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1、全球定位系统概论全球定位系统概论资源与环境学院资源与环境学院林承达林承达 1第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 坐标系统与时间系统是描述卫星运动处坐标系统与时间系统是描述卫星运动处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础理基础2地形面、参考椭球面和大地水准面地形面、参考椭球面和大地水准面3坐标和坐标系坐标和坐标系坐标坐标定义：定义：用于在一个给定维数的空间中相对于用于在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定点的位置的一组数。一个参照系来确定点的位置的一组数。坐标系坐标系定义：定义：坐标系则是一种在给定维数的空间中坐标系则是一种在给定维数
2、的空间中用坐标来表示点的方法，是测量参照系的核用坐标来表示点的方法，是测量参照系的核心数学元素。心数学元素。类型：笛卡尔坐标系、曲线坐标系类型：笛卡尔坐标系、曲线坐标系4位置基准和坐标参照系位置基准和坐标参照系基准基准基准（基准（Datum）指的是一组用于描述其它量指的是一组用于描述其它量的量。的量。位置基准位置基准定位中被用作测量或计算基础的点、线或面，定位中被用作测量或计算基础的点、线或面，如：如：用于定义天体参照系的天球、赤道面、黄道面、用于定义天体参照系的天球、赤道面、黄道面、春分点，春分点，用于定义大地坐标系的参考椭球及其定位和定向，用于定义大地坐标系的参考椭球及其定位和定向，用于定
3、义高程参照系的大地水准面用于定义高程参照系的大地水准面5位置基准和坐标参照系位置基准和坐标参照系坐标参照系坐标参照系定义：提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协定义：提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。（议、算法和常数。（IERS）坐标参照系的确定：需要确定其原点、轴向及尺度。坐标参照系的确定：需要确定其原点、轴向及尺度。坐标参照系的类型坐标参照系的类型天球参照系天球参照系CRS Celestial Reference System也被称为空固系（也被称为空固系（Space-fixed Reference System）地球参照系地球参照系TRS Terrestr
4、ial Reference System也被称为地固系（也被称为地固系（Earth-fixed Reference System）6参考框架参考框架坐标参照系的实现坐标参照系的实现问题：坐标参照系的定义虽然明确且严密，问题：坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也不易于使用。但是却非常抽象，而且也不易于使用。参考框架参考框架-坐标参照系的实现。坐标参照系的实现。参考框架参考框架定义：参考框架是一组具有相应参照系下坐定义：参考框架是一组具有相应参照系下坐标及其时间演变的点。标及其时间演变的点。理论依据：一组相容的坐标中，实际上隐含理论依据：一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一个坐标
5、参照系所必需的一个原点、了定义一个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一个尺度。一组正交坐标轴的指向和一个尺度。7坐标系转换与基准转换坐标系转换与基准转换两种类型的坐标转换两种类型的坐标转换坐标系转换与基准转换坐标系转换与基准转换坐标系转换坐标系转换同一点的坐标在相同基准或参照系下由一种坐标系下的同一点的坐标在相同基准或参照系下由一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标，如空间直角坐标与坐标转换为另一种坐标系下的坐标，如空间直角坐标与大地坐标之间的相互转换。大地坐标之间的相互转换。坐标系转换实际上是不同坐标表达方式间的变换。坐标系转换实际上是不同坐标表达方式间的变换。基准转换
6、基准转换同一点在基于某一基准或参照系的坐标系下的坐标转换同一点在基于某一基准或参照系的坐标系下的坐标转换为基于另一基准或照系的坐标系下的坐标，如为基于另一基准或照系的坐标系下的坐标，如WGS 84与与1954年北京坐标系下大地坐标之间的相互转换，或年北京坐标系下大地坐标之间的相互转换，或WGS 84下的笛卡尔坐标与下的笛卡尔坐标与1954北京坐标系下的大地坐标之间北京坐标系下的大地坐标之间的相互转换。的相互转换。8坐标系统的类型坐标系统的类型在在空间固定空间固定的坐标系统：与地球自转无的坐标系统：与地球自转无关，对于描述卫星的运动位置和状态极关，对于描述卫星的运动位置和状态极其方便其方便与与地
7、球体固联地球体固联的坐标系统：对于表达地的坐标系统：对于表达地面观测站的位置和处理面观测站的位置和处理GPS观测数据尤观测数据尤为方便为方便92.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系天球坐标系天球坐标系描述人造卫星的位置采用球面坐标系描述人造卫星的位置采用球面坐标系大地坐标系大地坐标系10空间直角坐标系空间直角坐标系/笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系坐标轴相互正交的坐标系。坐标轴相互正交的坐标系。空间直角坐标系空间直角坐标系三维笛卡尔坐标系。三维笛卡尔坐标系。测量中的空间直角坐标系测量中的空间直角坐标系11大地基准与大地大地基准与大地/椭球坐标系椭球坐标系大地基准（
8、大地基准（Geodetic Datum）用于定义地球参考椭球的一系列参数，包括：用于定义地球参考椭球的一系列参数，包括：椭球的大小和形状：通常用长半轴（椭球的大小和形状：通常用长半轴（Semi-major Axis）和扁率（和扁率（Flattening）（或偏心率（或偏心率（Eccentricity）来表示；）来表示；椭球短半轴（椭球短半轴（Semi-minor Axis）的指向）的指向（Orientation）：通常与地球的平自转轴平行；）：通常与地球的平自转轴平行；椭球中心的位置：根据需要确定，地心椭球的中心位椭球中心的位置：根据需要确定，地心椭球的中心位于地球的质心；于地球的质心；本初子
