第二章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

1、,第二章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng),GPS測量原理及應用,概 述 觀測站固定在地球表面，其空間位置隨地球的自轉(zhuǎn)而運動，而GPS衛(wèi)星卻總是圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，而且與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。這樣，在地球定位中，需要研究建立衛(wèi)星在其軌道上運動的坐標系，并尋求衛(wèi)星運動的坐標系與地面點所在的坐標系之間的關(guān)系，實現(xiàn)坐標系之間的轉(zhuǎn)換。 衛(wèi)星定位中常采用空間直角坐標系及其相應的大地坐標系，一般取地球質(zhì)心為坐標系的原點。根據(jù)坐標系指向的不同分為兩

2、類坐標系：即天球坐標系和地球坐標系。 （1）地球坐標系隨同地球自轉(zhuǎn)，可看作固定在地球上的坐標系，便于描述地面觀測站的空間位置； （2）天球坐標系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，便于描述人造地球衛(wèi)星的位置。,GPS測量原理及應用,,全球定位系統(tǒng)（GPS）的最基本任務是確定用戶在空間的位置。而所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標系的位置坐標，位置是相對于參考坐標系而言的，為此，首先要設(shè)立適當?shù)淖鴺讼?。坐標系統(tǒng)是由原點位置、3個坐標軸的指向和

3、尺度所定義，根據(jù)坐標軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標系：天球坐標系和地球坐標系。 由于坐標系相對于時間的依賴性，每一類坐標系又可劃分為若干種不同定義的坐標系。 不管采用什么形式，坐標系之間通過坐標平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換，可以將一個坐標系變換到另一個坐標系去。,2.1 天球坐標系和地球坐標系,GPS測量原理及應用,,圖2-1 直角坐標系與球面坐標系,1. 天球空間直角坐標系的定義 地球質(zhì)心O為坐標原點，

4、Z軸指向天球北極，X軸指向春分點，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標系。則在此坐標系下，空間點的位置由坐標（X，Y，Z）來描述。,2.1.1 天球坐標系,2．天球球面坐標系的定義 地球質(zhì)心O為坐標原點，春分點軸與天軸所在平面為天球經(jīng)度（赤經(jīng)）測量基準——基準子午面，赤道為天球緯度測量基準而建立球面坐標?？臻g點的位置在天球坐標系下的表述為（r，α，δ）。 天球空間直角坐標系與天球球面坐標系的

5、關(guān)系可用圖2-1表示：,GPS測量原理及應用,,2.1.1 天球坐標系,3. 直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換,對同一空間點，天球空間直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：,(2-1),(2-2),GPS測量原理及應用,,2.1.2 地球坐標系,1．地球直角坐標系的定義 地球直角坐標系的定義是：原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y軸在赤道平

6、面里與XOZ構(gòu)成右手坐標系。,圖2-2 直角坐標系和大地坐標系,2. 地球大地坐標系的定義 地球大地坐標系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。 地球直角坐標系和地球大地坐標系可用圖2-2表示：,GPS測量原理及應用,,,,,,,2.1.2 地球坐標系,對同一空間點，直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：,,,,3. 直角坐標

7、系與大地坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換,GPS測量原理及應用,,2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,（2-5),GPS測量原理及應用,1．站心赤道直角坐標系 如圖2-3，P1 是測站點，O為球心。以O(shè)為原點建立球心空間直角坐標系 。以P1 為原點建立與 相應坐標軸平行的坐標系 叫站心赤道直角坐標系。

8、顯然， 同 坐標系有簡單 的平移關(guān)系：,,2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,2．站心地平直角坐標系,以P1 為原點，以P1 點的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x，z垂直（向東為正）建立的坐標系叫站心地平直角坐標系。站心地平直角坐標系與站心赤道直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

9、 代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐標系與球心空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：,,,,,GPS測量原理及應用,2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,3．站心地平極坐標系以測站P1為原點，用測站P1至衛(wèi)星s的距

10、離r、衛(wèi)星的方位角A、衛(wèi)星的高度角h為參數(shù)建立的與站心地平直角坐標系P1－xyz相等價的坐標系稱為站心地平極坐標系P1－rAh。,GPS測量原理及應用,2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,站心地平極坐標系與站心地平直角坐標系的關(guān)系為：,GPS測量原理及應用,,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,1．瞬時極天球坐標系與地球坐標系 瞬時極天球坐標系：原點位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），x軸指

