GPS坐标系统与时间系统.pptx
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1、坐标系统概论坐标系统概论w描述描述GPS三部分的要求三部分的要求w卫星卫星地球地球(公转和自转公转和自转)坐标系统坐标系统w坐标系统(卫星,地球)坐标系统(卫星,地球)w坐标转换坐标转换课程内容:坐标系统、转换w协议天球坐标:描述对象协议天球坐标:描述对象w协议地球坐标:描述对象协议地球坐标:描述对象w两者的关系两者的关系天球的基本概念w天球概念图解天球概念图解w天轴与天极天轴与天极w天球赤道面天球赤道面和天球赤道和天球赤道w天球子午面和子午圈天球子午面和子午圈w时圈时圈w黄道与黄极黄道与黄极w春分点春分点讨论与理解讨论与理解天球坐标系w定义定义w天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系 (X,Y
2、,Z)w天球球面坐标系天球球面坐标系 (,r)天球坐标系的假设w地球是均质球体地球是均质球体w没有其他天体摄动力的影响没有其他天体摄动力的影响w基于上述假设,地球自转轴在空间是固定的基于上述假设,地球自转轴在空间是固定的w.实际的地球w地球是球?地球是球?w均质?均质?w没有其他天体摄动力的影响?没有其他天体摄动力的影响?w基于上述假设,地球的自转轴是固定的?基于上述假设,地球的自转轴是固定的?岁差现象w北天极绕黄北极旋转北天极绕黄北极旋转w春分点西移春分点西移w图解图解w理解和讨论理解和讨论岁差现象中月球的影响w主要的影响主要的影响w如果月球的引力及其运行轨道固定不变如果月球的引力及其运行轨
3、道固定不变w天球北天极的轨迹天球北天极的轨迹:近似小圆近似小圆w瞬时平北天极瞬时平北天极(平北天极平北天极)w平天球赤道、平春分点平天球赤道、平春分点岁差现象中除月球其他因素的影响w月球运行轨道及月地月球运行轨道及月地距离是不断变化的;距离是不断变化的;wT时刻:瞬时时刻:瞬时(真真)北天北天极,瞬时极,瞬时(真真)天球赤道天球赤道,瞬时,瞬时(真真)春分点;春分点;w章动:瞬时北天极绕章动:瞬时北天极绕瞬时平北天极旋转;瞬时平北天极旋转;章动现象w图解图解w北天极在天球上的北天极在天球上的运动:岁差章动运动:岁差章动协议天球坐标系的定义w原因原因:岁差与章动岁差与章动w解决办法:近惯性坐标系
4、统解决办法:近惯性坐标系统协议天球坐标系的转换w协议天球坐标转换到瞬时平天球坐标协议天球坐标转换到瞬时平天球坐标(岁差旋转岁差旋转)w瞬时平天球坐标转换为瞬时天球坐标瞬时平天球坐标转换为瞬时天球坐标(章动旋转章动旋转)w综合转换公式综合转换公式地球坐标系地球坐标系w目的目的w定义定义w空间直角坐标系空间直角坐标系/大地坐标系大地坐标系w坐标转换:坐标转换:空间直角坐标系与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:N为椭球卯酉圈的曲率半径,为椭球卯酉圈的曲率半径,e为椭球的第一偏心率,为椭球的第一偏心率,a、b为为椭球的长短半径。椭球的长短半径。极移现象w岁差与章动的原因岁差与
5、章动的原因日月引力日月引力w地球质量不均匀地球质量不均匀w地极点在地球表面的位置随时间而变化地极点在地球表面的位置随时间而变化w瞬间地球自转轴瞬间地球自转轴瞬时极瞬时极极移的描述方法w平面直角坐标系表达平面直角坐标系表达w图解极移图解极移极移现象带来的问题w坐标体系坐标体系坐标轴指向坐标轴指向w万有引力定律的准确性万有引力定律的准确性极移现象解决办法w国际协议原点国际协议原点(CIO:conventional international origin):国际上国际上5个纬度服务站,个纬度服务站,1900.00至至1905.05年平均纬度所确定的平均地年平均纬度所确定的平均地极位置;极位置;w协
6、议地极协议地极(CTP)瞬时地极与协议地极w瞬时地极瞬时地极协议地极协议地极w瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系协议地球坐标系w图解图解(P21)w转换关系转换关系协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换两者定义区别w原点:地球质心原点:地球质心wZ Z轴轴wX X轴与轴与X X轴的夹角轴的夹角w所以两者之间的关系是所以两者之间的关系是由定义写转换公式w坐标系统转换框图w大地水准面和参考椭球体w当海洋静止时,它的自由水面必定与该面上各点的重力当海洋静止时,它的自由水面必定与该面上各点的重力方向方向(铅垂线方向铅垂线方向)成正交,我们把这个面叫做成正交,我们把这个面叫做水准面水准面。但水准面
7、有无数多个,其中有一个与静止的平均海水面但水准面有无数多个,其中有一个与静止的平均海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面,这就是屿形成一个闭合的曲面,这就是大地水准面。大地水准面。大地水准面和参考椭球体w大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的数学曲面数学曲面旋转椭球。旋转椭球可用旋转椭球。旋转椭球可用2 2个几何参数个几何参数确定,即为椭球的长半径确定,即为椭球的长半径a a和扁率和扁率f f,这两个参数决,这两个参数决定了椭球的形状和大小。定了椭球的形状和大小
