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1、坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统第二章坐标系统与时间系统第二章坐标系统与时间系统主要内容：主要内容：GPS坐标系统坐标系统坐标系统分类坐标系统分类WGS-84坐标系、坐标系、北京北京54坐标系坐标系西安西安80坐标系坐标系GPS时间系统时间系统协调世界时协调世界时(UTC)、GPS时时(GPST)第1页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1 2.1 坐标系统坐标系统研究意义和目的研究意义和目的 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达定位结果的数学与物理基础。第2页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1 2.1 坐标系
2、统坐标系统坐标系统坐标系统 坐标系统组成:坐标系和基准 坐标系指的是描述空间位置的表达形式；基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。第3页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1 2.1 坐标系统坐标系统坐标系的分类坐标系的分类天球坐标系:与地球自转无关，故称为空固坐标系或惯性坐标系，其坐标原点和各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态；地球坐标系:则与地球体相固连，故又称为
3、地固坐标系，用于描述地面点的位置。第4页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1 2.1 坐标系统坐标系统坐标系统坐标系统天球坐标系统天球坐标系统地球坐标系统地球坐标系统地心坐标系地心坐标系参心坐标系参心坐标系WGS84WGS84坐标系坐标系北京北京5454坐标系坐标系西安西安8080坐标系坐标系第5页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1 2.1 坐标系统坐标系统GPS 测量中常用的坐标系统测量中常用的坐标系统 WGS-84坐标坐标系系北京北京54坐标系坐标系西安西安80坐标系坐标系第6页/共52页一、概述 在在经经典典大大地地测测量
4、量中中，为为了了处处理理观观测测成成果果和和传传算算地地面面控控制制网网的的坐坐标标，通通常常须须选选取取一一参参考考椭椭球球面面作作为为基基本本参参考考面面，选选一一参参考考点点作作为为大大地地测测量量的的起起算算点点（大大地地原原点点），利利用用大大地地原原点点的的天天文文观观测测量量来来确确定定参参考考椭椭球球在在地地球球内内部部的的位位置置和和方方向向。参参心心坐坐标标系系中中的的“参参心心”二二字字意意指指参参考考椭椭球球的的中中心心，所所以以参参心心坐坐标标系系和和参参考考椭椭球球密密切切相相关关。由由于于参参考考椭椭球球中中心心无无法法与与地地球球质质心心重重合合，故故又又称称其
5、其为为非非地地心心坐坐标标系系。参参心心坐坐标标系系按按其其应应用用又又分分为为参参心心大大地地坐坐标标系系和和参参心心空空间间直角坐标系两种。直角坐标系两种。参心大地坐标系的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种参心大地坐标系的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定位与定向不同，制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定位与定向不
6、同，我国历史上出现的参心大地坐标系，主要有我国历史上出现的参心大地坐标系，主要有BJZ54BJZ54（原）、原）、GDZ80GDZ80和和BJZ54BJZ54等三种。等三种。坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系第7页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系一、概述 参心空间大地直角坐参心空间大地直角坐标系是用三维坐标标系是用三维坐标x x、y y、z z表示点位的，它可按表示点位的，它可按一定的数学公式与参心一定的数学公式与参心大地坐标系相互换算。大地坐标系相互换算。通常在由通