9、午线（本初子午线（Prime Meridian）：通过固定平极和经）：通过固定平极和经度原点的天文子午线，通常为格林尼治子午线。度原点的天文子午线，通常为格林尼治子午线。12大地基准与大地大地基准与大地/椭球坐标系椭球坐标系大地大地/椭球坐标系椭球坐标系定义：以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地定义：以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地坐标系，由于大地基准又是以参考椭球为基础，因坐标系，由于大地基准又是以参考椭球为基础，因此，又被称为椭球坐标系。此，又被称为椭球坐标系。大地坐标大地坐标大地纬度（大地纬度（B）大地经度（大地经度（L）大地高大地高/椭球高（椭球高（H）13大地坐标系大地坐标系
10、大地坐标系大地坐标系参考面长半轴为参考面长半轴为a，短半轴，短半轴b为旋转轴的为旋转轴的椭球面；椭球面几何中心与直角坐标系原椭球面；椭球面几何中心与直角坐标系原点重合，短半轴与直角坐标系点重合，短半轴与直角坐标系Z轴重合。轴重合。14地球坐标系的其它表达形式地球坐标系的其它表达形式地球参心坐标系地球参心坐标系天文坐标系天文坐标系站心坐标系站心坐标系高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系15天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系理解：理解：地球坐标是把地球视为理想球体，以其旋地球坐标是把地球视为理想球体，以其旋转轴两极的最短球面连线为经线，垂直于经线的转轴两极的最短球面连线为经线，垂直于经线
11、的是纬线形成的角度坐标系。是纬线形成的角度坐标系。而宇宙中的星体位置远近不一，所以以地球为球而宇宙中的星体位置远近不一，所以以地球为球心，将星体沿球径投影到某个假想球面上，来表心，将星体沿球径投影到某个假想球面上，来表示星体的角位置。示星体的角位置。区别：区别：天球坐标是天文用的，地球坐标是地理用天球坐标是天文用的，地球坐标是地理用的；天球坐标能描述星体相对于地球的角度位置，的；天球坐标能描述星体相对于地球的角度位置，地球坐标只描述物体在地球表面的位置。地球坐标只描述物体在地球表面的位置。它们都是角坐标系，但是地球坐标是以地球表面它们都是角坐标系，但是地球坐标是以地球表面为球面的，是有半径的；
12、而天球坐标与半径无关，为球面的，是有半径的；而天球坐标与半径无关，只要是某一球面即可。只要是某一球面即可。162.2 WGS84大地坐标系大地坐标系几何定义：几何定义：坐标系的原点是地坐标系的原点是地球质心。球质心。Z轴指向协议地球轴指向协议地球极方向。极方向。X轴指向零度子午轴指向零度子午面和赤道的交点。面和赤道的交点。Y轴和轴和ZX轴构成右轴构成右手坐标系。手坐标系。17我国常用局部参照系我国常用局部参照系我国常用局部参照系我国常用局部参照系1954年北京坐标系年北京坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000 China Geode
13、tic Coordinate System 2000）18国家大地坐标系国家大地坐标系1954年北京坐标系年北京坐标系椭球参数椭球参数1954北京坐标系北京坐标系1954年北京坐标系的历史：年北京坐标系的历史：新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，再全国范围内开展了正规的，全面的大地时期，再全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的标系。由于当时的“一边倒一边倒”政治趋向，故我国政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前采用了前苏联的克
14、拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。尔科沃。2054北京坐标系北京坐标系1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJZ54）存在问题存在问题椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不包含表示地球物理特性的参数包含表示地球物理
15、特性的参数椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地水椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达大达67米。米。参考框架未进行全国统一平差。参考框架未进行全国统一平差。2180西安大地坐标系西安大地坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系基本情况基本情况1978年决定对我国天文大地网进行整体平差。年决定对我国天文大地网进行整体平差。重新选定椭球，并进行定位、定向。重新选定椭球，并进行定位、定向。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约
16、县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站准面采用青岛大港验潮站19521979年确定的年确定的黄海平均海水面（即黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。国家高程基准）。2280西安大地坐标系西安大地坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系椭球参数及定位、定向椭球参数及定位、定向地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推年的推荐值荐值椭球的短轴由地球质心指向椭球的短轴由地球质心指向1968.0 JYD，起始子午面平，起始子
