GPS测量原理及应用第二章课件

第二章坐标系统与时间系统

§2-1天球坐标系与地球坐标系概述：

1．点的位置是用坐标来表示的，通过坐标系统得以实现。

2．目前有两种不同的坐标系统：地球坐标系和天球坐标系。

3．定义一个空间直角坐标系必须明确：①原点位置；②坐标轴方向；③长度单位。

第二章坐标系统与时间系统§2-1天球坐标系与地球坐标一、天球坐标系

1.天球的基本概念：

天球、天极、天球赤道、天球子午圈、时圈、黄道、黄赤交角、春分点、黄极、岁差与章动

2.天球坐标系的建立

1）天球空间直角坐标系

2）天球球面坐标系一、天球坐标系1.天球的基本概念：天球基本概念（1）天球：我们把以地球M为中心，以无穷远的距离为半径所形成的球称作天球。天极：地球自转的中心轴线简称地轴，将其延伸就是天轴，天轴与天球的交点称为天极，Pn在北称作北天极，PS，在南称作南天极。

天球赤道：通过地球质心M与地轴垂直的平面称为天球赤道面，天球赤道面与天球相交的大圆就称为天球赤道。

天球基本概念（1）天球：我们把以地球M为中心，以无穷远的距离时圈：包含地轴的平面与天球相交的大圆称为时圈。显然，时圈也是一个子午圈。

黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨迹。

黄赤交角：天球赤道面与黄道面的交角ε约为23．5°，称为黄赤交角。

天球基本概念（2）时圈：包含地轴的平面与天球相交的大圆称为时圈。显然，时圈也是天球基本概念（3）春分点：天球赤道与黄道的交点称为春分点。黄极：过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点称为黄极，Пn在北称为北黄极，Пs在南称为南黄极。

岁差与章动：在外力的作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断发生变化。其中地轴的长期运动称为岁差，而周期运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化。

天球基本概念（3）春分点：天球赤道与黄道的交点称为春分点。天球基本概念（4）天球子午圈：包含天轴的平面均称天球子午面，天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。

天球基本概念（4）天球子午圈：包含天轴的平面均称天球子午面，天球球面坐标系与天球空间直角坐标系1.天球空间直角坐标系：原点位于地球质心M，Z轴指向天球北极Pn，X轴指向春分点γ，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。2.天球球面坐标系：原点位于地球质心M，赤经α为过春分点的天球子午面之间的夹角，赤纬为原点M和天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体S之间的距离。天球球面坐标系与天球空间直角坐标系1.天球空间直角坐标系：原GPS坐标系统构成GPS坐标系地球坐标系天球坐标系参心坐标系地心坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系GPS坐标系统构成GPS坐标系地球坐标系天球坐标系参心坐标系二、地球坐标系1．参心坐标系建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题：(1)确定椭球的形状和大小；(2)确定椭球中心的位置，简称定位；(3)确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；(4)确定大地原点。我国几种常用参心坐标系：

BJZ54、GDZ80二、地球坐标系1．参心坐标系2．地心坐标系地心坐标系分为地心空间大地直角坐标系和地心大地坐标系等。地心空间大地直角坐标系又可分为地心空间大地平面直角坐标系和空间大地舜时直角坐标系。

1）建立地心坐标系的意义：

2）建立地心坐标系的最理想方法是采用空间大地测量的方法。

3）地心坐标系的表述形式

2．地心坐标系地心坐标系的表述形式地心直角坐标系的定义：原点O与地球质心重合；Z轴指向国际协议原点CIO，X轴指向1968BIH定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系，点的坐标分别用XD、YD、ZD表示。

地心大地坐标系的定义：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，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与BIH定义的起始大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。

地心坐标系的表述形式地心直角坐标系的定义：原点O与地球质心重§2-2WGS84坐标系和我国大地坐标系1、WGS一84大地坐标系

WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。

§2-2WGS84坐标系和我国大地坐标系1、WGS一84大WGS84坐标系

WGS一84坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIHl984．0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIHl984．0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴和Z、X轴构成右手坐标系。如图所示。

WGS84坐标系WGS一84坐标系的几何定义WGS84坐标图WGS84坐标图2、国家大地坐标系●1954年北京坐标系●1980年国家大地坐标系●2000国家大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000简称CGCS2000）中国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。CGCS2000定义：是右手地固直角坐标系。原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴Z轴和X轴构成右手正交坐标系。2、国家大地坐标系●1954年北京坐标系中国3、地方独立坐标系4、ITRF坐标框架5、PZ90坐标系