7、常在由GPSGPS定位结果定位结果（地心空间大地直角坐（地心空间大地直角坐标系）计算参心大地坐标系）计算参心大地坐标系时，作为一种过渡标系时，作为一种过渡换算的坐标系。换算的坐标系。第8页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系一、概述 建建立立一一个个参参心心大大地地坐坐标标系系，必必须须解解决决以以下下问问题题：（1 1）确确定定椭椭球球的的形形状状和和大大小小；（2 2）确确定定椭椭球球中中心心的的位位置置，简简称称定定位位；（3 3）确确定定椭椭球球中中心心为为原原点点的的空空间间直直角角坐坐标标系系坐坐标标轴轴的的方方向向
8、，简简称称定定向向；（4 4）确确定定大大地地原原点点。解解决决这这些些问问题题的的过过程程，也也就就是是建建立立参参心心大大地地坐坐标标系系的过程。的过程。二、19541954年北京坐标系（BJZ54BJZ54（原）解解放放初初期期，我我国国大大地地坐坐标标系系是是采采用用河河北北石石家家庄庄市市的的柳柳新新庄庄一一等等天天文文点点作作为为原原点点的的独独立立坐坐标标系系统统，采采用用该该点点的的天天文文坐坐标标作作为为其其大大地地坐标，以海福特椭球进行定位。坐标，以海福特椭球进行定位。第9页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标
9、系二、1954年北京坐标系（BJZ54（原）随随着着我我国国大大地地网网的的扩扩展展，采采用用海海福福特特椭椭球球元元素素误误差差太太大大，且且没没有有顾顾及及垂垂线线偏偏差差的的影影响响。为为此此，19541954年年总总参参谋谋部部测测绘绘局局在在有有关关方方面面的的建建议议与与支支持持下下，采采取取先先将将我我国国一一等等锁锁与与原原苏苏联联远远东东一一等等锁锁相相连连接接，然然后后以以连连接接呼呼玛玛、吉吉拉拉林林、东东宁宁基基线线网网扩扩大大边边端端点点的的原原苏苏联联19421942年年普普尔尔科科沃沃坐坐标标系系的的坐坐标标为为起起算算数数据据，平平差差我我国国东东北北及及东东部
10、部地地区区一一等等锁锁。这这样样传传算算过过来来的的坐坐标标，定定名名为为19541954年年北北京京坐坐标标系系。该该坐坐标标系系是是以以原原苏苏联联当当时时采采用用的的19421942年年普普尔尔科科沃沃坐坐标标系系为为基基础础建建立立起起来来的的，所所不不同同的的是是19541954年年北北京京坐坐标标系系的的高高程程异异常常是是以以原原苏苏联联19551955年年大大地地水水准准面面差差距距重重新新平平差差结结果果为为起起算算值值，且且以以19561956年年青青岛岛验验潮潮站站求求出出的的黄黄海海平平均均海海水水面面为为基准面，按我国天文水准路线推算出来的。基准面，按我国天文水准路线
11、推算出来的。第10页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系二、1954年北京坐标系（BJZ54（原）几几十十年年来来，我我国国在在该该坐坐标标系系上上完完成成了了大大量量的的测测绘绘工工作作，实实施施了了天天文文大大地地网网局局部部平平差差，通通过过高高斯斯克克吕吕格格投投影影，得得到到点点的的平平面面坐坐标标。测测制制了了各各种种比比例例尺尺地地形形图图。但但是是随随着着测测绘绘新新理理论论、新新技技术术的的不不断断发发展展，人们发现该坐标系存在如下缺点：人们发现该坐标系存在如下缺点：（1 1）因因19541954年年原原北北京
12、京坐坐标标系系采采用用了了克克拉拉索索夫夫斯斯基基椭椭球球，与与现现在在的的精精确椭球参数相比，长半轴约长确椭球参数相比，长半轴约长109109m m。（2 2）参参考考椭椭球球面面与与我我国国所所在在地地区区的的大大地地水水准准面面不不能能达达到到最最佳佳拟拟合合，在我国东部地区大地水准面差距自西向东增加最大达在我国东部地区大地水准面差距自西向东增加最大达6868m m。（3 3）几几何何大大地地测测量量和和物物理理大大地地测测量量应应用用的的参参考考面面不不统统一一。我我国国在在处处理理重重力力数数据据时时采采用用赫赫尔尔默默特特1900190019091909年年正正常常重重力力公公式式