11、向瞬時春分點（真春分點），y軸按構(gòu)成右手坐標系取向。 瞬時極地球坐標系：原點位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸方向，x軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺赤道參考點的子午面之交點，y軸構(gòu)成右手坐標系取向。瞬時極天球坐標系與瞬時極地球坐標系的關(guān)系如圖2-4所示。 瞬時極天球坐標系與瞬時極地球坐標系的 轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

12、 （2-10） 下標et表示對應t時刻的瞬時極地球坐標系， ct表示對應t時刻的瞬時極天球坐標系。θG 為對應平格林尼治子午面的真春分點時角。,,GPS測量原理及應用,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,兩平面

13、的交點分別為春分 & 秋分,我國24節(jié)氣,GPS測量原理及應用,歲差：月球與太陽對地球引力使得地球赤道面向黃道面趨近，同時由于地球不斷自轉(zhuǎn)，按照陀螺運動的原理，自轉(zhuǎn)軸必然繞黃道軸旋進，而黃赤交角不變。當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)軸旋進時，春分點西移，因而，地球自轉(zhuǎn)不到一周即可兩次經(jīng)過春分點。這就是歲差。春分點每年西移50.2564//。地球自轉(zhuǎn)軸旋進周期為25700年，即每25700年描繪出一個圓錐形。,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐

14、標系,GPS測量原理及應用,章動：地、月、太的相對位置不斷變動，因而引力方向也不斷變化。太陽每年兩次通過地球赤道面月球每月兩次通過地球赤道面這在地球旋進的平均位置上附加了一個短周期擺動，使得地球自轉(zhuǎn)軸在空間掃過的軌跡成為荷葉邊形的錐面，而不是一般的錐面。這種短周期擺動叫做章動。,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,GPS測量原理及應用,,歲差影響,章動影響,GPS測量原理及應用,北天極和春分點是運動的，在建立天球坐標系時，z軸

15、和x軸的指向也會隨之而運動，給天體位置的描述帶來不便。通常選擇某一時刻作為標準歷元，并將標準歷元的瞬時北天極和真春分點作章動改正，得z軸和x軸的指向，這樣建立的坐標系稱為協(xié)議天球坐標系(歷元平天球坐標系)。國際大地測量學協(xié)會（IAG）和國際天文學聯(lián)合會（IAU）決定，以2000年1月15日為標準歷元。,GPS測量原理及應用,,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點方向分別扣除此瞬間的章動值作為

16、z軸和x軸指向，y軸按構(gòu)成右手坐標系取向，建立天球坐標系——平天球坐標系，坐標系原點與真天球坐標系相同。瞬時極天球坐標系與歷元平天球坐標系之間的坐標變換通過下面兩次變換來實現(xiàn)。 （1）歲差旋轉(zhuǎn)變換 ZM（t0)表示歷元J2000.0年平天球坐標系z軸指向，ZM（t）表示所論歷元時刻t真天球坐標系z軸指向。兩個坐標系間的變換式為：

17、 (2-11) 式中：ζA ，θA，ZA為歲差參數(shù)。 （2）章動旋轉(zhuǎn)變換 類似地有章動旋轉(zhuǎn)變換式：

18、 （2-12） 式中：ε為所論歷元的平黃赤交角，⊿ψ，⊿ε分別為黃經(jīng)章動和交角章動參數(shù)。,,,2. 固定極天球坐標系——平天球坐標系,GPS測量原理及應用,極移：

19、 地球的形狀軸與自轉(zhuǎn)軸不重合，地極實際為形狀軸和地面的交點。 自轉(zhuǎn)軸以425-440天為周期繞形狀軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振幅約0.1//-0.2//的搖擺運動。 從真正的地極看，地球自轉(zhuǎn)軸大約在3m距離處，每14個月繞該點旋轉(zhuǎn)一周，但由于地球質(zhì)量不均勻，真正的極點常發(fā)生變化，因此自轉(zhuǎn)軸又繞新的極點旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象就是極移。 極移使地面上各點的緯度、經(jīng)度和方位角都發(fā)生變化。地極坐標為天文、大地測量、地球物理、空間科學等

