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1、第四章第四章 大地坐标系建立及坐标换算基础大地坐标系建立及坐标换算基础 18 椭球定位和定向概念椭球定位和定向概念 椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为两类：两类：局部定位和地心定位。局部定位和地心定位。局部定位局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；无特殊要求；地心定位地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，同时要求椭球中心与准面有最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。地球质心一致
2、或最为接近。19 坐标系统的类型 以参考椭球为基准的坐标系，叫做参心坐标系；以总地球椭球为基准的坐标系，叫做地心坐标系。与地球体固连在一起且与地球同步运动，以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系另一类是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。20 地球参心坐标系20.2 大地原点和大地起算数据大地原点和大地起算数据大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立作为一个参心大地坐标系建成的标志 20.3 1954年北京坐标系 1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，
3、而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。54年北京坐标系的大地水准面 20.4 1980年国家大地坐标系 1980年国家大地坐标系的特点是：采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4个椭球基本参数.地球椭球长半径 a=6 378 140 m，地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2=1.082 6310-8,地球自转角速度=7.292 11510-5 rad/s。八年坐标系的大地水准面
4、该坐标系建立后，实施了全国天文大地网平差。平差后提供的大地点成果属于1980年西安坐标系，它和原1954年北京坐标系的成果是不同的。这个差异除了由于它们各属不同椭球与不同的椭球定位、定向外，还因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。20.5 新1954年北京坐标系(BJ54新)新1954年北京坐标系，是在GDZ80基础上，改变GDZ80相对应的IUGG1975椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点(椭球中心)平移，使坐标轴保持平行而建立起来的。地心地固大地坐标
5、系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球面与大地水准面在全球范围内最佳符合，椭球的短轴与地球自转轴重合(过地球质心并指向北极)地球自转轴相对地球体的位置并不是固定地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，地极点在地球表面上的位置是随时间的，地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的，这种现象称为而变化的，这种现象称为地极移动地极移动，简称，简称极移。某一观测瞬间地球北极所在的位置极移。某一观测瞬间地球北极所在的位置称为称为瞬时极瞬时极，某段时间内地极的平均位置，某段时间内地极的平均位置称为称为平极平极。21.1 极移与国际协议原点极移与国际协议原点 国际天文联合会(IAU)和国际大地测量与地
6、球物理联合会(IUGG)在1967年于意大利共同召开的第32次讨论会上，建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO，它相对于19001905年平均历元1903.0。另外国际极移服务(IPMS)和国际时间局(BIH)等机构分别用不同的方法得到地极原点，与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。极移由于地球内部物质运动以及地球与其它天体的相互作用都真实存在，地球自转轴在地球内部也在不断运动，所以地球极点在地表的位置随时间而改变，这种现象称为极移（Polar Displacement）。19001998年极移年极移
7、以协议地极CIP(Conventional Terrestrial Pole)为指向点的地球坐标系称为协议地球坐标系CTS(Conventional Terrestrial System)，而以瞬时极为指向点的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原点CIO为指向点，因而也是协议地球坐标系，一般情况下协议地球坐标系和地心地固坐标系代表相同的含义。21.2 协议地球坐标系协议地球坐标系建立地心坐标系的方法可分为直接法和间接法两建立地心坐标系的方法可分为直接法和间接法两类。类。所谓直接法所谓直接法，就是通过一定的观测资料，就是通过一定的观测资料(如天文、如天
8、文、重力资料、卫星观测资料等重力资料、卫星观测资料等)，直接求得点的地，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。力法等。所谓间接法所谓间接法，就是通过一定的资料，就是通过一定的资料(其中包括地其中包括地心系统和参心系统的资料心系统和参心系统的资料)，求得地心坐标系和，求得地心坐标系和参心坐标系之间的转换参数，而后按其转换参数参心坐标系之间的转换参数，而后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法 21.3 地心地固坐标系的建立方法地心地固坐标系的建立方法20世纪60年代以来，美国和原