13、，与与公公式式相相适适应的赫尔默特扁球和克拉索夫斯基椭球不一致。应的赫尔默特扁球和克拉索夫斯基椭球不一致。第11页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系三、1980年国家大地坐标系（GDZ80）为为了了进进行行全全国国天天文文大大地地网网整整体体平平差差，采采用用新新的的椭椭球球参参数数和和进进行行新新的的定定位位与与定定向向，来来弥弥补补因因19541954年年北北京京坐坐标标系系存存在在的的椭椭球球参参数数不不够够精精确确、参参考考椭椭球球与与我我国国大大地地水水准准面面拟拟合合不不好好等等缺缺点点，所所以以建建立立我我国国新
14、新的的大大地地坐标系是必要的、适时的。坐标系是必要的、适时的。1.1.椭球的参数 在在几几何何大大地地测测量量学学中中，通通常常用用椭椭球球长长半半径径a a和和扁扁率率f f两两个个参参数数表表示示椭椭球球的的形形状状和和大大小小，但但是是从从几几何何和和物物理理两两个个方方面面来来研研究究地地球球，仅仅有有两两个参数是不够的。个参数是不够的。第12页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系2.极移和地极原点 在在19791979年年4 4月月前前的的国国际际时时间间局局（BIHBIH）数数据据均均相相对对于于19681968年年
15、BIHBIH系系统统。此此后后，因因加加入入了了美美国国国国防防部部测测绘绘局局（DMADMA）的的多多谱谱勒勒极极移移成成果果而而改改用用19791979年年BIHBIH系系统统。随随着着观观测测技技术术和和手手段段的的发发展展，以以及及观观测测台台站站和和数数据据的的增增加加，国国际际极极移移服服务务机机构构（IPMSIPMS）所所定定期期公公布布的的瞬瞬时时地地极极坐坐标标，严严格格地地说说，已已不不在在是是以以原原来来所所定定义义的的CIOCIO为为极极移移原原点点。国国际际时时间间局局所所建建立立的的19791979BIHBIH系系统统作作为为协协议议地地面面参参照照系系以以及及所所
16、发发布布的的瞬瞬时时地地极极坐坐标标已已加加入入了了卫卫星星多多谱谱勒勒及及激激光光测测月月技技术术来来求求定定极极移移，其其地地极极原原点点与与原原有有的的CIOCIO自自然然也也不不一一致致，19881988年年后后完完全全摒摒弃弃了了天天文文光光学学观观测测成成果果，国国际际协协议议原原点点（CIOCIO）作作为为历历史史上上曾曾沿沿用用过过的的名名词词已已失失去去原原来来的的意意义义，目目前前我我们们可可以以这这样样认认为为，由由国国际际时时间间局局所所公公布布的的瞬瞬时时地地极极坐坐标标所所相相应应的的坐坐标标原原点点即即为为BIHBIH系统中的协议地极原点。系统中的协议地极原点。第
17、13页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系2.极移和地极原点 在在19671967年年国国际际天天文文学学联联合合会会和和国国际际大大地地测测量量学学与与地地球球物物理理学学联联合合会会共共同同召召开开的的3232次次讨讨论论会会上上，建建议议平平极极的的位位置置用用国国际际纬纬度度服服务务站站五五个个台台站站的的“1900190019051905年年新新系系统统”的的平平均均纬纬度度来来确确定定。平平极极的的这这个个位位置置相相对对于于1900190019051905年年平平均均历历元元（1903.01903.0），叫叫做做国
18、国际际协协议议原原点点，简简称称CIOCIO。19771977年年我我国国极极移移协协作作小小组组利利用用1949194919771977年年期期间间的的国国内内外外3636个个台台站站的的光光学学仪仪器器的的测测纬纬资资料料，分分别别就就地地极极的的长长期期与与周周期期分分量量进进行行分分析析研研究究后，确定了我国的地极原点，记作后，确定了我国的地极原点，记作JYD1968.0JYD1968.0（历元平极）。（历元平极）。第14页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系2.极移和地极原点 地地球球自自转转轴轴与与地地球球表表面面的
