GPS第二章22.ppt

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1、站心坐标系,原点位于观测点T0 U轴与T0点的椭球法线相重合；N轴垂直于U轴，指向参考椭球的短半轴，E轴垂直于UT0N平面，构成左手坐标系；在站心直角坐标系下的点U，E，N坐标为该点在三个坐标轴上的投影长度。,图2.7,站心坐标系与参心空间直角坐标系的关系,站心极坐标系与站心空间直角坐标系之间的关系,R站心极坐标系下原点到该点的距离 A观测目标的方位角 观测目标的垂直角,地心空间直角坐标系与站心坐标系关系,思考题： 1、天文坐标系是如何定义的？ 2、大地坐标系和天文坐标系的差异有哪些？ 3、解释卯酉圈、垂线偏差、大地水准面差距,2.2.4高斯投影与UTM投影平面直角坐标系,所谓投影，简单地说就

2、是两个面之间，点与点的对应。将椭球面上的点的大地坐标按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面坐标，称为地图投影。,投影方式按照投影变形来分类：,等角投影,等积投影,任意投影,等角投影又称正形投影或相似投影。由于该投影在投影后得到的图形与投影前椭球面上的原形保持相似，因而被广泛采用。高斯克吕格投影属于等角投影。,高斯投影,高斯投影后效果,(1)投影以后角度无变形。 (2)投影以后中央子午线为一条直线，其长度无变形。其余子午线投影后均凹向中央于午线，其长度有变形。 (3)投影以后赤道也为一条直线，但长度有变形。其余纬线投影后均凹向两极，其长度有变形。,高斯坐标系,投影后的中央子午线和赤道为一条

3、直线，如果以中央子午线和赤道分别为X轴、Y轴，以两者的交点O为坐标原点，这就构成了高斯-克吕格平面直角坐标系。,椭球 高斯平面,中央子午线是投影后唯一没有长度变形的曲线，其它的曲线均有长度变形。且离中央子午线越远，变形愈大。为了控制投影后的长度变形，按一定经差将地球如切西瓜般分成若干投影带，然后逐带进行投影，这就是分带投影。,如何解决变形问题,分 带 投 影,高斯投影,UTM投影,UTM投影,UTM投影：通用横轴墨卡托投影公式（UTM投影）与高斯投影相比较，存在着很少差别，从几何意义看，UTM投影属于横轴等角割圆柱投影，圆柱割地球于两条等高圈（对球而言）上投影后两条割线上无变形，中央经线上长度

4、比小于1（假定=0.9996）UTM投影可参照高斯投影得：,兰勃脱投影,WGS-84坐标系,2.3 GPS坐标系,国际地球参考框架(ITRF),北京54旧坐标系,北京54新坐标系,WGS-84坐标系,WGS-84的定义：(World Geodetic System)WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向国际时间局BIH1984年0时定义的协定地球极CTP （Conventional terrestrial Pole）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。,一、WGS-84坐标系,WGS-84世界大地坐标系,参考椭

5、球面为基准面 原点：质心 Z 轴指向BIH 1984.0 定义的协议地球极方向 X 轴指向BIH 1984.0 的启始子午面和赤道的交点 Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。,WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数：,长半径： a=63781372（m）； 地球引力常数： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正常化二阶带谐系数： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8,地球自转角速度： =729211510-11rads-10.15010

6、-11rads-1,二、国际地球参考架 （ITRF）,国际地球参考框架ITRF(international terrestrial reference frame)： 由IERS (International Earth Rotation Service)制定的地心参考框架。由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务的地面参考框架。,ITRF是地固坐标系，其原点在地球体系的质心，参考椭球是WGS-84椭球。,WGS84与ITRF的关系 WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同,WGS84与ITRF的转换关系,三、1954年北京坐标系

7、,BJ54坐标系与普尔科沃坐标系关系： 相同点：椭球参数和大地原点一致 差异：大地点高程、高程异常 平差方法：分区分期局部平差。,1954年北京坐标系（BJ54旧） 参心坐标系 坐标原点：1942年前苏联的普尔科沃 参考椭球：克拉索夫斯基椭球,（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西 向东明显的系统性倾斜。,（4）定向不明确。,（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考 面不统一。,存在的问题：,（1）椭球参数有较大误差。,坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球，参心坐标系。,四、1980年国家大地坐标系（GDZ80）,平差方法：天文大地网整体平差。,高程系统：1956

8、年青岛验潮站求出的黄海平均海水面,（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基 础上建立起来的。,（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密 合，是多点定位。,（4）定向明确。,（5）大地原点地处我国中部。,（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。,特点： （1）采用1975年国际椭球。,新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国 家大地坐标（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。,五、新1954年北京坐标系（BJ54新）,参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。,BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ

9、54旧 建立起来的参心坐标系。,六、地方独立坐标系,建立地方独立坐标系的主要元素,坐标 系的 中央 子午 线,起算 点 坐标,坐标 方位 角,投影 面 正常 高,测区 平均 高程 异常,局部 参考 椭球 体,不同坐标系的转换,三维坐标系的转换模型 布尔沙模型 莫洛金斯基模型 武测模型 三维坐标差的转换模型 二维坐标转换模型,2.4 时间系统,沙瓶 - Sandglass,时间系统的分类,恒星时,原子时,GPS时,世界时,恒星时,参考点：春分点 定义：春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日，为24个恒星小时。春分点的周日视运动引起的，并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位。 属于地方时

10、。,恒星时是以地球的周期性白转运动为基准的时间系统。天体的周日视运动是地球自转运动的反映。如果以一个天体或者天球上某个特殊点作为参考点，观察参考点连续两次经过测站点子午圈的时间段，即为地球的一个自转周期。选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统，称作恒星时，简称恒时。,说明：需要指出的是，瞬时春分点受岁差的影响，每年西移，所以真恒星时并不严格等于地球自转周期，而是约短0.008s左右。,格林尼治恒星时,如图所示，在瞬时天球坐标系中，x轨始终指向瞬时春分点r，而瞬时地球 坐标系的x轴则指向格林尼治平均天文台定义的经度原点E这样，如果以零度经 线作为测站点子午圈，其恒星时

11、正好等于两个坐标系x轴的夹角，这个时间(夹角)叫做瞬时春分点的格林尼治恒星时，也叫格林尼治视恒星时。,太阳时,参考点：太阳 定义：太阳中心连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一太阳日，太阳的视运动。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。,太阳时有真太阳时与平太阳时之分，真太阳日与平太阳日 真太阳时-地球相对于太阳自转一周的时间。,平太阳 假想太阳运动角速度恒定，且等于真太阳的平均角速度。 一个平太阳日分为24个平太阳时（我们日常的几十单位） 恒星时与平太阳时之间的关系,定义：格林威治零子午线处的民用时（平太阳时）再加上12平太阳时（化为以子夜起算），称为世界时。,世界时,原子时

12、秒长定义 位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒，是国际制秒的时间单位。,原子时,特点：高精度，用于精密测定卫星信号的传播时间,原子钟,国际原子时： 100座原子钟， 数据处理推算 出统一原子时 系统,协调世界时（Universal Time Coordinated UTC） 与AT秒长相同 通过跳（闰）秒（Leap Seconds），与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒） 正闰秒（增加1秒）与负闰秒（去掉1秒）,国际原子时（International Atom

13、ic Time IAT） 1977年建立 通过100台原子钟比对求得,历事（书）时 历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的时间系统，其规定1900年1月1日12h的回归年长度的1/31556925.9747为1历书秒。在该瞬间，历书时与世界时在数值上相同，其后关系如下,GPS时（GPS Time GPST） 原子时的秒长为基准，起算点定义在1980年1月6日UTC 0时。 IAT GPST = 19s GPS时与协调世界时的关系：,GPS时,调整参数,GPS时间系统：GPST 由GPS主控站，美国海军天文台的原子钟控制。,思考与讨论,1、简述时间类型?,2、区别协议天球坐标系和地球坐标系统?

14、,3、WGS-84大地坐标系的定义。 4、说明我国常用的国家大地坐标系。 5、区分高斯投影和UTM投影，解释高斯投影分带。,坐标系转换算法,坐标系转换算法,绕三轴旋转的转换算法,坐标系转换算法,坐标系转换算法,平移+旋转的转换算法,协议天球到瞬时平天球坐标系的转换,岁差转动(x,y,z)CTS (x,y,z)MT,瞬时平天球到瞬时天球坐标系的转换,章动转动(x,y,z)MT (x,y,z)T,协议天球到瞬时天球坐标系的转换,岁差+章动转动(x,y,z)CTS (x,y,z)T,极移的影响,地球自转轴的实际请况,岁差和章动：地球之外 极移：地球内部 地球内部的不均匀 0.1/1年、0.2/432天 地球瞬时坐标系 协议地球坐标系,瞬时地球到协议地球坐标系的转换,地极移动的轨迹,1.中央经线和赤道投影后为互相垂直的直线，且为投影的对 称轴；2.投影具有等角性质；3. 中央经线投影后保持长度不 变。 根据第一个条件，中央经线投影后保持长度不变，并作为其它 经线的对称轴即满足f1是的偶函数，f2是的奇函数，若将投影函数展成幂级数，根据前面条件可写为：,高斯投影的基本公式,由第二个条件应满足等角条件， 逐一推导各系数的值。则：,高斯投影的基本公式,由第三个条件，中央经线长度比为1，当=0时，x=s, a0=x=s,s是赤道到纬度的经线弧长。由上式可分别求得各 系数。,高斯投影的一般公式,