8、。w为了将地面测量数据归算到椭球面上,仅仅知道它为了将地面测量数据归算到椭球面上,仅仅知道它的形状和大小是不够的,还必须确定它与大地水准的形状和大小是不够的,还必须确定它与大地水准面的相关位置,也就是所谓的椭球定位和定向。面的相关位置,也就是所谓的椭球定位和定向。w另外,为了从几何特性和物理特性两个方面来研究另外,为了从几何特性和物理特性两个方面来研究全球的形状,则还要使椭球与全球大地水准面结合全球的形状,则还要使椭球与全球大地水准面结合最为密切。最为密切。参考椭球体w现代大地测量中,采用现代大地测量中,采用4个参数来描述椭球的几何和个参数来描述椭球的几何和物理特性,这四个参数是:物理特性,这
9、四个参数是:椭球的长半径椭球的长半径(解方程,用弧度测量的传统方法求出解方程,用弧度测量的传统方法求出)。地球重力场二阶带谐系数地球重力场二阶带谐系数J2(J2与扁率存在一定解析与扁率存在一定解析关系关系)(卫星大地测量与卫星激光测距求出卫星大地测量与卫星激光测距求出)。地心引力常数与地球质量的乘积地心引力常数与地球质量的乘积GM(卫星大地测量解算卫星大地测量解算)。地球自转角速度地球自转角速度(天文观测求出天文观测求出)。w地心坐标系:将椭球中心与地球质心重合,且与全地心坐标系:将椭球中心与地球质心重合,且与全球大地水准面最为密合的旋转椭球。球大地水准面最为密合的旋转椭球。地球参心坐标系w参
10、考椭球:为了研究局部球面的形状,且使地面测参考椭球:为了研究局部球面的形状,且使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小,各个国家和量数据归算至椭球的各项改正数最小,各个国家和地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密合的椭球建立坐标系。这样选定和建立的椭球称为合的椭球建立坐标系。这样选定和建立的椭球称为参考椭球;参考椭球;w大地原点大地原点w参心坐标系参心坐标系参心空间直角坐标系和参心大地坐参心空间直角坐标系和参心大地坐标系标系w由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小,由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小,所以,参心坐标系至今对大地测
11、量仍有重要作用。所以,参心坐标系至今对大地测量仍有重要作用。国家大地坐标系1.1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54旧旧)国家大地坐标系1.1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54旧旧)u参心坐标系;参心坐标系;u大地原点:前苏联的普尔科沃;大地原点:前苏联的普尔科沃;u参考椭球:克拉索夫斯基椭球,前苏联参考椭球:克拉索夫斯基椭球,前苏联1942年坐标年坐标系的延伸;系的延伸;u高程基准:高程基准:1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水年青岛验潮站求出的黄海平均海水面;面;u高程异常:原苏联高程异常:原苏联 1955年大地水准面重新平差结果年大地水准面重新平差结果为起算数据,按我国天文水
12、准路线推算而得;为起算数据,按我国天文水准路线推算而得;u平差方法:分区分期局部平差;平差方法:分区分期局部平差;国家大地坐标系1.1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54旧旧)w存在的问题:存在的问题:椭球参数差异较大,不包含表示地球物理特性的参数。椭球参数差异较大,不包含表示地球物理特性的参数。定向不明确,椭球的短半轴既不指向国际通用的定向不明确,椭球的短半轴既不指向国际通用的CTP,也不指向目前我国使用的,也不指向目前我国使用的JYD极。极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜,东部高程异常达斜,东部高程异常达60余米,最大达余
13、米,最大达67米。米。大地点坐标是经过局部分区平差得到的,区与区之间大地点坐标是经过局部分区平差得到的,区与区之间有较大的隙距,全国的天文大地控制点实际上不能形有较大的隙距,全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体。成一个整体。国家大地坐标系2.1980年西安坐标系年西安坐标系(GDZ80)大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇石际寺村大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇石际寺村国家大地坐标系2.1980年西安坐标系年西安坐标系(GDZ80)u参心坐标系。参心坐标系。u大地原点:陕西省泾阳县永乐镇。大地原点:陕西省泾阳县永乐镇。u参考椭球:参考椭球:1975年年IUGG推荐椭球,有推荐椭球,有4个几何和物
