GNSS定位测量技术（第二版）课件：坐标系统与时间系统

坐标系统与时间系统任务一GPS测量的坐标系统GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星、站距离来确定接收机或者测站的位置，而位置的确定离不开坐标系。GPS定位所采用的坐标系的特点GPS定位的坐标系既有空固坐标系，又有地固坐标系。建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标系。GPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心，即为地心坐标系。必须要掌握坐标系间的转换。GPS测量坐标系的分类空固坐标系与地固坐标系地心坐标系与参心坐标系空间直角坐标系与球面坐标系国家统一坐标系与地方独立坐标系三维坐标与二维坐标5GPS测量坐标系分类坐标系分类坐标系特征①空固坐标系地固坐标系空固坐标系与天球固连，与地球自转无关，用来确定天体位置较方便。地固坐标系与地球固连，随地球一起转动，用来确定地面点位置较方便。②地心坐标系参心坐标系地心坐标系以地球的质量中心为原点，如WGS-84坐标系和ITRF参考框架均为地心坐标系。而参心坐标系以参考椭圆体的几何中心为原点，如北京54坐标系和80国家大地坐标系。③空间直角坐标系球面坐标系平面直角坐标系一是以大地经纬度表示点位的大地坐标系，二是空间直角坐标系。测量中常用平面直角坐标系，即将大地经纬度进行高斯投影或横轴墨卡托投影后的平面直角坐标系。④国家统一坐标系地方独立坐标系我国国家统一坐标系常用的是80国家大地坐标系和北京54坐标系，采用高斯投影，分6°带和3°带；而对于诸多城市和工程建设来说，因高斯投影变形以及高程归化变形而引起实地上两点间的距离与高斯平面距离有较大差异，为便于城市建设和工程的设计、施工，常采用地方独立坐标系，即以通过测区中央的子午线为中央子午线，以测区平均高程面代替参考椭圆体面进行高斯投影而建立的坐标系。天球坐标系和地球坐标系

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

7天球坐标系和地球坐标系地球坐标系地固坐标系坐标轴指向随地球自转而自转（相对于地球静止）描述地面点位置天球坐标系空固坐标系坐标轴指向相对于宇宙不动，与地球自转无关（相对于地球是运动的）常用于描述天体位置8天球坐标系

天球——以地球质心为球心，以任意长（无穷大）为半径的假想球体。天球坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系协议天球坐标系以某一时刻作为标准的坐标轴指向。

天球坐标系

1.天球空间直角坐标系的定义坐标原点O：地球质心；

Z轴：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。

2．天球球面坐标系的定义

坐标原点O：地球质心；赤经α

：天体所在天球子午面和春分点所在天球子午面之间的夹角。

赤纬δ

：天体到原点M的连线与天球赤道面之间的夹角。

向径r

：天体至原点的距离为。

天球坐标系

3.天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系如图2-1表示：

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：地球坐标系

1．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。2.地球大地坐标系的定义

原点O：与地球质心重合；大地经度L：过地面点P的子午面和起始子午面间的夹角大地纬度B：过点P的椭球法线和赤道面之间的夹角大地高H：点沿椭球法线到椭球面的距离3.地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：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：

地球坐标系岁差与章动

在外力作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断的变化，其中地球的长期远动叫做岁差，而周期运动称为章动。

岁差：假定月球轨道固定，由于日月对地球赤道隆起部分的引力作用，北天极沿圆形轨道（岁差圆）绕北黄级的运动叫岁差在岁差影响下的北天极称为瞬时平北天极，相应的春分点称为瞬时平春分点

