GPS测量原理及应用第二章课件.ppt

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1、第二章第二章 坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统 2-1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系概述：1点的位置是用坐标来表示的，通过坐标系统得以实现。2目前有两种不同的坐标系统：地球坐标系和天球坐标系。3定义一个空间直角坐标系必须明确：原点位置；坐标轴方向；长度单位。一、一、天球坐标天球坐标系系 1.天球的基本概念：天球、天极、天球赤道、天球子午圈、时圈、黄道、黄赤交角、春分点、黄极、岁差与章动 2.天球坐标系的建立 1）天球空间直角坐标系 2）天球球面坐标系天球基本概念（天球基本概念（1）天球天球天球天球：我们：我们：我们：我们把以地球把以地球把以地球把以地球MM为中心，以为中心，

2、以为中心，以为中心，以无穷远的距无穷远的距无穷远的距无穷远的距离为半径所离为半径所离为半径所离为半径所形成的球称形成的球称形成的球称形成的球称作天球。作天球。作天球。作天球。天极天极天极天极：地球自地球自地球自地球自转的中心轴线转的中心轴线转的中心轴线转的中心轴线简称地轴，将简称地轴，将简称地轴，将简称地轴，将其延伸就是天其延伸就是天其延伸就是天其延伸就是天轴，天轴与天轴，天轴与天轴，天轴与天轴，天轴与天球的交点称为球的交点称为球的交点称为球的交点称为天极，天极，天极，天极，PnPn在北在北在北在北称作北天极，称作北天极，称作北天极，称作北天极，PSPS，在南称作，在南称作，在南称作，在南称作

3、南天极。南天极。南天极。南天极。天球赤道天球赤道天球赤道天球赤道：通过地球质心通过地球质心通过地球质心通过地球质心MM与地轴垂直与地轴垂直与地轴垂直与地轴垂直的平面称为天的平面称为天的平面称为天的平面称为天球赤道面，天球赤道面，天球赤道面，天球赤道面，天球赤道面与天球赤道面与天球赤道面与天球赤道面与天球相交的大圆球相交的大圆球相交的大圆球相交的大圆就称为天球赤就称为天球赤就称为天球赤就称为天球赤道。道。道。道。时圈时圈时圈时圈：包含：包含：包含：包含地轴的平面地轴的平面地轴的平面地轴的平面与天球相交与天球相交与天球相交与天球相交的大圆称为的大圆称为的大圆称为的大圆称为时圈。显然，时圈。显然，时

4、圈。显然，时圈。显然，时圈也是一时圈也是一时圈也是一时圈也是一个子午圈。个子午圈。个子午圈。个子午圈。黄道黄道黄道黄道：地球绕：地球绕：地球绕：地球绕太阳公转的轨太阳公转的轨太阳公转的轨太阳公转的轨道平面称为黄道平面称为黄道平面称为黄道平面称为黄道面，它与天道面，它与天道面，它与天道面，它与天球相交的大圆球相交的大圆球相交的大圆球相交的大圆称为黄道。它称为黄道。它称为黄道。它称为黄道。它就是当地球绕就是当地球绕就是当地球绕就是当地球绕太阳公转时，太阳公转时，太阳公转时，太阳公转时，观测者所看到观测者所看到观测者所看到观测者所看到的太阳在天球的太阳在天球的太阳在天球的太阳在天球上运动的轨迹。上运

5、动的轨迹。上运动的轨迹。上运动的轨迹。黄赤交角黄赤交角黄赤交角黄赤交角：天球赤道面天球赤道面天球赤道面天球赤道面与黄道面的与黄道面的与黄道面的与黄道面的交角交角交角交角约为约为约为约为23235 5，称，称，称，称为黄赤交角。为黄赤交角。为黄赤交角。为黄赤交角。天球基本概念（天球基本概念（2）天球基本概念（天球基本概念（3）春分点春分点春分点春分点：天：天：天：天球赤道与黄球赤道与黄球赤道与黄球赤道与黄道的交点称道的交点称道的交点称道的交点称为春分点。为春分点。为春分点。为春分点。黄极黄极黄极黄极：过天：过天：过天：过天球中心垂直球中心垂直球中心垂直球中心垂直于黄道面的于黄道面的于黄道面的于黄