14、理参数:个几何和物理参数:长轴:长轴:63781405(m);地心引力常数地心引力常数GM地球重力场二阶带谐系数地球重力场二阶带谐系数J2地球自转角速度地球自转角速度wu椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。参数。u高程基准:高程基准:1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。u平差方法:天文大地网整体平差。平差方法:天文大地网整体平差。国家大地坐标系2.1980年西安坐标系年西安坐标系(GDZ80)w特点:特点:大地原点地处我国中部。大地原点地处我国中部。椭球面同近大地水准面在我国境内最为
15、密合。椭球面同近大地水准面在我国境内最为密合。定向明确,短轴平行于由地球质心指向定向明确,短轴平行于由地球质心指向1968.0地地极原点极原点(JYD)的方向,起始大地子午面平行于格的方向,起始大地子午面平行于格林尼治平均天文台子午面。林尼治平均天文台子午面。国家大地坐标系3.新新1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54新新)由由1980年国家大地坐标年国家大地坐标(GDZ80)转换得来,仍选转换得来,仍选用克拉索夫斯基椭球为基准椭球,并将椭球中心平用克拉索夫斯基椭球为基准椭球,并将椭球中心平移,使其坐标轴与移,使其坐标轴与1980西安坐标系的坐标轴平行。西安坐标系的坐标轴平行。w大地原点:
16、陕西省泾阳县永乐镇。大地原点:陕西省泾阳县永乐镇。w参考椭球:克拉索夫斯基椭球。参考椭球:克拉索夫斯基椭球。w多点定位,但椭球面同大地水准面在我国境内并不最佳拟合。多点定位,但椭球面同大地水准面在我国境内并不最佳拟合。w定向明确,与定向明确,与GDZ80相同。相同。w平差方法:天文大地网整体平差。平差方法:天文大地网整体平差。w高程基准:高程基准:1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。地方坐标系w缘由:国家坐标系的投影变形大,不方便使用;缘由:国家坐标系的投影变形大,不方便使用;w目的:基于限制变形、方便、实用和科学的目的,目的:基于限制变形、方便、实用和科
17、学的目的,常常会建立适合本地区的地方独立坐标系;常常会建立适合本地区的地方独立坐标系;w构建:建立地方独立坐标系,实际上就是通过一些构建:建立地方独立坐标系,实际上就是通过一些参数来确定地方参考椭球与投影面。参数来确定地方参考椭球与投影面。地方坐标系w地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球,该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同,球,该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同,其椭球半径其椭球半径a a增大为:增大为:式中,式中,为当地平均海拔高程,为当地平均海拔高程,为该地区平均高程异为该地区平均高程异常。常。w在地方投影面的确
18、定过程中,应当选取过测区中心的经在地方投影面的确定过程中,应当选取过测区中心的经线为独立中央子午线,并选取当地平均高程面为投影面。线为独立中央子午线,并选取当地平均高程面为投影面。WGS-84坐标系w目前目前GPS所采用的坐标系所采用的坐标系统,美国国防部研制确定统,美国国防部研制确定的世界大地坐标系的世界大地坐标系(WGS);w几何定义:原点为地球质几何定义:原点为地球质心,心,Z轴指向轴指向 BIH 1984.0定定义的协议地极义的协议地极(CTP)方向,方向,X轴指向轴指向 BIH1984.0 定义定义的零子午面和的零子午面和 CTP赤道的赤道的交点,交点,Y轴与轴与 Z、X轴构成轴构成
19、右手坐标系。右手坐标系。WGS-84坐标系w参考椭球:参考椭球:WGS-84椭球,其参数采用椭球,其参数采用 IUGG第第 17届大会推荐值:届大会推荐值:w计算计算GPS卫星瞬间位置卫星瞬间位置高斯克吕格投影平面直角坐标系w为了建立各种比例尺地形图的控制及工程测量控制,一般应为了建立各种比例尺地形图的控制及工程测量控制,一般应将椭球面上各点的大地坐标按照一定的规律投影到平面上,将椭球面上各点的大地坐标按照一定的规律投影到平面上,并以相应的平面直角坐标表示。并以相应的平面直角坐标表示。w目前各国常采用的是高斯投影和目前各国常采用的是高斯投影和UTM投影,这两种投投影,这两种投影具有下列特点:影
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