19、的交交点点叫叫地地球球极极点点。由由于于地地球球内内部部和和外外部部的的动动力力学学因因素素、地地球球极极点点在在地地球球表表面面上上的的位位置置随随时时间间而而变变化化，这这种种现现象象叫叫做做极极移移。随随时时间间而而变变化化的的极极点点叫叫瞬瞬时时极极，某某一一时时期期瞬瞬时时极极的的平平均均位位置，叫做平地极，简称平极。置，叫做平地极，简称平极。极极移移运运动动是是比比较较复复杂杂的的，其其中中主主要要由由张张德德勒勒运运动动和和受受迫迫季季节节性性运运动动两两项项周周期期性性运运动动所所合合成成，包包括括有有1.21.2年年、1.01.0年年和和0.50.5年年三三种种周周期期，另另
20、外外还有一些不规则的变化。还有一些不规则的变化。第15页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系3.起始天文子午线 18841884年年国国际际经经度度会会议议决决定定，以以通通过过英英国国格格林林尼尼治治天天文文台台艾艾黎黎仪仪器器中中心心的的子子午午线线作作为为全全世世界界计计算算天天文文经经度度的的起起始始天天文文子子午午线线。起起始始天天文文子午线与赤道的交点子午线与赤道的交点E E，就是天文经度零点。就是天文经度零点。但但是是，地地极极位位置置的的变变化化，势势必必引引起起起起始始子子午午线线的的变变化化。加加之之格格林林
21、尼尼治治天天文文台台已已于于19591959年年搬搬迁迁至至7575kmkm以以外外的的赫赫斯斯特特莫莫尼尼尤尤克克斯斯，新新的的格格林尼治天文台已经失去了它的特殊意义。林尼治天文台已经失去了它的特殊意义。考考虑虑到到极极移移的的影影响响和和格格林林尼尼治治天天文文台台迁迁址址，为为使使沿沿用用成成习习的的经经度度计计算算尽尽量量不不变变，19681968年年国国际际时时间间局局（BIHBIH）决决定定，采采用用通通过过国国际际协协议议原原点点（CIOCIO）和和原原格格林林尼尼治治天天文文台台的的经经线线为为起起始始子子午午线线。起起始始子子午午线线与与相相应于应于CIOCIO的赤道的交点的
22、赤道的交点E E为经度零点。这个系统称为为经度零点。这个系统称为“19681968BIHBIH”系统。系统。第16页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.12.1.1参心坐标系参心坐标系3.起始天文子午线 显显然然，起起始始子子午午线线或或经经度度零零点点，只只靠靠一一个个天天文文台台是是难难以以保保持持的的。所所以以国国际际时时间间局局的的19681968BIHBIH系系统统是是由由分分布布在在世世界界各各地地的的许许多多天天文文台台所所观观测测的的经经度度，反反求求出出各各自自的的经经度度原原点点，取取它它们们的的权权中中数数，作作为为平平均均天天文文台台所
23、所定定义义的的经经度度原原点点。国国际际时时间间局局再再根根据据1954195419561956年年的的观观测测资资料料求求出出格格林林尼尼治治天天文文台台所所定定义义的的经经度度零零点点E E与与平平均均天天文文台台所所定定义义的的经经度度原原点点的的经度差值，来修定各天文台的经度值，从而保持了用经度差值，来修定各天文台的经度值，从而保持了用E E点作为经度零点。点作为经度零点。由由于于上上述述原原因因，国国际际时时间间局局的的19681968BIHBIH系系统统改改为为以以平平均均天天文文台台为为准准，习习惯惯上上仍仍称称以以“格格林林尼尼治治平平均均天天文文台台”为为准准。自自然然，这这
24、种种称称呼呼事事实实上上已经和格林尼治没有直接的关系。已经和格林尼治没有直接的关系。起起始始天天文文子子午午线线和和起起始始大大地地子子午午线线紧紧密密相相关关，后后者者直直接接关关系系到到大大地地坐坐标系的定义和不同系统的大地坐标换算。标系的定义和不同系统的大地坐标换算。第17页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统19801980西安大地坐标系西安大地坐标系 1980年国家大地坐标系（要点）w针对1954年北京坐标系，在技术上存在椭球参数不够精确（与现代精确椭球参数相比，长半轴约大109m）、参考椭球与我国大地水准面拟合不好（存在自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地
25、区高程异常最大达65m，全国范围平均为29m）等缺点而建立的。w属参心大地坐标系。第18页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统19801980西安大地坐标系西安大地坐标系 1980年国家大地坐标系（要点）年国家大地坐标系（要点）w4个椭球基本参数，数值采用个椭球基本参数，数值采用1975年国际大地测量与地球物理年国际大地测量与地球物理联合会第联合会第16届大会的推荐值：届大会的推荐值：椭球长半轴椭球长半轴a6378140m；地球引力常数（与地球质量的乘积）地球引力常数（与地球质量的乘积）GM3.9860051014m3/s2；地球重力场二阶带谐系数地球重力场二阶带谐系
