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1、1在在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：定位中，通常采用两类坐标系统：天球坐标系天球坐标系天球坐标系天球坐标系:该坐标系是一种惯性坐标系该坐标系是一种惯性坐标系,其坐标原其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不便，与地球自点及各坐标轴指向在空间保持不便，与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。便。地球坐标系地球坐标系地球坐标系地球坐标系:与地球体相固联的坐标系统，该系统对与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理表达地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。第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统
2、定位的坐标系统与时间系统第1页/共69页2 第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球的基本概念天球的基本概念天球天球：指以地球质心指以地球质心M为中心，为中心，半径半径r为任意长度的一个假想球体。为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和球面上的一些参考点、线、面和圈。圈。天轴与天极：天轴与天极：地球自转轴地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点的交点Pn(北天极北天极)Ps(南天极南天极)称称为天极。为天极。天球天球第
3、2页/共69页3第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球的基本概念天球的基本概念天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道通过地球质心通过地球质心M与天轴与天轴垂直的平面为天球赤道面垂直的平面为天球赤道面(与地球赤道面重合与地球赤道面重合).该面该面与天球相交的大圆为天球与天球相交的大圆为天球赤道赤道。天球子午面与天球子午圈天球子午面与天球子午圈天球子午面与天球子午圈天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，一点的平面为天球子午面，
4、该面与天球相交的大圆为该面与天球相交的大圆为天球子午圈。天球子午圈。天球天球第3页/共69页4时圈时圈时圈时圈：通过天轴的平面与：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。天球相交的半个大圆。黄道：黄道：黄道：黄道：地球公转的轨道面地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹称为在天球上的运动轨迹称为黄道。黄道面与赤道面的黄道。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约夹角称为黄赤交角，约23.50o。天球天球第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.
5、12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球的基本概念天球的基本概念第4页/共69页5黄极黄极黄极黄极:通过天球中心，垂直于黄道通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点极的交点 n称北黄极，靠近南天极称北黄极，靠近南天极的交点的交点 s称南黄极。称南黄极。春分点：春分点：春分点：春分点：当太阳在黄道上从天球当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点球赤道的交点。在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点
6、和基准面。点和基准面。天球天球第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球的基本概念天球的基本概念第5页/共69页6第6页/共69页7第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球坐标系天球坐标系在天球坐标系中，任一天体的位置可用在天球坐标系中，任一天体的位置可用天球空间天球空间直角直角坐标系坐标系和和天球球面坐标系天球球面坐标系来描述。来描述。天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系(x,y,z)：原点位于地球的质心原点位于地球的质心M，z轴指向天轴指向天
7、球的北极球的北极Pn，x轴指向春分点，轴指向春分点，y轴与轴与x、z轴构成右手坐标轴构成右手坐标系。系。天球球面坐标系：天球球面坐标系：原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。为原点至天体的距离。第7页/共69页8第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系天球坐标系天球坐标系第8页
8、/共69页9第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系岁差与章动天球坐标系的定义是这样的，原点是地球质心（O），Z轴指向地球自转轴（天极，向北为正），X轴指向春分点，根据春分点的定义可以证明X轴与Z轴互相垂直，且X轴在赤道面上，同时为数学描述方便，引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。天球坐标系与地球自转无关，对于描述天体或人造卫星的位置和状态尤为方便。但前提是：假设地球为均质球体，且没有其他天体摄动力影响。实际上，地球为不规则椭球体，在日月引力和其他天体引力作用下，地球自转轴的方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移