章动：由于月球轨道和月、地距离的变化，是实际北天极沿椭圆形轨道绕瞬时平北天极旋转，这种现象叫做章动卫星测量中常用天球坐标系

1．瞬时真（北天极）天球坐标系：

原点：地球质心

z轴指向瞬时北天极（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。2.瞬时平天球坐标系

原点：地球质心

z轴指向瞬时平北天极

x轴指向瞬时平春分点

y轴按构成右手坐标系取向。3、历元（协议）平天球坐标系

原点：地球质心

z轴指向协议北天极

x轴指向协议北天极所对应的春分点

y轴按构成右手坐标系取向。

（协议北天极为2000年1月15日的瞬时平北天极）天球坐标系之间的转换

瞬时真天球坐标系-----------瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系-----------历元平天球坐标系

章动改正岁差改正极移极移：在地幔对流以及其他物质迁移的影响下，地球自转轴的位置随时间的不同而发生改变的现象称为地极移动，简称极移。地球坐标系1、瞬时地球坐标系：原点位于地球质心

z轴指向瞬时北极

x轴指向起始子午面与赤道面的交点

y轴构成右手坐标系取向。2、协议地球坐标系原点：地球质心

z轴：指向CIO

x轴：指向与CIO相对应的赤道面与起始子午面的交点

y轴：按构成右手坐标系取向（总地球椭球与参考椭球的差别（书上P109））国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900至1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。地球坐标系之间的转换

瞬时地球坐标系-----------------协议地球坐标系

极移改正天球坐标系与地球坐标系之间的转换

卫星的位置是由天球坐标系的坐标表示，测站的位置是由地球坐标系的坐标表示，要想用卫星的坐标测出测站的坐标，需将天球坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。

转换的步骤：历元平天球坐标系----瞬时平天球坐标系-------瞬时真天球坐标系--------------------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样，故只需要多次旋转坐标轴即可只有X轴差一个GAST角度注：GAST为格林尼治恒星时高程系统一、正高（海拔高）H正

1、定义：指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离

2、特点：（1）正高高程是唯一的；（2）一点在不同深度处的重力加速度的平均值二、正常高H常

1、定义：指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。

我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面三、大地高（椭球高）H

1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的大地高

2、特点：大地高是纯几何量，不具物理意义。同一个点在不同基准下有不同的大地高椭球面大地水准面似大地水准面P地面大地高正常高正高大地水准面差距高程异常高程系统大地高与正高、正常高关系：N——大地水准面差距；

——高程异常。大地水准面差距：椭球面与大地水准面之间的距离。高程异常：椭球面与似大地水准面之间的距离。

24GPS水准GPS水准精度GPS测定的大地高精度，可优于1cm。大地高转换为正高、正常高时，需要采用其他方法测定的大地水准面差距或高程异常。综合实际情况，当前能达到三等水准的要求GPS测量中的常用坐标系统

一、大地测量基准的概念

大地测量基准：描述地球大小，形状和地球在空间定位，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C20，J2；物理参数：GM；定向定位参数：ω

。经典大地测量基准是由几何测量确定的，缺少物理参数，现代大地测量基准是由物理测量确定的，参数齐全GPS测量中的常用坐标系统二、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别

大地测量坐标系是理论定义，空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位大地测量基准是依据若干观测点的观测数据确定的大地测量坐标系，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。在多数场合下，两者不加区别。我们常用的坐标系都是大地测量基准27GPS测量中常用的坐标系协议地球坐标系

1.WGS-84坐标系2.ITRF参考框架国家大地坐标系

1.北京54坐标系

2.西安80坐标系3.新北京54坐标系4.2000坐标系

5.地方坐标系GPS测量中的常用坐标系统

协议地球坐标系

1.WGS-84坐标系

WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系。原点在地球质心

Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向

X轴指向BIH1984.0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。它是一个地固坐标系。

它是协议地球坐标系的一种

GPS测量中的常用坐标系统

WGS-84坐标系采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数

长半径：a=6378137±2（m）；

地球引力常数：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

正常化二阶带谐系数：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自转角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-130GPS测量中的常用坐标系统2.ITRF坐标框架IERS---指国际地球自转服务机构。ITRS---指国际地球参考系统。IERS每年将全球各站观测数据综合处理，得出一种协议地球参考系统ITRS。ITRF---指构成ITRS的地面控制点网，即有“框架”之意。IGS---国际GPS地球动力学服务。几乎所有的IGS精密星历都是在ITRF框架下提供的。GPS测量中的常用坐标系统2.ITRF参考框架