26、数J21.08263103；地球自转角速度地球自转角速度 7.292115105 rad/s。根据以上根据以上4个地球椭球的基本参数可进一步求出：个地球椭球的基本参数可进一步求出：地球椭球扁率地球椭球扁率 f 1：298.257第19页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐标系地心坐标系一、建立地心坐标系的意义和方法 地地心心坐坐标标系系中中的的“地地心心”二二字字意意指指地地球球的的质质心心。在在地地心心空空间间大大地地平平直直角角坐坐标标系系中中用用X XD D、Y YD D、Z ZD D表表示示点点的的位位置置，地地心心大大地地坐坐标标系
27、系中中用用L LD D、B BD D 、H HD D表表示示点点的的位位置置。由由于于前前者者可可以以通通过过卫卫星星大大地地测测量量获获得得点点的的空空间间三三维维直直角角坐坐标标，并并不不涉涉及及椭椭球球及及其其定定位位。但但地地心心大大地地坐坐标标系系则则要要涉涉及及椭椭球球的的大大小小和和定定位位。所所以以地地心心直直角角坐坐标标系系是是GPSGPS定定位位中中采采用用的的基本坐标系。基本坐标系。第20页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐标系地心坐标系一、建立地心坐标系的意义和方法 仅仅就就从从地地形形图图测测绘绘来来说说，地地心心
28、直直角角坐坐标标系系并并不不十十分分需需要要，因因为为参参考考椭椭球球面面已已经经和和测测区区范范围围的的大大地地水水准准面面达达到到最最佳佳密密合合，按按参参心心坐坐标标系系测测绘绘地地形形图图还还是是方方便便的的。但但是是，就就整整个个地地球球空空间间而而言言，参参心心坐坐标标系系就就表表现现出出不不足足，主主要要是是以下以下3 3点：点：（1 1）不适合建立全球统一坐标系的要求；）不适合建立全球统一坐标系的要求；（2 2）不便于研究全球重力场；）不便于研究全球重力场；（3 3）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间点三维坐标的完整性。）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间点三维坐标的完
29、整性。第21页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐标系地心坐标系 一、建立地心坐标系的意义和方法 在在上上述述这这3 3方方面面，地地心心坐坐标标系系就就表表现现出出明明显显的的优优势势。因因人人造造地地球球卫卫星星围围绕绕地地球球运运转转，其其轨轨道道平平面面随随时时通通过过地地球球质质心心，所所以以通通过过对对卫卫星星的的跟跟踪踪观观测测来来处处理理与与观观察察站站位位置置有有关关的的问问题题时时，就就需需要要建建立立以以地地心心为为坐坐标标原原点点、与与地地球球体体相相固固连连的的三三维维空空间间直直角角坐坐标标系系统统。因因此此，建建
30、立立并并不不断断精精化化地地心心直直角角坐坐标标系系统统，对对于于发发展展空空间间技技术术和和解解决决卫卫星星大大地地测测量量等等问题具有特殊意义。问题具有特殊意义。第22页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐标系地心坐标系 一、建立地心坐标系的意义和方法 从从理理论论上上讲讲，建建立立地地心心直直角角坐坐标标系系的的方方法法很很多多，例例如如可可以以按按重重力力方方法法建建立立，还还可可以以按按天天文文大大地地测测量量方方法法建建立立，但但实实际际上上又又各各有有困困难难，难以完成。更严重的是椭球中心很难做到和地球质心重合。难以完成。更严重
31、的是椭球中心很难做到和地球质心重合。建建立立地地心心坐坐标标系系的的最最理理想想方方法法是是采采用用空空间间大大地地测测量量的的方方法法。6060年年代代以以来来，随随着着空空间间技技术术的的发发展展，美美、苏苏等等国国利利用用卫卫星星进进行行洲洲际际联联测测，并综合天文、大地、重力测量等资料，开展了建立地心坐标系的工作。并综合天文、大地、重力测量等资料，开展了建立地心坐标系的工作。第23页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐标系地心坐标系二、地心坐标系的表述形式 地地心心直直角角坐坐标标系系如如图图2-22-2所所示示，它它的的定定义义是是