9、现象，即岁差。在岁差影响下，地球自转轴在空间绕黄北极产生缓慢旋转（在北天极上方观察为顺时针），因而使北天极以同样方式绕黄北极旋转。这种有规律的北天极，通常称为瞬时平北天极（平北天极），对应为瞬时天球平赤道、瞬时平春分点。在太阳和其他行星引力影响下，如果把观测时的北天极称为瞬时北天极（真北天极），那么瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转称为章动。真北天极-平北天极 真春分点-平春分点第9页/共69页10第10页/共69页11第11页/共69页12第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系 协议天球坐标系：
10、协议天球坐标系：在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，为建立一个与在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，为建立一个与惯性坐标系相近的坐标系，人们通常选择某一时刻作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴惯性坐标系相近的坐标系，人们通常选择某一时刻作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极指向北极)和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作为和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作为Z Z轴和轴和X X轴的轴的指向。由此所构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标指向。由此所构成的空间固定坐
11、标系，称为所取标准历元时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系系，也称协议惯性坐标系(CIS)(CIS)，天体的星历通常都是在该系统中表示。，天体的星历通常都是在该系统中表示。为了将协议天球坐标系的卫星坐标，转换到观测历元的瞬时天球坐标，通常可分两步为了将协议天球坐标系的卫星坐标，转换到观测历元的瞬时天球坐标，通常可分两步:协议天球坐标系协议天球坐标系瞬时平天球坐标系（岁差旋转）瞬时平天球坐标系（岁差旋转）瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时天球坐标系（章动旋转）瞬时天球坐标系（章动旋转）在实际工作中，坐标系统的转换，一般都借助计算机及相应软件自动完成。在实际工作中，坐标系统的
12、转换，一般都借助计算机及相应软件自动完成。第12页/共69页13第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系瞬时天球坐标系：瞬时天球坐标系：原点位于地球质心，原点位于地球质心，z轴指向瞬时地轴指向瞬时地球自转方向球自转方向(真天极真天极)，x轴指向瞬时春分点（真春分点），轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐轴按构成右手坐标系取向。标系取向。瞬时天球坐标系，即真天球坐标系可以方便地球坐标系坐标系相互变换，但瞬时天球坐标系，即真天球坐标系可以方便地球坐标系坐标系相互变换，但由于由于真天极真天极
13、和和真春分点真春分点方向不断变化，使瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不方向不断变化，使瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化。断变化。第13页/共69页14第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.12.1协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系 因为地球自转轴受其它天体影响（日、月）在空间产生进动，使得春分点变化（章动和岁差），导致用“瞬时天极”定义的坐标系不断旋转，而旋转的坐标系表现出非惯性的特性，不能直接应用牛顿定律。我们可以用某一历元时刻的天极和春分点（协议天极和协议春分点）定义一个三轴指向不变的天球坐标系，称为协议天球坐标系。平天球坐标系就
14、是三轴指向不变的坐标系。选择某一个历元时刻(即时刻的起算点)，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和X轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点与真天球坐标系相同。这样的坐标系称为该历元时刻的平天球坐标系。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换可以通过岁差与章动两次旋转变换来实现。（首先是北天极绕黄北极运动，其次是瞬时北天极绕瞬时平北天极转动）第14页/共69页15第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系地球坐标系地球坐标系由于天球坐标系与地球自转无关，导致地球上一固定点在天球坐标系中
15、的坐标随地球自转而变化，应用不方便。为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系地球坐标系（有时称地固坐标系）。地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标系和大地坐标系。第15页/共69页16第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系地球坐标系地球坐标系空间直角坐标系地球空间直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平尼治平子午面与地球赤道的交点子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。第16页/共69页17第17页/共69页18第二章第二章GPSGPS定位的