20、實用或研究部門所需要。極移機制的因素包括太陽、月球引力和大氣、海洋等的作用，也涉及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種理論模型，因此極移研究與地學學科有密切的聯(lián)系。,地極的位置用在一個平面直角坐標系中的兩個坐標分量表示，這個坐標系取在地球北極，原點稱為國際習用原點，坐標系的X軸為本初子午線，Y軸為西90°子午線。地極坐標要由天文觀測測定。,GPS測量原理及應用,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,3. 固定

21、極地球坐標系——平地球坐標系,極移：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱 極移。 瞬時極：與觀測瞬間相對應的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的地 球極軸，相應的極點稱為瞬時極。 國際協(xié)定原點CIO：采用國際上5個緯度服務站的資料，以1900.00至 1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平

22、均位置作為 地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。 圖2-5為瞬時極與平極關(guān)系。,GPS測量原理及應用,,GPS測量原理及應用,,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,平地球坐標系：取平地極為坐標原點，z軸指向CIO，x軸指向協(xié)定赤道 面與格林尼治子午線的交點，y軸在協(xié)定赤道面里，與

23、 xoz構(gòu)成右手系統(tǒng)而成的坐標系統(tǒng)稱為平地球坐標系。 平地球坐標系與瞬時地球坐標系的轉(zhuǎn)換公式：

24、 （2-13） 下標em表示平地球坐標系，et表示t 時的瞬時地球坐標系， 為t時刻以角度表示的極移值。,,,GPS測量原理及應用,2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系,4、坐標系的兩種定義方式與協(xié)議坐標系通常，理論上坐標系的定義過程是先選定一個尺度單位，然后定義坐標原點的位置和坐標軸的指向。實際應用中，在已知若干測站點的坐標值后，通過觀測又可反過來定義該坐標系。前一種方式稱為坐標

25、系的理論定義。而由一系列已知測站點所定義的坐標系稱為協(xié)定坐標系。,,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,WGS-84的定義：WGS-84坐標系的原點在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標系。它是一個地固坐標系。建立WGS-84世界大地坐標系的一個重要目的，是在世界上建立一個統(tǒng)一的地心坐標系。 WGS-84橢球及

26、其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù) 長半徑：a=6378137±2（m）； 地球引力常數(shù)：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2； 正常化二階帶諧系數(shù)： J2=108263×10-8

27、 C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9； 地球自轉(zhuǎn)角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1,,2.2.1 WGS-84坐標系,GPS測量原理及應用,,2.

28、2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.2 國家大地坐標系,1. 1954年北京坐標系（BJ54舊） 坐標原點：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問題： （1）橢球參數(shù)有較大誤差。 （2）參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。 （3）幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統(tǒng)一。 （4）定向不明確。,GPS測量原理

29、及應用,,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2. 1980年國家大地坐標系（GDZ80）,坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)北流村。 參考橢球：1975年國際橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點： （1）采用1975年國際橢球。 （2）參心大地坐標系是在1954年北京坐標系基礎(chǔ)上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準面在我國境內(nèi)最為密合，是多點定位。 （4）定向明確。 （5）大地原點地處我國中部。 （6）大地高

30、程基準采用1956年黃海高程系。,GPS測量原理及應用,,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,3.新1954年北京坐標系（BJ54新）,新1954年北京坐標系（BJ54新）是由1980年國家大地坐標（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。 坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)北流村。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 “BJ54新”的特點 ： （1）采用克拉索夫斯基橢球。 （2）是綜合GDZ80和BJ54舊

31、建立起來的參心坐標系。 （3）采用多點定位。但橢球面與大地水準面在我國境內(nèi)不是最佳擬合。 （4）定向明確。 （5）大地原點與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。 （7）與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向不同。 （8） BJ54舊 與BJ54新 無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進行局部轉(zhuǎn)換。,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,4.

32、2000國家大地坐標系,國家大地坐標系的定義包括坐標系的原點、三個坐標軸的指向、尺度以及地球橢球的4個基本參數(shù)的定義。,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,4. 2000國家大地坐標系,長半軸 a＝6378137m扁率 f=1/298.257222101 地心引力常數(shù) GM＝3.986004418×1014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速度

33、ω＝7.292l15×10-5rad s-1,2000坐標系采用的地球橢球參數(shù)：,采用地心坐標系，有利于采用現(xiàn)代空間技術(shù)對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點三維坐標，并提高測圖工作效率。,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,4. 2000國家大地坐標系,幾種常用坐標系比較：,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,4. 2000國家大地坐標系,優(yōu)點 ：