32、：原原点点O O与与地地球球质质心心重重合合；Z Z轴轴指指向向国国际际协协议议原原点点CIOCIO，X X轴轴指指向向19681968BIHBIH定定义义的的格格林林尼尼治治平平均均天天文文台台的的起起始始子子午午线线与与CIOCIO的的赤赤道道焦焦点点E E，Y Y轴轴垂垂直直于于XOZXOZ平平面面构构成成右右手手坐坐标标系系。地地面面点点D D的的位位置置X XD D、Y YD D、Z ZD D三个坐标量来表示（图三个坐标量来表示（图2-22-2）图2-2地心直角坐标系图2-3地心大地坐标系第24页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.1.22.1.2地心坐
33、标系地心坐标系二、地心坐标系的表述形式 地地心心大大地地坐坐标标系系如如图图2-32-3所所示示，它它的的定定义义是是：地地球球椭椭球球的的中中心心与与地地球球质质心心重重合合，椭椭球球的的短短轴轴与与地地球球自自转转轴轴重重合合，大大地地纬纬度度B B为为过过地地面面点点的的椭椭球球法法线线与与椭椭球球赤赤道道面面的的夹夹角角，大大地地经经度度L L 为为过过地地面面点点的的椭椭球球子子午午面面与与BIHBIH定定义义的的起起始大地子午面之间的夹角，大地高始大地子午面之间的夹角，大地高H H为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。地面点地面点D D的位置用的位
34、置用L LD D、B BD D、H HD D三个量来表示。三个量来表示。第25页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统 自自6060年年代代以以来来，美美国国国国防防部部制制图图局局（DMADMA）为为建建立立全全球球统统一一坐坐标标系系统统，利利用用了了大大量量的的卫卫星星观观测测资资料料以以及及全全球球地地面面天天文文、大大地地和和重重力力测测量量资资料料，先先后后建建成成了了WGS-60WGS-60、WGS-66WGS-66和和WGS-72WGS-72全全球球坐坐标标系系统统。于于19841984年年，经经过过多多年年修修正正和和完完善善，发发展展了了一一种种新新
35、的的更更为为精精确确的的世世界界大大地地坐坐标标系系，称称之之为为美美国国国国防防部部19841984年世界大地坐标系，简称年世界大地坐标系，简称WGS-84WGS-84。WGS-84WGS-84于于19851985年年开开始始使使用用，19861986年年生生产产出出第第一一批批相相对对于于地地心心坐坐标标系系的的地地图图、航航测测图图和和大大地地成成果果。由由于于GPSGPS导导航航定定位位全全面面采采用用了了WGS-84WGS-84，用用户户可可以以获获得得更更高高精精度度的的地地心心坐坐标标，也也可可以以通通过过转转换换，获获得得较较高高精精度度的的参参心心大大地地坐坐标标系系坐标。坐
36、标。WGS-84坐标系坐标系 第26页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统WGS-84WGS-84坐坐标标系系的的几几何何定定义义是是：坐坐标标系系的的原原点点是是地地球球的的质质心心，Z Z轴轴指指向向BIH1984.0BIH1984.0定定义义的的协协议议地地球球极极（CTPCTP）方方向向，X X轴轴指指向向BIH1984.0BIH1984.0的的零零度度子子午午面面和和CTPCTP赤赤道道的的交交点点，Y Y轴轴和和Z Z、X X轴轴构构成成右右手手坐坐标标系系。如如右右图图所所示。示。图2-4 2-4 WGS-84WGS-84世界大地坐标系WGS-84坐标系
37、坐标系 第27页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统WGS-84坐标系坐标系 WGS-84坐标系椭球基本参数椭球长半轴a a（6378137263781372）（m m）地球引力常数（含大气层）GMGM（3986005103986005108 80.6100.6108 8）m m3 3/s/s2 2；正常二阶带谐系数 484.1668510484.16685106 6 0.6100.6106 6地球自转角速度 （72921151072921151011110.1500100.1500101111）rad/srad/s。根据以上4 4个地球椭球的基本参数可进一步求出：扁