GLONASS卫星导航系统采用PZ-90坐标系。PZ-90(俄语：ParametryZelmy，翻译成英语为：ParameteroftheEarth)坐标系是俄罗斯进行地面网与空间网联合攻关平差后建立的。有时也称为PE-90。3、地方独立坐标系GLONASS卫星导航系统PZ-90坐标系定义坐标原点位于地球质心；Z轴指向IERS推荐的协议地极原点(ConventionalTerrestrialPole)，即1900—1905年的平均北极，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线的交点，y轴满足右手坐标系。由该定义知，PZ-90与国际地球参考框架ITRF是一致的。PZ-90坐标系定义坐标原点位于地球质心；Z虽然WGS-84与PZ-90的定义基本一致，但由于存在测轨跟踪站站址坐标误差和测量误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存在一定的差距。实际上，PZ-90、WGS-84或ITRF两两之间都有差异。PZ-90与WGS-84在地球表面的坐标差异可达20m，而WGS-84与ITRF差异很小，在10cm以内。可以认为是等同的。虽然WGS-84与PZ-90的定义基本一致，小测验1．下列坐标系统哪些使用的是地心坐标系（）。A、GDZ/80B、BJZ54C、WGS-84D、BJZ54（原）

小测验1．下列坐标系统哪些使用的是地心坐标系（）§2-3坐标系统之间的转换概述：1．坐标转换的几种形式：空间直角坐标系之间的转换；大地坐标系之间的转换；空间直角坐标系与大地坐标系之间的转换。2．研究坐标转换模型的作用

1）合理确定两种坐标系的转换参数，实现两种坐标系的转换；

§2-3坐标系统之间的转换概述：

2）利用卫星测量建立地面控制网；

3）利用卫星测量成果加强和改善地面控制网；

4）利用卫星测量分析和研究地面网的系统误差。3．为什么要进行转换实现坐标系统的统一。2）利用卫星测量建立地面控制网；4．几种不同的坐标系统转换模型布尔沙（Bursa）模型莫洛金斯基模型武测模型（范士公式）4．几种不同的坐标系统转换模型一、不同空间直角坐标系的转换

七参数：原点要实施三个平移参数，三个坐标轴旋转参数，一个尺度变换参数，共七个参数。（一）布尔沙（Bursa）模型前提条件：

设有两个空间直角坐标系，O1-x1y1z1和O2-x2y2z2，这两个坐标系的原点O1和O2不重合，且坐标轴也互不平行，对应的坐标之间存在着3个旋转角（欧拉角），两坐标系的尺度也不一致，设O1-x1y1z1的尺度为1，一、不同空间直角坐标系的转换七参数：原点要实而设O2-x2y2z2的尺度为μB=1+δμB，尺度变化δμB和两坐标系间的欧拉角为再加上O1在O2-x2y2z2中的坐标为两坐标系之间的转换参数，其中为平移参数，为旋转参数，δμB为尺度参数。根据布尔沙（Bursa）模型而设O2-x2y2z2的尺度为μB=1+δμB，尺度变化δ其中：其中：布尔沙模型：式中：布尔沙模型：式中：（二）莫洛金斯基模型式中：（二）莫洛金斯基模型式中：（三）武测模型三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，而平移参数具有下列关系：（三）武测模型三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，而平移参GPS测量原理及应用第二章课件§2-4时间系统

时间是量度事物发展过程久暂的标准，是物质存在和运动的客观形式。任何事物的发生、发展和结束及物质的运动，除了用空间形式描述外，还需用时间形式来描述，定位用卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间，同样在GPS导航和定位中也要用到时间。

§2-4时间系统时间是量度事物发展过程久暂的标

时间分恒星时和太阳时两大时间系统。利用春分点的周时视运动周期来量度地球自转周期而建立的，以恒星日为时间单位的时间系统称为恒星时系统；以太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期而建立的，以太阳日为单位的时间系统为太阳时系统。太阳时又分为真太阳时和平太阳时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。时间分恒星时和太阳时两大时间系统。利用春分点的周

时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平年、闰年、大月、小月之分，但在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，这种计算方法称为儒略日(JD)记日法。儒略日是从公元前4713年1月1日格林尼治平午正开始，连续以日累计，需用时可从《中国天文年历》的“儒略日”附表中查取。时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平原子时(TAI)

1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时。原子时秒比由地球运转所确定的秒长稳定，且精度达到10-13S。（原子时的秒长被定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取为1958年1月1日0时0秒（UT2））

原子时(TAI)1967年国际计量委员会决

计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟三种，国际上是以铯原子钟为基准的。原子钟的计时精度满足了一些高精度时间部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上现在都配置了原子钟。

计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、