二维坐标系、三维坐标系。第二节 协议天球坐标系一、天球的根本概念一、天球的根本概念 天球天球以地心为球心，以恣意长以地心为球心，以恣意长为半径的球面。为半径的球面。 天轴天轴地球旋转轴。地球旋转轴。 天极天极天轴与天球面的交点。天轴与天球面的交点。Pn 、P

2、s。 天球赤道面天球赤道面过球心且与天轴垂过球心且与天轴垂直的平面。直的平面。 黄道面黄道面地球公转轨道所在平面，地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为与赤道面夹角为23.5。 春分点春分点太阳从南半球向北半球太阳从南半球向北半球运转时，黄道与赤道的交点。运转时，黄道与赤道的交点。PP赤道黄道 春分点黄赤交角ssnn重庆3月1日地方时12点春分点位置PnPs天顶地平面赤道北南东西2930重庆3月1日中午12点春分点位置日春分点23.5黄道当天太阳绕天轴运行轨道二、天球坐标系的概念 1天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系 原点：地球质量中心原点：地球质量中心Z轴：指向北天极轴：指向北天极PnX轴：

3、指向春分点轴：指向春分点Y轴：与轴：与X、Z轴构成右手坐标系轴构成右手坐标系 2天球球面坐标系天球球面坐标系原点：地球质量中心原点：地球质量中心赤经赤经：天体子午面与春分点子午面的：天体子午面与春分点子午面的夹角夹角赤纬赤纬：天体与地心连线和天球赤道面：天体与地心连线和天球赤道面的夹角的夹角向径向径r ：天体到地心的间隔：天体到地心的间隔XYZxyz天球坐标系地心s春分点3空间直角坐标系与球面坐标系的转换空间直角坐标系与球面坐标系的转换sinsincoscoscosrzyx22222arctanarctanyxzxyzyxr三、岁差与章动 日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的

4、指向发生挪动。 岁差：假定月球轨道固定，北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动叫岁差，春分点每年西移50.2，周期约为25800年。 章动：由月球轨道变化引起的北天极沿椭圆形轨道运动叫章动，椭圆长半径约为9.2，18.6年一周期。 平北天极：不思索章动的北天极。平春分点。 瞬时北天极：绕平北天极18.6年转一周。真春分点。岁差与章动四、协议天球坐标系1瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点真春分点。2平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。3协议天球坐标系 1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x

5、轴指向协议春分点。4三者间的转换：坐标系的旋转第三节 协议地球坐标系空间直角坐标系：空间直角坐标系：原点：普通取地球质心；原点：普通取地球质心；Z轴：指向地球北极；轴：指向地球北极；X轴：指向格林威治子午线与地球赤轴：指向格林威治子午线与地球赤道的交点；道的交点；Y轴：构成右手坐标系。轴：构成右手坐标系。大地坐标系：大地坐标系：大地经度大地经度L；大地纬度大地纬度B；大地高大地高H。空间直角坐标系与大地坐标系的转换BHeNLLBHNYLBHNXsin1sincoscoscos2NBRHXYLWBZaeBcoscosarctansin1tanarctan2地极挪动二、协议地球坐标系 Z轴指向19

6、001905年平均地球北极或其它国际协定的地球北极。 该当留意，地极挪动与岁差和章动是不同的概念，岁差和章动是指地球自转轴在空间指向的挪动，而地极挪动那么是指地球北极与地面参照物的相对挪动。三、地球坐标系与天球坐标系的转换 卫星位置用天球坐标系的坐标表示，而测站点位置用地球坐标系的坐标表示，要用卫星坐标求测站坐标，需将天球坐标系的坐标转换成地球坐标系的坐标。 转换的步骤是： 协议天球坐标系平天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系。 在转换过程中，因两者的坐标原点一致，故只需多次旋转坐标轴即可。第四节 地球坐标系的其他表达方式一、参心坐标系 坐标原点在参考椭圆体中心而不在地球质心二

7、、站心坐标系三、平面直角坐标系 高斯投影与横轴墨卡托投影 高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央子午线愈远，长度变形愈大，对于6带，赤道与边境子午线交点处的投影变形为0.%。 在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡托投影，使中央子午线长度缩短为原长度的0.9996倍通用横轴墨卡托，以减小长度变形的绝对值。 通用横轴墨卡托投影，对于6带，在y为 180km范围内长度缩短，以外长度伸长。四、地方独立坐标系 在工程丈量中，当测区高程大于160m时，地面长度与参考椭球面长度相差太大，需建立地方独立坐标系。 建立独立坐标系时，先选一点作原点，该点的坐标与一致坐标一致，其它各点与原点的坐标增量的绝对值增大

8、DH/R倍。方法有彭胀法与平移法两种，彭胀法是对各点与原点的坐标增量加矫正。平移法是将参考椭圆体中心沿原点法线方向平移H。两种方法计算结果相差很小。 此外，当y坐标大于45km时。还需以高斯投影正反算或换带计算改换投影带中央子午线。彭胀法与平移法的计算公式彭胀法：x= x+ x.H/R y=y+y.H/R平移法：HzyxzzHzyxyyHzyxxx222022202220第五节 大地丈量基准及其转换一、大地丈量基准的概念 大地丈量基准是指描画地球大小、外形和地球在空间定位、定向的参数，包括几何参数：长半径a、地球重力场二阶带谐系数J2；物理参数：GM、；定向定位参数。 经典大地丈量基准是由几何