16、坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系地球坐标系地球坐标系大地坐标系大地坐标系中的参考面是长半轴为中的参考面是长半轴为a，以短半轴以短半轴b为旋转轴的椭球面。地球椭圆的中心与地球为旋转轴的椭球面。地球椭圆的中心与地球质心重合；椭球短轴与地球自转轴重合。质心重合；椭球短轴与地球自转轴重合。大地纬度大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，自面的夹角，自XOY面向面向OZ轴方向量取为正。轴方向量取为正。大地经度大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼为过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角，即治平子午面之间
17、的夹角，即ZOX平面与平面与ZOP平面的夹角，自平面的夹角，自ZOX平面起算右旋为正。平面起算右旋为正。大地高程大地高程H为地面点沿椭球法线至椭球面的距为地面点沿椭球法线至椭球面的距离，以远离椭球面中心方向为正。离，以远离椭球面中心方向为正。第18页/共69页19第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系地球坐标系地球坐标系第19页/共69页20第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系地球坐标系地球坐标系大地坐标系和空间直角坐标系第20页/共69页21第
18、21页/共69页22第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系极移：地球自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化，而且还受到地球内部质量不均匀影响而在地球体内部运动。前者导致岁差和章动，后者导致极移。地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而，地极点在地球表面上的位置，是随时间而变化的。这种现象称为地极移动，简称极移。观测瞬间地球自转轴所处的位置，我们称为瞬时地球自转轴，而相应的极点称为瞬时极。第22页/共69页23第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时
19、间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系瞬时极与平极的关系1900年国际大地测量与地球物理联合会以190000190505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。定义平地球坐标系的z轴指向国际协定原点。第23页/共69页24第24页/共69页25第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.22.2协议地球坐标系协议地球坐标系极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系以协议地极（CTP）为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系（CTS），与瞬时极相对应的地球坐标系，称为瞬时地球坐标系瞬时地球
20、坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向(真天极)，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午之交点，y轴按构成右手坐标系取向。第25页/共69页26第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.32.3协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换两坐标系比较：原点相同、Z轴指向相同、X轴指向不同（其间夹角为春分点的格林尼治恒星时）在卫星定位测量中，通常在协议天球坐标系中研究卫星运动轨道，在协议地球坐标系中研究地面点的坐标。这样就需要进行坐标系的变换。第26页/共69页27第27页/共69页28第28页
21、/共69页29第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系参心坐标系在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常须选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点(大地原点)，利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。参心坐标系中的“参心”二字意指参考椭球的中心，所以，参心坐标系和参考椭球密切相关。由于参考椭球中心无法与地球质心重合，故又称其为非地心坐标系。参心坐标系按其应用又分为参心大地坐标系和参心空间直角坐标系两种。建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题
22、：确定椭球的形状和大小；确定椭球中心的位置，简称定位；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；确定大地原点。第29页/共69页30第30页/共69页31第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系地心坐标系地心坐标系中的中的“地心地心”二字意指地球的质心。在地心空间大地平直角坐标系二字意指地球的质心。在地心空间大地平直角坐标系中用中用XDXD、yDyD、ZDZD表示点的位置，地心大地坐标系中用表示点的位置，地心大地坐标系中用LDLD、BDBD、HDHD表示点表示点的位置。由于前者可以通过卫星大
23、地测量获得点的空间三维直角坐标，并的位置。由于前者可以通过卫星大地测量获得点的空间三维直角坐标，并不涉及椭球及其定位。但地心大地坐标系则要涉及椭球的大小和定位，所不涉及椭球及其定位。但地心大地坐标系则要涉及椭球的大小和定位，所以地心直角坐标系是以地心直角坐标系是GPSGPS定位中采用的基本坐标系。定位中采用的基本坐标系。在地心坐标系中，如果以大地水准面来代替其中的椭球面，则相在地心坐标系中，如果以大地水准面来代替其中的椭球面，则相应的坐标系，通常称为天文坐标系。应的坐标系，通常称为天文坐标系。第31页/共69页32第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42