6、道面的直线与天球直线与天球直线与天球直线与天球的交点称为的交点称为的交点称为的交点称为黄极，黄极，黄极，黄极，n n在北称为北在北称为北在北称为北在北称为北黄极，黄极，黄极，黄极，s s在南称为南在南称为南在南称为南在南称为南黄极。黄极。黄极。黄极。岁差与章动岁差与章动岁差与章动岁差与章动：在外在外在外在外力的作用下，地球的力的作用下，地球的力的作用下，地球的力的作用下，地球的自转轴在空间的指向自转轴在空间的指向自转轴在空间的指向自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，并不保持固定的方向，并不保持固定的方向，并不保持固定的方向，而是不断发生变化。而是不断发生变化。而是不断发生变化。而是不断发生变

7、化。其中地轴的长期运动其中地轴的长期运动其中地轴的长期运动其中地轴的长期运动称为岁差，而周期运称为岁差，而周期运称为岁差，而周期运称为岁差，而周期运动称为章动。岁差和动称为章动。岁差和动称为章动。岁差和动称为章动。岁差和章动引起天极和春分章动引起天极和春分章动引起天极和春分章动引起天极和春分点位置相对恒星的变点位置相对恒星的变点位置相对恒星的变点位置相对恒星的变化。化。化。化。天球基本概念（天球基本概念（4）天球子午圈天球子午圈：包含天轴的平面包含天轴的平面包含天轴的平面包含天轴的平面均称天球子午面，均称天球子午面，均称天球子午面，均称天球子午面，天球子午面与天天球子午面与天天球子午面与天天球

8、子午面与天球相交的大圆称球相交的大圆称球相交的大圆称球相交的大圆称为天球子午圈。为天球子午圈。为天球子午圈。为天球子午圈。天球球面坐标系与天球空间直角坐标系天球球面坐标系与天球空间直角坐标系1.1.天球空间直角坐标系：天球空间直角坐标系：原点位于地球质心原点位于地球质心M M，Z Z轴轴指向天球北极指向天球北极PnPn，X X轴指轴指向春分点向春分点 ，Y Y轴与轴与Z Z、X X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。2.2.天球球面坐标系：原点天球球面坐标系：原点位于地球质心位于地球质心M M，赤经，赤经 为过春分点的天球子午面为过春分点的天球子午面之间的夹角，赤纬为原点之间的夹角，赤纬为原点

9、M M和天体和天体S S的连线与天球赤的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长道面之间的夹角，向径长度度r r为原点为原点M M至天体至天体S S之间之间的距离。的距离。GPS坐标系统构成坐标系统构成G GP PS S坐坐标标系系地球坐标系地球坐标系天球坐标系天球坐标系参心坐标系参心坐标系地心坐标系地心坐标系天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系天球球面坐标系二、地球坐标系1 1参心坐标系参心坐标系 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

10、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，简简称称定定向向；(4)(4)确确定大地原点。定大地原点。我国几种常用参心坐标系：我国几种常用参心坐标系：BJZ54、GDZ80 2 2地心坐标系地心坐标系 地地心心坐坐标标系系分分为为地地心心空空间间大大地地直直角角坐坐标标系系和和地地心心大大地地坐坐标标系系等等。地地心心空空间间大大地地直直角角坐坐标标系系又又可可分分为为地地心心空空间间大大地地平平面面直直角角坐坐标标系系和和空空间大地舜时直角坐标系。间大地舜时直角坐标系。1 1）建立地心坐标系的意义：）建立地心坐标系的