38、率的倒数f f1 1298.257223563298.257223563第28页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统椭球几何常数汇总表坐标系名称坐标系名称对应椭球对应椭球椭球几何常数椭球几何常数备注备注a（m）1954年北京坐标年北京坐标系（参心）系（参心）克拉索夫克拉索夫斯基椭球斯基椭球6378245298.3大地原点在大地原点在前苏联的普前苏联的普尔科沃尔科沃1980年国家大地年国家大地坐标系（参心）坐标系（参心）80椭球椭球6378140298.257参数为参数为1975年年IUGG16推荐值推荐值WGS-84坐标系坐标系（地心）（地心）WGS-84椭球椭球63
39、78137298.257223563参数为参数为1980年年IUGG17推荐值推荐值椭球几何常数汇总表椭球几何常数汇总表第29页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.22.2独立坐标系独立坐标系 独立坐标系独立坐标系 1 1）由来：）由来：因远离中央子午线或测区平均高程较大，因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，难以满足工而导致长度投影变形较大，难以满足工程上的精度要求；程上的精度要求；对于一些特殊的测量，如大桥施工测量、对于一些特殊的测量，如大桥施工测量、水利水坝测量、滑坡变形监测等，采用水利水坝测量、滑坡变形监测等，采用国家坐标系在实用中很
40、不方便。国家坐标系在实用中很不方便。第30页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.22.2独立坐标系独立坐标系 独立坐标系2 2）建立：）建立：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，其椭球半径a增大为式中为当地平均高程；为该地区平均高程异常。第31页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.22.2独立坐标系独立坐标系 独立坐标系2 2）建立：）建立：在地方投影面的确定过程中，应当选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线；以某个特定使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原
41、点和方位，并选取当地平均高程面为投影面。第32页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.22.2独立坐标系独立坐标系 实例：阜新市80地方坐标系高斯投影分带图高斯投影分带图第33页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.22.2独立坐标系独立坐标系 实例：阜新市80地方坐标系建立120o4140121o 30阜新123ow市区位于东经121o33121o52，北纬41o5841o10之间，距标准分带的123o带100多公里。w通过计算论证，确定改造后的中央子午线为121o30，这样经高斯投影后计算的变形值很小。w为减小地区的投影变形，选择了测
42、区附近的子午线为中央子午线（非标准中央子午线）；而投影面仍采用80椭球面这样建立起来的坐标系称为“阜新地方80坐标系”。第34页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.3 2.3 天球坐标系统天球坐标系统l天球坐标系统天球坐标系统l定义：所谓天球，是指以地球质心定义：所谓天球，是指以地球质心M M为中心，为中心，半径半径r r为任意长度的一个假想的球体。好似晴朗为任意长度的一个假想的球体。好似晴朗的夜晚仰望天空，满天的星斗就分布在这个半的夜晚仰望天空，满天的星斗就分布在这个半圆球面上。圆球面上。第35页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.