24、.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系站心坐标系测量工作以测站为原点，则所构成的坐标系称为测站中心坐标系，简称站心坐标系。独立坐标系在我国许多城市和工程测量中，若直接采用国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精度要求。另外，对于一些特殊的测量，如大桥水坝滑坡测量等，采用国家坐标系在实用中很不方便。因此，基于限制变形、方便、实用、科学的目的，在许多城市和工程测量中，常常回建立适合本地区的地方坐标系。第32页/共69页33第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐
25、标系国家坐标系与地方坐标系国家大地坐标系目前我国常用的1954年北京坐标系和1980年西安坐标系均为参心坐标系。第33页/共69页34第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系第34页/共69页35第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系该坐标系存在如下缺点。因1954年原北京坐标系采用了克拉索夫斯基椭球，与现在的精确椭球参数相比，长半轴约长109m。参考椭球面与中国所在地区的大地水准面不能达到最佳拟合，在中国东部地区大地
26、水准面差距自西向东增加最大达+68m。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。中国在处理重力数据时采用赫尔默特19001909年正常重力公式，与公式相适应的赫尔默特扁球和克拉索夫斯基椭球不一致。定向不明确。椭球短轴未指向国际协议原点CIO，也不是中国地极原点JYDl9680；起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面。椭球只有两个几何参数(长半轴、扁率)，缺乏物理意义，不能全面反映地球的几何与物理特征。同时，1954年北京坐标系的大地原点在普尔科沃，是前苏联进行多点定位的结果。另外，该坐标系是按分区平差逐步提供大地点成果的，在分区的结合部产生了较大的不符值。但该
27、坐标系确实在测绘生产中发挥了巨大的作用，至今仍在一些部门使用。第35页/共69页36第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系第36页/共69页37第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系54坐标系和80坐标系的水准面均以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，按照我国天文水准路线推算出来。P点到水准面的最短距离称为水准高（正高Hg），由于水准面和椭球面不一致，H和Hg会相差一个大地水准面差距N。第37页/共69页
28、38第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系新1954年北京坐标系由于80西安坐标系和54北京坐标系中的坐标存在较大差异，作为过度，产生新1954年坐标系。新54北京坐标系将80坐标系的定位参数（长半径、扁率、原点）平移至1954年坐标系,而定位与定向与1980年坐标系相同.因此，新1954年坐标系的精度与1980年坐标系相同，而坐标值与1954年坐标系相近。第38页/共69页39第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系
29、高斯平面直角坐标系与UTM坐标系将椭球面上的各点的大地坐标系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。目前，我国区域性控制测量的数据处理与结果的表示，各种比例尺地形图以及数字化电子地图的制作，一般均普遍应用。第39页/共69页40第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系第40页/共69页41第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系第41页/共69页42第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐
30、标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系ArcGIS中坐标系统中坐标系统要明确两个概念：Geographiccoordinatesystem和projectedcoordinatesystem区别1、首先理解Geographiccoordinatesystem，Geographiccoordinatesystem直译为地理坐标系统，是以经纬度为地图的存储单位的。很明显，Geographiccoordinatesystem是球面坐标系统。我们要将地球上的数字化信息存放到球面坐标系统上，如何进行操作呢？地球是一个不规则的椭球，如何将数据信息以科学的方法存放到椭球上？
31、这必然要求我们找到这样的一个椭球体。这样的椭球体具有特点：可以量化计算的。具有长半轴，短半轴，偏心率。以下几行便是Krasovsky_1940椭球及其相应参数。第42页/共69页43第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系 Spheroid:Krasovsky_1940 SemimajorAxis:6378245.000000000000000000 Inverse Flattening:298.300000000000010000 然而有了这个椭球体以后还不够，还需要一个大地基准面将这个椭球定位。在坐标系
32、统描述中，可以看到有这么一行：Datum:D_Beijing_1954表示，大地基准面是D_Beijing_1954。有了Spheroid和Datum两个基本条件，地理坐标系统便可以使用。第43页/共69页44第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系2、接下来便是Projectioncoordinate system（投影坐标系统），首先看看投影坐标系统中的一些参数。Projection:Gauss Kruger Parameters:False-Easting:500000.000000False_Nor