9、苏联等国家利用卫星观测等资料，开展了建立地心坐标系的工作。美国国防部曾先后建立过世界大地坐标系(World Geodetic System，简称为WGS)WGS-60，WGS-66和WGS-72，并于1984年开始，经过多年修正和完善，建立起更为精确的地心坐标系统，称为WGS-84。21.4 WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS。该坐标系的原点是地球的质心，Z 轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X 轴构成右手坐标系 21.5 国际地球参考系统国际地球参考系统(ITRS)
10、与国际地球参考框架与国际地球参考框架(ITRF)21.5.2 国际地球参考系统(ITRS)ITRS是一种协议地球参考系统，它的定义为：原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；Z 轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；Y轴与XOZ 平面垂直而构成右手坐标系；时间演变基准是使用满足无整体旋转NNR条件的板块运动模型，来描述地球各块体随时间的变化。ITRS的建立和维持是由IERS全球观测网，以及观测数据经综合分析后得到的站坐标和速度场来具体实现的，即国际地球参
11、考框架ITRF。21.5.3 国际地球参考框架(ITRF)ITRF是ITRS的具体实现，是通过IERS分布于全球的跟踪站的坐标和速度场来维持并提供用户使用的。IERS每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。ITRF2000 STATION POSITIONS（m)AT EPOCH 1997.0 AND VELOCITIES(m/y)BJFS -2148743.784 4426641.236 4044655.935 -.0444 .0141 -.0013WUHN-2267749.162 5009154.325 3221290
12、.762 -.0325 -.0077 -.0119TRANSFORMATION PARAMETERS AND THEIR RATES FROM ITRF2000 TO PREVIOUS FRAMESSOLUTION T1 T2 T3 D R1 R2 R3 EPOCH Ref.UNITS-cm cm cm ppb .001 .001 .001 IERS Tech.Note#RATES T1 T2 T3 D R1 R2 R3UNITS-cm/y cm/y cm/y ppb/y .001/y.001/y.001/y-ITRF97 0.67 0.61-1.85 1.55 0.00 0.00 0.00
13、1997.0 27 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF96 0.67 0.61-1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 24 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF94 0.67 0.61-1.85 1.55 0.00 0.00 0.00 1997.0 20 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF93 1.27 0.65-2.09 1.95 -0.39 0.80 -1.14 1988.0 18 rates -0.
14、29-0.02-0.06 0.01 -0.11 -0.19 0.07 ITRF92 1.47 1.35-1.39 0.75 0.00 0.00 -0.18 1988.0 15 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF91 2.67 2.75-1.99 2.15 0.00 0.00 -0.18 1988.0 12 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF90 2.47 2.35-3.59 2.45 0.00 0.00 -0.18 1988.0 9 rates 0.00-0.06-0.14 0.01
15、 0.00 0.00 0.02 ITRF89 2.97 4.75-7.39 5.85 0.00 0.00 -0.18 1988.0 6 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 ITRF88 2.47 1.15-9.79 8.95 0.10 0.00 -0.18 1988.0 rates 0.00-0.06-0.14 0.01 0.00 0.00 0.02 Very Long Baseline Interferometry DORIS is a Doppler satellite tracking system developped for precis
16、e orbit determination and precise ground location。It is onboard the Jason-1 and ENVISAT altimetric satellites and the remote sensing satellites SPOT-2,SPOT-4 and SPOT-5.It also flew with SPOT-3 and TOPEX/POSEIDON 九峰22 站心坐标系 22.1 垂线站心直角坐标系垂线站心直角坐标系 22.2 法线站心直角坐标系 23 坐标系换算坐标系换算 23.1 欧勒角与旋转矩阵欧勒角与旋转矩阵 两
17、个直角坐标系进行相互变换的旋转角称为欧勒角 对于二维直角坐标系 23.2 不同空间直角坐标系转换不同空间直角坐标系转换布尔莎公式布尔莎公式 由于公共点的坐标存在误差，求得的转换参数将受其影响，公共点坐标误差对转换参数的影响与点位的几何分布及点数的多少有关，因而为了求得较好的转换参数，应选择一定数量的精度较高且分布较均匀并有较大覆盖面的公共点。当利用3个以上的公共点求解转换参数时存在多余观测，由于公共点误差的影响而使得转换的公共点的坐标值与已知值不完全相同，而实际工作中又往往要求所有的已知点的坐标值保持固定不变。为了解决这一矛盾，可采用配置法，将公共点的转换值改正为已知值，对非公共点的转换值进行相应的配置。计算公共点转换值的改正数V=已知值-转换值，公共点的坐标采用已知值。采用配置法计算非公共点转换值的改正数 23.3 不同大地坐标系换算不同大地坐标系换算