11、意义：2 2）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大地测量的方法。间大地测量的方法。3 3）地心坐标系的表述形式）地心坐标系的表述形式 地心坐标系的表述形式地心坐标系的表述形式地心直角坐标系的定义地心直角坐标系的定义：原点：原点O与地球质心重合；与地球质心重合；Z轴指向国际协议原点轴指向国际协议原点CIO，X轴指向轴指向1968BIH定义定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道的赤道交点交点E，Y轴垂直于轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系，点平面构成右手坐标系，点的坐标分别用的坐标分别用XD、YD、ZD表示。表示。地心

12、大地坐标系的定义地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球质地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度地经度L为过地面点的椭球子午面与为过地面点的椭球子午面与BIH定义的起始定义的起始大地子午面之间的夹角，大地高大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。面法线至椭球面的距离。2-2 WGS84WGS84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系1 1、WGS一一84大地坐标系大地坐标系 WGS-8

13、4坐标系统的全称是坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系（世界大地坐标系-84），），它是一个地心地固坐标系统。它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系坐标系统由美国国防部制图局建立，于统由美国国防部制图局建立，于1987年取代年取代了当时了当时GPS所采用的坐标系统所采用的坐标系统WGS-72坐标坐标系统而成为系统而成为GPS的所使用的坐标系统。的所使用的坐标系统。WGS84WGS84坐标系坐标系 WGS一一84坐标系的几何定义是：坐标坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，系的原点是地球的质心，Z轴指向轴指向BIHl9840定义的协议地球

14、极定义的协议地球极(CTP)方向，方向，X轴指向轴指向BIHl9840的零度子午面和的零度子午面和CTP赤道的交点，赤道的交点，y轴和轴和Z Z、X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。如图如图所示。所示。WGS84WGS84坐标图坐标图2、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1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000 简称简称CGCS2000）中国自中国自2008年年7月月1日起启用日起启用2000国家大地国家大地坐标系。坐标系。CGCS2000定义：是右手

15、地固直角坐定义：是右手地固直角坐标系。原点在地心，标系。原点在地心，Z轴为国际地球旋转局轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（）参考极（IRP）方向，）方向，X轴为轴为IERS的参的参考子午面（考子午面（IRM）与垂直于）与垂直于Z轴的赤道面的交线，轴的赤道面的交线，Y轴轴Z轴和轴和X轴构成右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。3、地方独立坐标系、地方独立坐标系4、ITRF坐标框架坐标框架5、PZ90坐标系坐标系 GLONASS卫星导航系统采用卫星导航系统采用PZ-90坐标系。坐标系。PZ-90(俄语：俄语：Parametry Zelmy，翻译成英语为：，翻译成英语为：Parameteroft

16、heEarth)坐标系是俄罗斯进行地面坐标系是俄罗斯进行地面网与空间网联合攻关平差后建立的。有时也称为网与空间网联合攻关平差后建立的。有时也称为PE-90。PZ-90PZ-90坐标系定义坐标系定义 坐标原点位于地球质心；坐标原点位于地球质心；Z轴指向轴指向IERS推荐的协议地极原点推荐的协议地极原点(ConventionalTerrestrialPole)，即，即19001905年的平均年的平均北极，北极，X轴指向地球赤道与轴指向地球赤道与BIH定义的零子定义的零子午线的交点，午线的交点，y轴满足右手坐标系。由该定轴满足右手坐标系。由该定义知，义知，PZ-90与国际地球参考框架与国际地球参考框

17、架ITRF是是一致的。一致的。虽然虽然WGS-84与与PZ-90的定义基本一致，的定义基本一致，但由于存在测轨跟踪站站址坐标误差和测量但由于存在测轨跟踪站站址坐标误差和测量误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存在一定的差距。实际上，在一定的差距。实际上，PZ-90、WGS-84或或ITRF两两之间都有差异。两两之间都有差异。PZ-90与与WGS-84在地球表面的坐标差异可达在地球表面的坐标差异可达20 m，而，而WGS-84与与ITRF差异很小，在差异很小，在10cm以内。以内。可以认为是等同的。可以认为是等同的。小小 测测 验验1下列坐标系统哪些使用的是