33、thing:0.000000Central Meridian:117.000000Scale Factor:1.000000Latitude_Of_Origin:0.000000Linear Unit:Meter(1.000000)Geographic Coordinate System:Name:GCS_Beijing_1954Datum:D_Beijing_1954Spheroid:Krasovsky_1940 Semimajor Axis:6378245.000000000000000000 Inverse Flattening:298.300000000000010000 第44页/共
34、69页45第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系从参数中可以看出，每一个投影坐标系统都必定会有Geographic Coordinate System。投影坐标系统，实质上便是平面坐标系统，其地图单位通常为米。那么为什么投影坐标系统中要存在坐标系统的参数呢？这时候，又要说明一下投影的意义：将球面坐标转化为平面坐标的过程便称为投影。投影的条件就出来了：a、球面坐标 b、转化过程（也就是算法）也就是说，要得到投影坐标就必须得有一个“拿来”投影的球面坐标，然后才能使用算法去投影！即每一个投影坐标系统都必须要求有
35、Geographic Coordinate System参数。第45页/共69页46第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系3、我们现在看到的很多教材上的对坐标系统的称呼很多，都可以归结为上述两种投影。其中包括我们常见的“非地球投影坐标系统”。大地坐标（GeodeticCoordinate）:大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标。地面点P的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地纬度表示。大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的夹角，大地纬度是通过该点
36、的法线与赤道面的夹角，大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。第46页/共69页47第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系方里网:是由平行于投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网。因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称之为方里网，由于方里线同时又是平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网。在1：1万1：20万比例尺的地形图上，经纬线只以图廓线的形式直接表现出来，并在图角处注出相应度数。为了在用图时加密成网，在内外图廓间还绘有加密经纬网的加密分划短线(图式中称“分度带”)，必要时对应短线相连就可以
37、构成加密的经纬线网。1：2 5万地形图上，除内图廓上绘有经纬网的加密分划外，图内还有加密用的十字线。我国的1：50万1：100万地形图，在图面上直接绘出经纬线网，内图廓上也有供加密经纬线网的加密分划短线。第47页/共69页48第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系直角坐标网的坐标系以中央经线投影后的直线为X轴，以赤道投影后的直线为Y轴，它们的交点为坐标原点。这样，坐标系中就出现了四 个象限。纵坐标从赤道算起向北为正、向南为负；横坐标从中央经线算起，向东为正、向西为负。虽然我们可以认为方里网是直角坐标，大地
38、坐标就是球面坐标。但是我们在一副地形图上经常见到方里网和经纬度网，我们很习惯的称经纬度网为大地坐标，这个时候的大地坐标不是球面坐标，她与方里网的投影是一样的（一般为高斯），也是平面坐标。第48页/共69页49第49页/共69页50第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4国家坐标系与地方坐标系国家坐标系与地方坐标系第50页/共69页51第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.5WGS842.5WGS84坐标系坐标系在全球定位系统中，卫星主要被作为位置已知的空间观测目标。因此，为了确定地面观测站位置，GPS卫星的瞬间位
39、置也应换算到统一的地球坐标系中。WGS（world geodetic system）世界大地坐标系统，属于协议地球坐标系（CTS）。第51页/共69页52第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.5WGS842.5WGS84坐标系坐标系第52页/共69页53第53页/共69页54第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.5WGS842.5WGS84坐标系坐标系第54页/共69页55第55页/共69页56坐标系统之间的转换不同空间直角坐标系统之间的转换（2 2）.微分旋转矩阵微分旋转矩阵 ：由于一般 为微小角，可取：（2-14）
40、（1）.旋转矩阵 第56页/共69页57（3）.不同空间直角坐标系统转换公式（2-15）上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利用重合点的两套坐标值（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。第57页/共69页58第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。(1)作为观测目标的GPS卫星以每秒几公里的速度运动。对观测者而言卫星的位置(方向、距离、高度)和速度都在不断地迅速变化。因此，在卫星测量中，例如在由跟踪站对卫
41、星进行定轨时，每给出卫星位置的同时，必须给出对应的瞬间时刻。例如在由跟踪站对卫星进行定轨时，每给出卫星位置的同时，必须给出对的瞬间时刻。当要求GPS卫星位置的误差小于lcm时，相应的时刻误差应小于2.6/s。(2)在卫星定位测量中，GPS接收机接收并处理GPS卫星发射的信号，测定接收机至卫星之间的信号传播时间，再乘以光速换算成距离，进而确定测站的位置。因此，要准确地测定观测站至卫星的距离，必须精确的测定信号的传播时间。如果要求距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于0.03ns。(3)由于地球的自转,地球上的点的位置是不断变化的.若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm,则时间的测定误