34、 與對地觀測數(shù)據(jù)結(jié)合緊密，使用方便，提供高精度、地心、動態(tài)、實用、統(tǒng)一的大地坐標系。,帶來的問題 ： 現(xiàn)有各種坐標系數(shù)據(jù)庫的坐標轉(zhuǎn)換；模擬圖件的坐標轉(zhuǎn)換。,GPS測量原理及應用,2000國家坐標系的形成過程2000國家GPS大地控制網(wǎng)（三網(wǎng)平差） 總參測繪局在1993-1998年期間，在全國建立了一、二級GPS大地控制網(wǎng)，點數(shù)約527個,2000國家坐標系的形成過程國家測繪局在1991-1

35、996年期間建設(shè)了國家高精度GPS A、B級網(wǎng)、約880點,2000國家坐標系的形成過程中國地震局、國家測繪局、總參測繪局中國科學院在1997-1999年期間建設(shè)了中國地殼運動網(wǎng)絡工程約1000多個區(qū)域網(wǎng)點,GPS測量原理及應用,2000國家坐標系的形成過程三網(wǎng)平差 2000——2003年，國家測繪局、總參測繪局和國家地震局聯(lián)合對上述三網(wǎng)進行了聯(lián)合整體平差（簡稱“三網(wǎng)平差”），建

36、立了2000國家GPS大地控制網(wǎng)（點位分布見下圖），獲得了2609個GPS網(wǎng)點高精度（平均精度0.02米）的地心坐標（WGS-84坐標），該網(wǎng)的建立標志我國地心大地坐標系建立。 2000國家GPS大地控制網(wǎng)采用的是WGS-84橢球（以下簡稱“84橢球”），其參數(shù)為： 長半徑： 地球引力場二階帶球諧系數(shù)： 或扁率： 地心引力常數(shù)： 地球自轉(zhuǎn)角速度：,GPS測量原理及應

37、用,,圖1：三網(wǎng)平差點位分布圖,我國天文大地網(wǎng)與GPS2000網(wǎng)聯(lián)合平差 鑒于2000國家GPS大地控制網(wǎng)的點數(shù)較少，分布密度遠不如我國天文大地網(wǎng)，尚不能形成一個完善的具有一定密度的基準點組成的地心坐標系，2003-2005年，總參測繪局和國家測繪局先后啟動了“我國天文大地網(wǎng)與高精度GPS2000網(wǎng)聯(lián)合平差”（簡稱“兩網(wǎng)平差”）項目，獲得了全國48919點高精度（平均精度0.1米）的地心坐標成果，滿足了急需。,,我國天文大地網(wǎng)與

38、高精度GPS2000網(wǎng)聯(lián)合平差采用的是GRS1980橢 球，其參數(shù)為: 長半徑： 地球引力場二階帶球諧系數(shù)： 或扁率： 地心引力常數(shù)： 地球自轉(zhuǎn)角速度：,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.3 地方獨立坐標系在生產(chǎn)實際中，我們通常把控制網(wǎng)投影到當?shù)仄骄０胃叱堂嫔希⒁援數(shù)刈游缇€作為中央子午線進行高斯投影建立地方獨立坐標系。地方獨立坐標系隱含一個與當?shù)仄骄０胃叱虒膮⒖?/p>

39、橢球——地方參考橢球。地方參考橢球的中心、軸向和扁率與國家參考橢球相同，其長半徑則有一改正量。設(shè)地方獨立坐標系位于海拔高程為h的曲面上，該地方的大地水準面差距為ζ，則該曲面離國家參考橢球的高度為：討論：在測量生產(chǎn)實踐中，我們常用到哪些坐標系？,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.3 地方獨立坐標系,又由獨立坐標系的定義知：于是，地方參考橢球和國家參考橢球的關(guān)系可以表述為：,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-8

40、4坐標系和我國大地坐標系,2.2.4 ITRF坐標框架簡介（1）ITRF的建立國際地球參考框架ITRF是國際地球參考系ITRS的實現(xiàn)。ITRS的定義與CTRS的定義一致。ITRF的建立是通過一組站的坐標SSC（Sefs of Station Coordinate）和速度來完成的，這些站的坐標和速度通過VLBI、SLR、LLR、GPS（起于1991年）和DORIS（起于1994年）等空間大地測量手段得到。計算的ITRF解發(fā)表在IER