18、地心坐标系（下列坐标系统哪些使用的是地心坐标系（）。）。A A、GDZ/80 BGDZ/80 B、BJZ54 CBJZ54 C、WGS-84 DWGS-84 D、BJZ54BJZ54（原）（原）2-3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换概述：概述：1坐标转换的几种形式：坐标转换的几种形式：空空间间直直角角坐坐标标系系之之间间的的转转换换；大大地地坐坐标标系系之之间间的的转转换换；空空间间直直角角坐坐标标系系与与大大地地坐标系之间的转换。坐标系之间的转换。2 研究坐标转换模型的作用研究坐标转换模型的作用 1）合理确定两种坐标系的转换参数，）合理确定两种坐标系的转换参数，实现两种坐标系的转换；实

19、现两种坐标系的转换；2）利用卫星测量建立地面控制网；）利用卫星测量建立地面控制网；3）利用卫星测量成果加强和改善地面）利用卫星测量成果加强和改善地面控制网；控制网；4）利用卫星测量分析和研究地面网的）利用卫星测量分析和研究地面网的系统误差。系统误差。3 为什么要进行转换为什么要进行转换 实现坐标系统的统一。实现坐标系统的统一。4几种不同的坐标系统转换模型几种不同的坐标系统转换模型 布尔沙（布尔沙（Bursa）模型）模型 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型 武测模型（范士公式）武测模型（范士公式）一、不同空间直角坐标系的转换一、不同空间直角坐标系的转换 七参数：原点要实施三个平移参数，三个坐标七参数：

20、原点要实施三个平移参数，三个坐标轴旋转参数，一个尺度变换参数，共七个参数。轴旋转参数，一个尺度变换参数，共七个参数。（一）布尔沙（一）布尔沙（BursaBursa）模型）模型前提条件：前提条件：设有两个空间直角坐标系，设有两个空间直角坐标系，O1-x1y1z1和和O2-x2y2z2，这两个坐标系的原点，这两个坐标系的原点O1和和O2 不重合，不重合，且坐标轴也互不平行，对应的坐标之间存在着且坐标轴也互不平行，对应的坐标之间存在着3个旋转角（欧拉角），两坐标系的尺度也不一个旋转角（欧拉角），两坐标系的尺度也不一致，设致，设O1-x1y1z1的尺度为的尺度为1，而设而设O2-x2y2z2的尺度为的

21、尺度为 B=1+B，尺度变化，尺度变化B和两坐标系间的欧拉角为和两坐标系间的欧拉角为再加上再加上O1在在O2-x2y2z2中的坐标为中的坐标为两坐标系之间的转换参数，其中两坐标系之间的转换参数，其中 为平移参数，为平移参数，为旋转参数，为旋转参数，B为尺度参数。为尺度参数。根据布尔沙（根据布尔沙（Bursa）模型）模型其中：其中：布尔沙模型：布尔沙模型：式中：式中：（二）莫洛金斯基模型（二）莫洛金斯基模型式中：式中：（三）武测模型（三）武测模型三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，三种转换参数的尺度参数和旋转参数相同，而平移参数具有下列关系：而平移参数具有下列关系：2-42-4时间系统时间系统

22、 时间是量度事物发展过程久暂的标准，是物质时间是量度事物发展过程久暂的标准，是物质存在和运动的客观形式。任何事物的发生、发展存在和运动的客观形式。任何事物的发生、发展和结束及物质的运动，除了用空间形式描述外，和结束及物质的运动，除了用空间形式描述外，还需用时间形式来描述，定位用卫星的在轨运动还需用时间形式来描述，定位用卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间，同样在量经纬度和方位角要用到时间，同样在GPS导航导航和定位中也要用到