ITRF是国际地球自转服务局（IERF）根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准，是世界工人的精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用，但其日后必将代替WGS-84.IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84相同，定向不同32WGS-84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS-84与ITRF的关系WGS84与ITRF的转换关系GPS测量中的常用坐标系统国家大地坐标系

1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。

存在的问题：

（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面差距大，不能达到最佳拟合，存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）坐标误差累计大（坐标从东北传递到西北和西南的，未进行整体平差，各部分结合点有1~2米的误差）。（4）定向不明确即X,Y轴的指向不明。（5）属参心坐标系。（和卫星坐标的原点不一致）GPS测量中的常用坐标系统2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：

（1）采用1975年国际椭球。（2）大地高程基准采用1956年黄海高程。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为拟合。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6)其大地点的高程起算面是似大地水准面，是局部基准而非全球基准。（7）二维坐标系，不适合卫星定位GPS测量中的常用坐标系统3.新1954年北京坐标系（BJ54新）新1954年北京坐标系是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。（3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向于GDZ80相同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。36GPS测量中的常用坐标系统4.2000国家大地坐标系我国地心坐标系原点：地球质心右手地固直角坐标系37GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系国家统一坐标系在由于投影会产生两种变形：高程归化变形一般工程要求，变形不超过1/40000；要求对应的大地高不超过160m。东部沿海可以忽略，中西部需改正。方法：将地面点投影到平均高程面上。38GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系国家统一坐标系由于投影会产生两种变形：高斯投影变形一般工程要求，变形不超过1/40000；要求离中央子午线的距离不超过45km；对于3度带，最远距离可达167km;方法：选择测区中央的经度作为中央子午线进行投影。GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系

地方坐标系选自己的地方参考椭球，基准面为当地的平均海拔高程面。地方与国家的参考椭球的关系:

中心一致轴向一致扁率一致长半径有一增量

什么情况需要建立地方独立坐标系？GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系建立当测区高程大于160m时或离中央子午线距离大于45km时，应建立地方坐标系：确定地方坐标系中央子午线，进行换带计算；（通常选在测区中央）用测区平均高程面进行坐标增量改正；用一个已知点作为坐标原点。由坐标原点及改正后坐标增量计算其他点坐标。坐标系统的转换GPS：WGS—84坐标系工程测量常用：54坐标系、80坐标系或地方坐标系通常需要将WGS—84坐标系进行转换。空间直角坐标系转换空间直角坐标系转换：七参数法平移：3个平移分量旋转：3个旋转角度分量尺度：一个尺度分量总计7个转换参数，两个坐标系至少需要3个公共点，即可解算。43空间坐标系转换在求解转换参数时，公共点坐标的误差对所求参数影响很大，因此所选公共点应满足下列条件：点的数目要足够多，以便检核；坐标精度要足够高；分布要均匀；覆盖面要大，以免因公共点坐标误差引起较大的尺度比因子误差和旋转角度误差。44平面直角坐标系转换平面直角坐标系转换：四参数法两个平移参数，一个旋转参数和一个尺度因子。为求四个转换参数，应至少有两个公共点。

坐标系统之间的转换七参数法：定参数需要三个点在两个坐标系中的坐标四参数法：定参数需要两个点在两个坐标系中的坐标46高程系统的转换WGS—84：椭球面为高程起算面。1985黄海高程系：似大地水准面为起算面。转换方法：高程拟合法地球模型法等值线图法区域似大地水准面精化法高程系统的转换任务二GPS测量的时间系统GPS测量中，时间的意义：确定GPS卫星的在轨位置确定星、站之间的距离确定地球坐标