41、S的年度報告上，已有的ITRF解有ITRF0、ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000。計算ITRF的基本步驟如下：,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,首先，利用站集的速度模型將各分析中心提供的SSC解歸化至某一參考歷元t0；然后進行聯(lián)合平差，得到ITRF站坐標和每一組SSC相對于ITRF聯(lián)合解的7個轉(zhuǎn)換

42、參數(shù)；ITRF點的速度通過兩種方式算得：一種方法是同計算站坐標一樣，不過它的模型是由坐標轉(zhuǎn)換公式導出的，另一種方法是通過對兩個歷元的位置求導得到。,GPS測量原理及應用,2.2.4 ITRF坐標框架簡介（1）ITRF的建立,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.4 ITRF坐標框架簡介（1）ITRF的建立ITRF站點坐標如需用大地坐標形式表示，則IERS推薦采用全球通用的GRS（Geodetic Referenc

43、e System）的大地測量基本常數(shù)，目前采用的GRS80是IUGG1979年推薦的，其橢球參數(shù)是：,,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.5 GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的PZ-90坐標系 1976年，蘇聯(lián)國防部宣布建立GLONASS系統(tǒng)，1982年10月12日首次發(fā)射衛(wèi)星。自此以后的13年間，雖然遭遇了蘇聯(lián)的解體，由俄羅斯接替部署，但始終沒有終止或中斷GLONASS衛(wèi)星的發(fā)射。

44、 1995年底，俄羅斯完成了23顆衛(wèi)星加1顆備用星座的布局。1996年1月18日，俄羅斯政府宣布正式投人使用。,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.5 GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的PZ-90坐標系 GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本組成和基本原理與美國的GPS系統(tǒng)相似。但是兩者的坐標系統(tǒng)不同，,GPS測量原理及應用,2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系,2.2.5 GL

45、ONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的PZ-90坐標系PZ-90坐標系的定義：GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)在1993年以前采用前蘇聯(lián)的1985年地心坐標系，簡稱SGS-85,1993年后改用PZ-90坐標系。PZ-90屬于地心地固坐標系，有時也稱為PE-90GLONASS ICD-1998定義PZ-90坐標系如下:1. 坐標原點位于地球質(zhì)心;2. Z 軸指向IERS推薦的協(xié)議地極原點，即1900-1905年的平均北極;3. X 軸指向

46、地球赤道與BIH定義的零子午線交點;4. Y 軸滿足右手坐標系。由該 定義可以看出，PZ-90坐標系與國際地球參考框架ITRF一致。,GPS測量原理及應用,作 業(yè),論述站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系的建立及其轉(zhuǎn)換關(guān)系,GPS測量原理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.1 不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換進行不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的坐標轉(zhuǎn)換，需要求出坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)一般是利用重合點的兩套坐標值通過一

47、定的數(shù)學模型進行計算。當重合點數(shù)為三個以上時，可以采用布爾莎七參數(shù)法進行轉(zhuǎn)換。設(shè)XDi和XGi分別為地面網(wǎng)點和GPS網(wǎng)點的參心和地心坐標向量。由布爾莎模型可知：,GPS測量原理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.1 不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 為三維空間直角坐標變換的三個旋轉(zhuǎn)角，也稱歐勒角，選擇另外三個互相獨立的參數(shù)來表示所有的方向角。這三個參數(shù)是圍繞坐標軸依次旋轉(zhuǎn)的三個角，就是所謂歐勒角。歐勒角和兩

48、個空間直角坐標系相應軸間的夾角的含義不同，但它們間構(gòu)成一定的解析關(guān)系式。用于大地坐標系問題研究時的歐勒角，稱為大地坐標系中的歐勒角，也稱為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。,GPS測量原理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.1 不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換常用的歐勒角的表示如圖所示，選擇 為歐勒角，坐標系的旋轉(zhuǎn)過程如下：首先，繞 軸，將 軸旋轉(zhuǎn)到 軸,相應的 軸旋轉(zhuǎn)到 ，所轉(zhuǎn)的角為 ；其次，繞 軸，將

49、 軸旋轉(zhuǎn)到 軸，相應地 軸旋轉(zhuǎn)到 ，所旋的角為 ；最后，繞 軸將 軸旋轉(zhuǎn)到 軸，相應的 軸旋轉(zhuǎn)到 ，所旋的角為 。,,,GPS測量原理及應用,,,,,,,,,,,,,,,,,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,,,,2.3.1 不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.微分旋轉(zhuǎn)矩陣 由于一般 為微小角，可?。?,,（2-14）,1.旋轉(zhuǎn)矩陣,GPS測量原理及應用,2.3