23、时间。和定位中也要用到时间。时间分时间分恒星时和太阳时恒星时和太阳时两大时间系统。利用春两大时间系统。利用春分点的分点的周时视周时视运动周期来量度地球自转周期而建运动周期来量度地球自转周期而建立的，以恒星日为时间单位的时间系统称为立的，以恒星日为时间单位的时间系统称为恒星恒星时系统时系统；以太阳的；以太阳的周日视周日视运动周期来量度地球自运动周期来量度地球自转周期而建立的，以太阳日为单位的时间系统为转周期而建立的，以太阳日为单位的时间系统为太阳时系统太阳时系统。太阳时又分为。太阳时又分为真太阳时真太阳时和和平太阳时平太阳时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来两种。平太阳时是以平太阳的周日

24、视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平年、闰年、大月、小月之分，但在常的计时有平年、闰年、大月、小月之分，但在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，为了使用方便不以年、月来计算，而用日来计算，这种计算方法称为这种计算方法称为儒略日儒略日(JD)记日法记日法。儒略日是。儒略日是从公元前从公元前4713年年1月月1日格林尼治平午正开始，连日格林尼治平午正开始

25、，连续以日累计，需用时可从续以日累计，需用时可从中国天文年历中国天文年历的的“儒略日儒略日”附表中查取。附表中查取。原子时原子时(TAI)(TAI)1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时原子时。原子时秒比由地球运转所确定的秒长稳定，且精度达到10-13S。（原子时的秒长被定原子时的秒长被定义为铯原子义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡射振荡9192631170周所持续的时间。原子时的起周所持续

26、的时间。原子时的起点，按国际协定取为点，按国际协定取为1958年年1月月1日日0时时0秒秒（UT2）计量原子时的时钟称为原子钟，常用的计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟三种，国有铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟三种，国际上是以铯原子钟为基准的。原子钟的计时际上是以铯原子钟为基准的。原子钟的计时精度满足了一些高精度时间部门的需要，特精度满足了一些高精度时间部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上现在都配置了原子钟。卫星上现在都配置了原子钟。GPS时间系统简称为时间系统简称为GPS时，是以原子频率时，是以原子频率标

27、准为基准，由主控站按照美国海军天文台标准为基准，由主控站按照美国海军天文台(USNO)的协调时的协调时UTC进行调整的，在进行调整的，在1980年年1月月6日零时，使两个时系对齐。启动后不跳秒，保持日零时，使两个时系对齐。启动后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，时间的连续。以后随着时间的积累，GPSGPS时与时与UTCUTC时的整秒差及秒以下的差异通过时间服务部门定时的整秒差及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。期公布。GPSGPS时时北斗时北斗时（BDT）北斗卫星导航系统时间基准采用北斗时（北斗卫星导航系统时间基准采用北斗时（BDT），），秒长取为国际单位制秒长取为国际单位制SI

28、秒，起算历元为秒，起算历元为2006年年1月月1日日0时时0分分0秒协调世界时（秒协调世界时（UTC）。）。BDT是连续时间，是连续时间，溯源到中国科学院国家授时中心（溯源到中国科学院国家授时中心（NTSC)保持的保持的UTC时间，简称时间，简称UTC（NTSC），与），与UTC之间的闰秒信息之间的闰秒信息在导航电文中播报。在导航电文中播报。BDT与与UTC的偏差保持在的偏差保持在100纳纳秒以内。北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国秒以内。北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国2000大地坐标系统（大地坐标系统（CGCS2000）。）。作作 业业 1写出写出Bursa模型的转换公式。模型的转换公式。2 2美国政府对美国政府对GPSGPS用户采取了哪些限制性用户采取了哪些限制性政策？这些非特许用户针对美国的加密政策政策？这些非特许用户针对美国的加密政策采取了哪些对策？采取了哪些对策？3 3、什么是北斗时？、什么是北斗时？