第二讲-GPS定位坐标系统

1GPS原理及应用

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兰州交通大学土木学院李建章2GPS的定义

全球定位系统

GPS

的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（导航卫星测时与测距全球定位系统），简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。3GPS的系统功能定位测速授（守）时4GPS定位的基本原理后方交会原理：通过测定到若干已知点的距离，来进行定位。要求普通情况：要测定到3个已知点的距离。GPS：要测定到4个已知点的距离。已知点GPS卫星测距的基本方法电磁波测距：距离=波速×传播时间56控制部分空间部分

用户部分双向信息

单向信息

系统7GPS的系统结构空间部分成员：卫星星座。作用：发送信号，用于测距和告知自身位置。控制部分成员：主控站、监测站、注入站。作用：监控、操纵系统，预报卫星轨道和钟差。用户部分成员：接收机及辅助设备。作用：接收信号，用于定位、测速和授（守）时。8测量型GPS接收机9第二章GPS定位的坐标系统

﹑协议天球坐标系﹑协议地球坐标系﹑协议天球坐标系和协议地球坐标系转换﹑国家坐标系和地方坐标系﹑WGS坐标系10第一节协议天球坐标系11天球的概念

以地球质心为中心，半径为任意长的假想的球体。在天文学中一般均把天体投影到天球球面上，以球面坐标系来描述或研究天体的位置以及天体之间的关系。1213天球示意图14

天体的位置既可以用球面坐标也可用直角坐标表示。15天球球面坐标:

赤经α、赤纬δ

、向径r原点：地球质量中心。赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角。赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角。向径r

：天体到地心的距离。16天球直角坐标：x、y、z。原点：地球质量中心。Z轴：指向北天极Pn。X轴：指向春分点。Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系。17天球坐标系示意图18坐标转换示意图19两个重要概念：岁差和章动

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指向发生移动。岁差：假定月球引力及轨道固定，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。2021协议天球坐标系瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点（真春分点）。平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。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轴指向协议春分点。22协议天球坐标系到瞬时天球坐标系变换⑴岁差旋转变换

由于岁差导致地球自转轴的运动使两坐标系z轴产生夹角；同理，因岁差导致春分点的运动使两坐标系轴、Z轴分别产生夹角。通过旋转变换得到这样两个坐标系的变换式：23协议天球坐标系到瞬时天球坐标系变换⑵章动旋转变换24第二节协议地球坐标系地球坐标系常用的有空间直角坐标系和大地坐标系两种。25空间直角坐标系原点：一般取地球质心。Z轴：指向地球北极。X轴：指向格林威治子午线与地球赤道的交点。Y轴：构成右手坐标系。26大地坐标系大地经度L：过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角。大地纬度B：过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角。大地高H：地面点沿椭球法线至椭球面的距离。2728空间直角坐标系与大地坐标系的转换N——法线长度，N=a/W；e——地球椭球第一偏心率；Φ——地心纬度，即观测点和地心连线与赤道面的夹角,tanΦ=Z/（X2+Y2）1/2；

W=(1-e2sin2B)1/2;R——地心向径，R=（X2+Y2+Z2）1/2。29

地球自转轴不仅仅受到日月引力作用，而且受到地球内部质量不均匀影响而在地球内部运动。前者导致岁差、章动，后者导致极移。30一个重要的概念：极移极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。31平极

国际天文联合会和国际大地测量协会于1967年建议，在1900-1905年间测定的平均地极位置为国际协议原点（CIO），简称平极。32

由于地球不是刚体及其它一些地球物理因素的影响，地球瞬时极相对协定原点（CIO--也称平地极）的运动十分复杂，难以用解析式表示它们之间的关系，国际地球自转服务组织IERS通过观测于事后公布各时刻瞬时极对应平地极的坐标。

33协议地球坐标系

以协议地极为基准点的地球坐标系为协议地球坐标系。34第三节

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