42、差应小于2*10-5s.时间与时刻第58页/共69页59第59页/共69页60第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统2.6.1恒星时UT(siderdaltime)以春分点为参考点,由春分点的周日视运动所确定的时间.(春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日)在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。具有地方性。第60页/共69页61第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统2.6.2平太阳时(meansolartime)由于真太阳的视运动速度不均匀，不符合建立时间系统的基本要求，平太阳(平
43、均速度的太阳)连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日。第61页/共69页62第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统2.6.3世界时UT(UniversalTime)以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时世界时UTUT。世界时与平太阳时的尺度相同，但起算点不同。1956年以前，秒被定义为一个平太阳日的186400。这是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。由于地球自转的不稳定性，在UT中加入极移改正即得到UTlUTl。由于高精度石英钟的普遍采用以及观测精度的提高，人们发现地球自转周期存在着季节变化、长期变化及其他不规则变化。
44、UTl加上地球自转速度季节性变化后为UT2UT2。1956年国际上采用新的秒长定义。即历书时秒等于回归年长度的1315569259747。就时间尺度而言，世界时已被历书时ET所代替，之后，又于1976年为原子时所取代。但是UTI在卫星测量中仍被广泛使用，只是它不再作为时间尺度，而是因它数值上表征了地球自转相对恒星的角位置，故用于天球坐标系与地球坐标系之间的转换计算。第62页/共69页63第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统2.6.4原子时ATI(InternationalAtomicTime)随着对时间准确度和稳定度的要求不断提高，以地球自转
45、为基础的世界时系统难以满足要求。20世纪50年代，便开始建立以物质内部原子运动的特征为基础的原子时系统。原子时的秒长被定义为铯原子Cs133s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。当代最理想的时间系统。原子时的起点，按国际协定取为1958年1月1日0时0秒(UT2)(事后发现在这一瞬间ATI与UT2相差00039秒)。就目前的观测水平而言这一时间尺度是均匀的(所依据的周期运动具有稳定的周期)。这一时间尺度被广泛地应用于动力学作为时间单位，其中包括卫星动力学。第63页/共69页64第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间
46、系统力学时（dynamic time DT）在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的，其中所采用的数学变量为力学时。根据所述运动方程和对应参考点的不同，可分：太阳系质心力学时（BDT）地球质心力学时（TDT）在GPS定位中，地球质心力学时作为一种严格均匀的时间尺度和独立变量，被用于描述卫星的运动。TDT=IAT+32.184（S）第64页/共69页65第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统2.6.6协调世界时UTC(CoodinatedUniversalTime)协调世界时UTC即是一种折中办法。它采用原子时秒长，但因原
47、子时比世界时每年快约1秒，两者之差逐年积累，便采用跳秒(闰秒)的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。它既保持时间尺度的均匀性，又能近似地反映地球自转的变化。按国际无线电咨询委员会(CCIR)通过的关于UTC的修正案，从1972年1月1日起UTC与UTI之间的差值最大可以达到09秒，超过或接近时以跳秒补偿，跳秒一般安排在每年12月末或6月末。具体日期由国际时间局安排并通告。为了使用UTI的用户能得到精度较高的UT1时刻，时间服务部门在发播UTC时号的同时，还给出了与UTC差值的信息。第65页/共69页66第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.
48、6时间系统2.6.7GPS时间系统GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。GPS GPS时间系统采用原子时时间系统采用原子时lATlAT秒长作为时间基准，秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在但时间起算的原点定义在19801980年年1 1月月6 6日日UTC0UTC0时。启动时。启动后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，GPSGPS时与时与UTCUTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布务部门定期公布(至至19951995年相差达年相差达1010秒秒)。卫星播发的。卫星播发的卫星钟差也是相对卫星钟差也是相对GPSGPS时间系统的钟差。时间系统的钟差。GPS时与IAT时在任一瞬间均有一常量偏差：TIATTGPS=19(秒)第66页/共69页67第二章第二章GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 2.6时间系统GPS时间系统与各种时间系统的关系:第67页/共69页68第68页/共69页69感谢您的观看！第69页/共69页