17、午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统采用我国境内符合最好，高程系统采用1956年黄海平均海水年黄海平均海水面为高程起算基准。面为高程起算基准。232000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000）原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。长度单位：米（长度单位：米（SI），与局部地心框架下的地心坐标时的时），与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；定向：初始定向由定向：初始
18、定向由1984.0时的时的BIH（国际时间局）定向给定；（国际时间局）定向给定；定向的时间演化：定向的时间演化不产生相对于地壳的残余定向的时间演化：定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全球旋转；全球旋转；CGCS 2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心；心；轴为国际地球自转局（轴为国际地球自转局（IERS）参考极（）参考极（IRP）方向，）方向，轴为轴为IERS的参考子午面（的参考子午面（IRM）与垂直于）与垂直于 轴的赤道面的轴的赤道面的交线，交线，轴与轴与 轴和轴和 轴构成右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。242000国家大地坐标系国
19、家大地坐标系经国务院批准，根据中华人民共和国测绘法，经国务院批准，根据中华人民共和国测绘法，中国自中国自2008年年7月月1日起启用日起启用2000国家大地坐标系。国家大地坐标系。为此，国家测绘局为此，国家测绘局6月月18日发布公告。日发布公告。公告同时对新旧坐标系的转换和使用作出说明：公告同时对新旧坐标系的转换和使用作出说明：2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为衔接的过渡期为8至至10年。年。2008年年7月月1日后新生日后新生产的各类测绘成果应采用产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。国家大地坐标系。现有地理信息系统
20、，在过渡期内应逐步转换到现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系；国家大地坐标系；2008年年7月月1日后新建设的日后新建设的地理信息系统应采用地理信息系统应采用2000国家大地坐标系。国家大地坐标系。252000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000）2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000）椭球参数椭球参数长半轴：长半轴：地球（包括大气）引力常数：地球（包括大气）引力常数：地球动力形状因子：地球动力形状因子：地球自转速度：地球自转速度：262000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000）CGCS2000的实现的实现三个层次三个
21、层次第一层次：第一层次：连续运行参考站连续运行参考站。由它们构成。由它们构成CGCS 2000的基本骨架，其坐标精度为的基本骨架，其坐标精度为mm级，速度精度为级，速度精度为1mm/a。第二层次：第二层次：大地控制网大地控制网。包括中国全部领土和领海内。包括中国全部领土和领海内的高精度的高精度GPS网点，其三维地心坐标精度为网点，其三维地心坐标精度为cm级，速级，速度精度为度精度为23mm/a。第三层次：第三层次：天文大地网天文大地网。包括经空间网与地面网联合。包括经空间网与地面网联合平差的约平差的约5万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3 m，大地
22、高误差不超过，大地高误差不超过0.5 m。272000国家大地坐标系的必要性国家大地坐标系的必要性1.二维坐标系统二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。高精度、归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。高精度、三维与低精度、二维之间的矛盾是无法协调的。三维与低精度、二维之间的矛盾是无法协调的。2.参考椭球参数参考椭球参数。1980西安坐标系所采用的西安坐标系所采用的IAG1975椭球，椭球，其长半轴要比现在国际公认的其长半轴要比现在国际公认的WGS84椭球长半轴的值大椭球长半轴的值大3米左右，而这可能引起
23、地表长度误差达米左右，而这可能引起地表长度误差达10倍左右。倍左右。3.随着随着经济建设的发展和科技的进步经济建设的发展和科技的进步，维持非地心坐标系，维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大，维持非地心坐标系的下的实际点位坐标不变的难度加大，维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。技术也逐步被新技术所取代。4.椭球短半轴指向椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点，与国际上通用的地面坐标系如极原点，与国际上通用的地面坐标系如ITRS，或与，或与GPS定位中采用的定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向等椭球短轴的指向(BIH1984.0)不