43、3 2.3 天球坐标系统天球坐标系统天球的基本概念天球的基本概念 l天轴与天极天轴与天极l天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道l天球子午面与子午圈天球子午面与子午圈l时圈时圈l黄道黄道l黄极黄极l春分点春分点第36页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.3 2.3 天球坐标系统天球坐标系统l岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称
44、为岁产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。差。l章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形极将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，这种现象称为章动。轨迹，这种现象称为章动。岁差和章动岁差和章动 第37页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.3 2.3 天球坐标系统天球坐标系统地面点的位置是在地球坐标系内表示，而地面点的位置是在地球坐标系内表示，而GPSGPS卫卫星的位置则在天球坐标系内表示更为方便。因星的位置则在天球坐标系内表示更为方便。因为为GPSGPS定位需要把卫星与地面点
45、的几何位置统一定位需要把卫星与地面点的几何位置统一在一个坐标系内，所以天球坐标系的选择应该在一个坐标系内，所以天球坐标系的选择应该尽量便于两种坐标系之间的相互转换。如果两尽量便于两种坐标系之间的相互转换。如果两个坐标系的原点均取地球质心，且使两个坐标个坐标系的原点均取地球质心，且使两个坐标系的系的Z Z轴重合，取为瞬时地球自转轴，此时所定轴重合，取为瞬时地球自转轴，此时所定义的天球坐标系与地心直角坐标系具有最简便义的天球坐标系与地心直角坐标系具有最简便的变换关系。的变换关系。天球坐标系建立的原则天球坐标系建立的原则 第38页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统坐标系统2.3
46、2.3 天球坐标系统天球坐标系统l天球空间直角坐标系：原点位于地球质心天球空间直角坐标系：原点位于地球质心M M，Z Z轴指向天球北极轴指向天球北极P P，X X轴指向春分点，轴指向春分点，Y Y轴和轴和Z Z、X X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。l天球球面坐标系：原点位于地球质心天球球面坐标系：原点位于地球质心M M，赤经，赤经为过春分点的天球子午面与过天体的天球子午为过春分点的天球子午面与过天体的天球子午面之间的夹角，赤纬为原点面之间的夹角，赤纬为原点M M和天体的连线与天和天体的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度为原点球赤道面之间的夹角，向径长度为原点M M至天体至天体之间的距离
47、。之间的距离。天球坐标系的两种形式天球坐标系的两种形式 第39页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统时间系统时间系统2.4 2.4 时间系统时间系统在现代大地测量学中，为了研究诸如地壳升降和在现代大地测量学中，为了研究诸如地壳升降和板块运动等地球动力学现象，时间也和描述观测板块运动等地球动力学现象，时间也和描述观测点的空间坐标一样，成为研究点位运动过程和规点的空间坐标一样，成为研究点位运动过程和规律的一个重要分量，从而形成空间与时间参考系律的一个重要分量，从而形成空间与时间参考系中的四维大地测量学。中的四维大地测量学。在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描在天文学和空间科学技术中
48、，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。也是利用卫星进行定位的重要基准。第40页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统时间系统时间系统2.4 2.4 时间系统时间系统 GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。准确地测定观测站至
49、卫星的距离，必须精密地准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11sGPSGPS时间系统的重要意义时间系统的重要意义第41页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统时间系统时间系统2.4 2.4 时间系统时间系统 由于地球的自转现象，在天球坐标系统中，地由于地球的自转现象，在天球坐标系统中，地球上点的位置是不断变化的。若要求赤道上一点球上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的位置误差不超过1cm，则时间的测定误差得小，则时
50、间的测定误差得小于于2 10-5s。GPSGPS时间系统的重要意义时间系统的重要意义时刻和时间间隔时刻和时间间隔时刻：发生某一现象的瞬间，也称为历元；时刻：发生某一现象的瞬间，也称为历元；时间间隔：是发生某一现象所经历的始末时刻之差。时间间隔：是发生某一现象所经历的始末时刻之差。第42页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统时间系统时间系统2.4 2.4 时间系统时间系统l恒星时恒星时l世界时世界时l原子时原子时l协调世界时协调世界时l力学时力学时lGPSGPS时时计时系统分类计时系统分类第43页/共52页坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统时间系统时间系统2.2 2.2 时间时间系统