50、坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.1 不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 為微小轉(zhuǎn)角，可?。?GPS測量原理及應用,,,,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,3. 不同空間直角坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式,,（2-15）,上式即為兩個不同空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換模型，通過該模型，利用重合點的兩套坐標值（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，再利用上述模型進行各點的坐標轉(zhuǎn)換。,GPS測量原

51、理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.2 不同大地坐標系統(tǒng)的換算對于不同大地坐標系的換算，除包含三個平移參數(shù)、三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個尺度變化參數(shù)外，還包括兩個地球橢球元素變化參數(shù)。不同大地坐標系的換算公式為：,GPS測量原理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.2 不同大地坐標系統(tǒng)的換算上式通常稱為廣義大地坐標微分公式或廣義變換橢球微分公式。如略去旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺度變化參數(shù)的影響，即簡化為一般的大地坐標微分公式。根據(jù)3個

52、以上公共點的兩套大地坐標值，可列出9個以上方程，可按最小二乘法求得9個轉(zhuǎn)換參數(shù)。,GPS測量原理及應用,2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2.3.3 大地坐標系（B,L）轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標系（x,y） 將大地坐標系（B,L）轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標系（x,y），按照高斯投影正算公式進行，具體參照大地測量教科書。,GPS測量原理及應用,,2.4　時間系統(tǒng),應掌握內(nèi)容1 熟悉下列概念：恒星時、世界時、原子時、協(xié)調(diào)世界時、GPS時。

53、 2 GPS時與協(xié)調(diào)世界時和原子時的關(guān)系如何？GPS時的時間基準是怎樣建立的？,GPS測量原理及應用,,2.4　時間系統(tǒng),2.4.1時間的概念　　現(xiàn)代大地測量學中，時間和描述觀測點的空間坐標一樣，成為研究點位運動過程和規(guī)律的一個重要分量，如衛(wèi)星定軌、飛機和車輛導航、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、研究地殼升降和板塊運動等問題，不僅要求給出空間位置，而且應給出相應的時間?，F(xiàn)代大地測量基準應是包括時間在內(nèi)的四維基準。,GPS測量原理及應用,,時間包括時

54、刻（絕對時間）與時間間隔（相對時間）兩個概念。測量時間同樣需要建立測量基準，即時間的單位（尺度）和原點（起始歷元）。作為時間基準的運動現(xiàn)象必須是周期性的，且其周期應有復現(xiàn)性和足夠的穩(wěn)定性。　　根據(jù)作為時間基準的不同，衛(wèi)星大地測量學中常用的時間系統(tǒng)有以下幾類：一是世界時系統(tǒng)；二是原子時系統(tǒng)；三是力學時系統(tǒng)；四是協(xié)調(diào)世界時系統(tǒng)；五是GPS時系統(tǒng)。,GPS測量原理及應用,,2.4.2 世界時系統(tǒng)：　　世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間系統(tǒng)

55、，由于在觀察地球自轉(zhuǎn)時，所選空間參考點的不同，世界時系統(tǒng)又包括恒星時、平太陽時、和世界時。由春分點的周日視運動確定的時間稱為恒星時。春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔為一恒星日，含24個恒星小時。在歲差和章動的影響下，春分點分為真春分點和平春分點，相應的恒星時也分為真恒星時和平恒星時。恒星時具有地方性。,GPS測量原理及應用,,因地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道為一橢圓，所以太陽視運動的速度是不均勻的。以真太陽周年視運動的平均速度確定一個假想

56、的太陽，且其在天球赤道上做周年視運動。稱為平太陽。以平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一個平太陽日，含24個平太陽小時。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性，故常稱為地方平太陽時或地方平時。世界時（Universal Time-UT）以子夜零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時，如以GAMT表示平太陽相對于格林尼治子午圈的時角.則世界時UT與平太陽時之間的關(guān)系為：,GPS測量原理及應用,,在地極移動的影響下，平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過格林