24、同。不同。282000国家大地坐标系的意义国家大地坐标系的意义1.科学意义，定义更加科学、原点位于地球质量中心的三科学意义，定义更加科学、原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系。维国家大地坐标系。2.采用采用2000国家大地坐标系可对国民经济建设、社会发国家大地坐标系可对国民经济建设、社会发展产生巨大的社会效益展产生巨大的社会效益3.采用采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在中国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在中国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。作用。4.采用采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等
25、国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。安全的需要。5.卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好292.3 时间系统时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置，及其精确描述天体和人造卫星运行位置，及其相互关系的重要基准，因而也是人们利用相互关系的重要基准，因而也是人们利用卫星进行定位的重要基准卫星进行定位的重要基准30GPS时间系统的重要意义时间系统的重要意义GPS卫星作
26、为一个高空观测目标，其位置是在卫星作为一个高空观测目标，其位置是在不断变化的。必须有瞬间位置时刻。不断变化的。必须有瞬间位置时刻。GPS定位是通过接收信号来确定用户接收机跟定位是通过接收信号来确定用户接收机跟卫星的距离或者距离差，因此必须确定信号的卫星的距离或者距离差，因此必须确定信号的传播时间。传播时间。由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断的变化的。上点的位置是不断的变化的。31两个重要的名词两个重要的名词时刻：即发生某一现象的瞬间。天文学时刻：即发生某一现象的瞬间。天文学中或者卫星定位中，与所获数据对应的中或者卫星定位中，与所获数
27、据对应的时刻也成为历元。时刻也成为历元。时间间隔：指发生某一现象所经历的时间间隔：指发生某一现象所经历的 过过程，是这一过程的始末差。程，是这一过程的始末差。时间间隔测量称为相对时间测量，时刻时间间隔测量称为相对时间测量，时刻测量称为绝对时间测量。测量称为绝对时间测量。32时间基准的要求时间基准的要求运动应该是连续的周期的。运动应该是连续的周期的。运动的周期应该由充分的稳定性。运动的周期应该由充分的稳定性。运动的周期必须具有复现性。运动的周期必须具有复现性。对于对于GPS最重要的时间系统有三种：恒最重要的时间系统有三种：恒星时、力学时和原子时。星时、力学时和原子时。33恒星时恒星时ST(Sid
28、ereal Time)以春分点为参考点以春分点为参考点,由春分点的周日视运由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统。动所定义的时间系统为恒星时系统。时间尺度：春分点连续两次经过本地子时间尺度：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为分为24个恒星时。个恒星时。恒星时是以地球自转为基础，在天文学恒星时是以地球自转为基础，在天文学中有着广泛应用。中有着广泛应用。34世界时世界时UT(Universal Time)以平子夜为零时起算得格林尼治平太阳以平子夜为零时起算得格林尼治平太阳时定义为世界时时定义为世界时UT。35协调世界时协调世界
29、时UTC（Coordinated Universal Time）协调世界时协调世界时UTC是一种接近世界时是一种接近世界时UT的折的折中办法。既要保证时间尺度的均匀性，又中办法。既要保证时间尺度的均匀性，又近似反映地球自转变化。近似反映地球自转变化。36原子时原子时ATI(International Atomic Time)20世纪世纪50年代，建立以物质内部原子运动的特年代，建立以物质内部原子运动的特征为基础的原子时系统。征为基础的原子时系统。就目前的观测水平而言这一事件尺度是均匀的，就目前的观测水平而言这一事件尺度是均匀的，被广泛应用于动力学作为时间单位。被广泛应用于动力学作为时间单位。原
30、子时的秒长被定义为铯原子原子时的秒长被定义为铯原子Cs133基态的两基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周周所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取所持续的时间。原子时的起点，按国际协定取为为1958年年1月月1日日0时时0秒（秒（UT2）37位置基准位置基准 WGS-84（World Geodetic System-1984）采用广播星历采用广播星历建立：美国国防部制图局建立：美国国防部制图局（DMA）参考椭球：长半轴：参考椭球：长半轴：6378137m，扁率：，扁率：1/298.257223563，大，大地水准面：全球重力场模型（地水准面：全球重力场模型（EGM）ITRF（国际地球参考框架）（国际地球参考框架）采用精密星历采用精密星历建立：国际地球自转服务（建立：国际地球自转服务（IERS）参考椭球：参考椭球：1980年大地参考系椭球（年大地参考系椭球（GRS80）时间基准时间基准 GPS时间（时间（GPS Time）原子时原子时表示方法：表示方法：GPS周周+一周内的秒数一周内的秒数起点：起点：1980年年1月月6日日0时时与与UTC的关系：的关系：1980年年1月月6日日0时与时与UTC一至，目前由于跳秒的原一至，目前由于跳秒的原因，相差因，相差32.0秒秒GPS的位置基准与时间基准的位置基准与时间基准38