9、丈量确定的，短少物理参数，现代大地丈量基准是由物理丈量确定的，参数齐全。 参数阐明 地球重力场二阶带谐系数J2常用正常化二阶带球谐系数 替代。5/C220J20CGMammJmJmJJmmJJmJf3332222232222229897849398916275611143892123大地丈量坐标系与大地丈量基准的异同 大地丈量坐标系是实际定义，空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位。 大地丈量基准是根据假设干观测点的观测数据确定的大地丈量坐标系，因观测有误差，故空间一点在不同基准之间的转换会带来误差。 在多数场所下，两者不加区别。二、常用大地丈量基准1WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是美

10、国84年在卫星大地丈量的根底上建立的以地球质心为原点的大地丈量基准。大小外形参数见后，Z轴指向1984北极，X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。 由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系的数据，故GPS丈量时，先求得测站点的WGS-84坐标，再换算为当地运用的坐标。2ITRF参考框架 ITRF是国际地球自转效力局根据分布全球的地面观测站，以最先进的丈量技术获得的数据确定的大地丈量基准。是世界公认的精度最高的大地丈量基准。目前尚未普遍采用。但其日后必将替代WGS-84。 IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、200

11、0等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84一样，定向不同。 网站：/3 3北京北京5454坐标系坐标系1 1克拉索夫斯基椭球，与现代值相差较大；克拉索夫斯基椭球，与现代值相差较大；2 2指向不明；指向不明；3 3参考椭球面与大地水准面差距大；参考椭球面与大地水准面差距大；4 4误差积累大；误差积累大；5 5未整体平差，各部分结合部有未整体平差，各部分结合部有2m2m误差。误差。4西安西安80坐标系坐标系 对国家网进展了整体平差，在我国国内，椭球面与似大地水准对国家网进展了整体平差，在我国国内，椭球面与似大地水准面吻合最好。面吻合最好。 Z轴、轴、X轴分别指向轴分别指向1968

12、北极和格林威治子午线与赤道交点。北极和格林威治子午线与赤道交点。 存在问题：存在问题：是部分基准而非全球基准；是部分基准而非全球基准；二维坐标系，不适宜卫星定位。二维坐标系，不适宜卫星定位。各基准的参数比较 坐标系统地球椭球1954年北京坐标系1980年西安坐标系WGS-84世界大地坐标系椭球名称克拉索夫斯基1980大地坐标系WGS-84建成年代194019791984椭球类型参考椭球参考椭球总地球椭球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、基准转换三、基准转换 1 1七参数法七参数法( (适宜于空间直角坐标系间转换适宜于空间直角坐标系间转换 OB ZB XB YB OA YA ZA XA x Y Z C XCA XCB X0 AAABBBZYXRmZYXZYX)()1 (000111)()()()(XYXZYZXYZRRRR2 2四参数法适宜于高斯平面坐标间转换四参数法适宜于高斯平面坐标间转换)cossinsincos)(1 (80/5484yxyxmyx3参数估算 七参数法需知三个点在两个

14、坐标系中的坐标。 四参数法需知两个点在两个坐标系中的坐标。 其中m用测距仪确定也可。4地方独立坐标系 地方独立坐标系都是在北京54或西安80的根底上进展三项改化，一是将一致编号的投影带中央子午线移至测区中央，二是将投影面由参考椭球面改为测区平均高程面，三是高斯投影后将独立坐标系原点的纵横坐标加一个常数，105-106.25,70,52,300)。转换时，参考椭球参数除长半径加H+外，其它参数均不改动。四、四、 高程基准与大地水准面模型高程基准与大地水准面模型 高程基准有由各国或国际确定的大地水准面、似大地水准面、参考椭球面或地球椭球面。大地水准面与参考椭球面或地球椭球面之间有一段间隔，而且此间

15、隔在各点有不同数值，其变化极不规那么。使大地高与正高或正常高之间难以转换。常用转换方式有以下四种： 1、等值线图法由大地水准面差距图查取大地水准面差距，H正=H- 2、地球模型法EGM96)： =f(L，B) 3、高程拟合法： =a+bx+cy+dx2+ey2+fxy 4、区域似大地水准面如图精化法我国2000似大地水准面模型(0.30.7m)青岛市似大地水准面模型17mm)第六节 时间系统一、时间的概念 现代丈量科技与空间科技严密结合，丈量精度极高。如卫星定轨、飞机和车辆导航、地球自转与公转、研讨地壳升降和板块运动等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。现代大地丈量基准应是包括时

16、间在内的四维基准。 GPS丈量中，时间的意义确定GPS卫星的在轨位置；确定测站位置；确定地球坐标系与天球坐标系的关系。 时间包括时辰绝对时间与时间间隔相对时间两个概念。 丈量时间同样需求建立丈量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动景象必需是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。二、世界时二、世界时1恒星时 以春分点延续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。2平太阳时 以平太阳延续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含24平太阳小时。3世界时 以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳时相差12小时，即UT0=GAMT+12h 平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。1956年引入极移矫正和自转速度季节性变化矫正：UT1=UT0+UT2=UT1+TS 加逐年变慢矫正。 三、原子时三、原子时 以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以义时间尺度，以1958年年1月月1日零时的世界时减日零时的世界时减去去0.0039秒为原点。秒为原点。 原子钟精度极高，目前运用的氢钟精度可原子钟精度极高，目前运用的氢钟精度可达达10-16。 四、协调世界时四、协