57、尼治子午圈的時間間隔并不均等。此外，地球自轉(zhuǎn)速度也不均勻，它不僅包含有長期的減緩趨勢，而且還含有一些短周期的變化和季節(jié)性變化。因此，世界時也不均勻。從1956年開始，在世界時中加入了極移改正和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正，改正后的世界時分別用UT1和UT2表示，未經(jīng)改正的世界時用UT0表示，其關(guān)系為：,式中Δλ為極移改正，ΔTS為地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性變化改正。世界時UT2雖經(jīng)過以上兩項改正，但仍含有地球自轉(zhuǎn)速度逐年減緩和不規(guī)則變化的影響，所

58、以世界時UT2仍是一個不均勻的時間系統(tǒng)。,GPS測量原理及應用,,2.4.3 原子時系統(tǒng)（IAT）：　　隨著科技的發(fā)展，人們對時間穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)已不能滿足要求。為此，從20世紀50年代起，便建立了以原子能級間的躍遷特征為基礎(chǔ)的原子時系統(tǒng)。原子時秒長定義為：位于海平面上的銫原子基態(tài)兩個超精細能級間，在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間，為一原子秒。原子時的起點定義為1958年1月

59、1日零時的UT2（事后發(fā)現(xiàn)AT比UT2慢0.0039s）國際上用約100臺原子鐘推算統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時系統(tǒng)（IAT）。原子時系統(tǒng)通過原子鐘,GPS測量原理及應用,,來守時和授時，國際原子時和UT2的關(guān)系為： IAT=UT2 – 0.0039s國際原子時的原點也由上式確定。2.6.4、地球質(zhì)心力學時（TT）： 　　地球質(zhì)心力學時是建立在國際原子時（IAT）基礎(chǔ)之上的，其

60、尺度和原子時的尺度一致，國際原子時（IAT）和地球質(zhì)心力學時（TT）的嚴格定義如下：　　　TT=IAT+32.184s,GPS測量原理及應用,,2.4.4　協(xié)調(diào)世界時（UTC）：由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，近幾十年來，世界時每年比原子時約慢1秒，兩者之差逐年積累。為了避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大的偏差，所以，從1972年便采用了一種以原子時秒長為基礎(chǔ)， 在時刻上盡量接近世界時的一種時間系統(tǒng)，這種時間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時（U

61、TC），簡稱為協(xié)調(diào)時。 協(xié)調(diào)時的秒長嚴格等于原子時的秒長，采用潤秒（跳秒）的辦法， 使協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。當協(xié)調(diào)時與世界時的時刻差超過±0.9秒時，便在協(xié)調(diào)時中加入一潤秒（正或負），潤秒一般在12月31日或者6月30日末加入。具體日期由國際地球自轉(zhuǎn)服務組織（IERS）通告。協(xié)調(diào)時與原子時之間的關(guān)系，由下式定義： IAT=UTC+1s×n其中，n為調(diào)整參數(shù)，其值由IERS發(fā)布。,

62、GPS測量原理及應用,,2.4.5　GPS時間系統(tǒng)：GPS時間系統(tǒng)（GPST）是為精密導航和測量的需要建立的專用時間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制，GPS時屬于原子時系統(tǒng)， 其秒長嚴格等于原子時的秒長， 但GPS時與國際原子時有不同的原點，GPS時與IAT 在任何一個瞬間有一常量偏差，其關(guān)系為： IAT=GPST+19s,GPS測量原理及應用,,2.4.6　GPS時間系統(tǒng)：GPS時間系統(tǒng)（GP

63、ST）是為精密導航和測量的需要建立的專用時間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制，GPS時屬于原子時系統(tǒng)， 其秒長嚴格等于原子時的秒長， 但GPS時與國際原子時有不同的原點，GPS時與IAT 在任何一個瞬間有一常量偏差，其關(guān)系為： IAT=GPST+19s,GPS測量原理及應用,,GPS時與協(xié)調(diào)時的時刻， 規(guī)定于1980年1月6日0時相一致，其后，隨著時間的積累兩者之間的差別將表現(xiàn)為秒的整倍數(shù)。其關(guān)系為

64、：　　　GPST=UTC+1s×n－19s n值由國際地球自轉(zhuǎn)服務組織公布。1987年n=23，GPS時比協(xié)調(diào)世界時快4秒，即GPST=UTC+4s，2005年12月，n=32，2006年1月，n=33，所以，2006年1月GPS時與協(xié)調(diào)世界時的關(guān)系是：GPST=UTC+14s。,GPS測量原理及應用,,GPS測量原理及應用,作 業(yè),GPS測量原理及應用,怎樣進行WGS-84坐標和地