《坐标系统》PPT课件

,*,GPS,测量原理及应用,中国矿业大学,坐标系统及时间系统,2.1,坐标系统,2.2,天球坐标系与地球坐标系,2.3,WGS84,坐标系与我国国家大地坐标系,2.4,坐标系统之间的转换,2.5,时间基准,1,2.1,坐标系统,(coordinate system),2-D,坐标系统用一个横轴,abscissa(x),与纵轴,ordinate(y),坐标描述点的坐标,2,3D,坐标同时引入一个高度坐标轴,2.1,坐标系统,(coordinate system),3,坐标系统可以分为局部与全球坐标系统,2.1,坐标系统,(coordinate system),4,全球坐标系统可称为地理坐标,:Geographical coordinate systems.(spherical),or,大地坐标,:Geodetic(ellipsoidal)coordinate systems.,2.1,坐标系统,(coordinate system),5,2.2,天球坐标系与地球坐标系,(Space-fixed and Earth-fixed),天球坐标系,：（,r),(XYZ,）,坐标原点,-,地心,O,Z,轴与地球自转轴重合，,X,轴指向春分点,，,Y,轴为右手系。（固定）,地球坐标系,：（,LBH),(XYZ,）,坐标原点,-,地心,O,，,Z,轴与地球自转轴重合，,X,轴指向过格林尼治子午面与赤道面交点，,Y,轴为右手系。（随地球转动）,赤道,G,Z,Xc,Xe,Yc,Ye,o,p,L,B,r,6,2.2.1,天球坐标换算关系（直角坐标与等效的球面坐标系之间）,X=rcos cos,r=,(X,2,+Y,2,+Z,2,),1/2,Y=rsincos,=,arc tan(Y/X),Z=rsin,=,arc tan(Z/(X,2,+Y,2,),1/2,),7,2.2.2,大地坐标与三维直角坐标,8,大地坐标与空间直角坐标关系：,X=(N+H)cosBcosL,Y=(N+H)cosBsinL,Z=(N(1,e,2,)+H)sinB,L,=,arctan(Y/X),B=arctanZ(N+H)/(X,2,+Y,2,),1/2,(N(1-e,2,)+H),H=Z/sinB,N(1,e,2,),式中，,N=a/(1-e,2,sin,2,B),1/2,，,N,为该点的卯酉圈曲率半径，,e,2,=(a,2,-b,2,)/a,2,，,e,为椭球第一偏心率。,9,站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系,(,描述卫星与观测站间的瞬时距离、方位角、高度角及卫星分布,),球心空间直角坐标系,O,XYZ,站心赤道直角坐标系,P,1,XYZ,站心地平直角坐标系,P,1,xyz,(,左手,),站心地平极坐标系,P,1,rAh,(,等价于,P,1,xyz,),：,P,1,原点,其中,r,為,P,1,到卫星,s,距离,A,為方位角,(zp,1,x,平面与,zp,1,s,平面夹角,),h,高度角,(P,1,s,与,xP,1,y,平面夹角,),P,1,xyz(,旋转变换,),=,P,1,XYZ,10,以,P1,为站心,P2,点的地平坐标计算：,已知,P1,、,P2,两点的（,B,，,L,，,H,），先计算两点的（,X,，,Y,，,Z,）。按下式计算,P2,点的地平坐标（,x,，,y,，,z,）：,例：已知,P1,（,34,，,117,，,30m,），,P2,（,45,，,45,，,2,万,km,）。,计算结果,（,12239954.188,-17746454.466,8826361.581,）与（,r=23295016m,A=3043540.3,h=221554.9,）,11,2.2.4,卫星测量常用坐标系：瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系,由于地球自转轴的进动,坐标轴不断变化,.,故引入,瞬时极天球坐标系,(,真天球坐标系,),原点取地球质心,Z,轴指向瞬时地球自转方向,(,真天极,),X,轴指向瞬时春分点,(,真春分点,),按右手坐标系取向定,Y,轴,.,瞬时极地球坐标系,原点取地球质心,Z,轴指向瞬时地球自转方向,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面的交点,Y,轴取向按右手坐标系,.,12,平天球坐标系,(,历元平天球坐标系,),三轴指向不变的坐标系,选择某一个时刻,(,即,时刻起始点,),，以此瞬时地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作,X,轴和,Z,轴指向,Y,轴取向按右手坐标系,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,”,.,例如历元,2000,年,1,月,1.5,日真天球,Z,轴指向,.,平地球坐标系,定义平地球坐标系的,Z,轴指向,CIO,CIO(,国际协定原点,)1900,年国际大地测量与地球物理联合会以,1900.00,至,1905.05,年地球自转轴瞬时位置的平均,(,位置,),作地球的,固定极,.,13,瞬时天球坐标与瞬时地球坐标的关系,天球坐标与地球坐标,Z,轴重合，,X,轴间的夹角为,（即格林尼治恒星时角）。,天球坐标与地球坐标系的转换：,XYZ,地,=R,Z,（,）,XYZ,天，,|COS,SIN,0|,R,Z,（,）,=|-,SIN,COS,0|,|,0 0 1|,详见书上第,14,页公式（,2-10,）。,X,天,X,地,Z,天,地,O,G,Y,天,Y,地,14,瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系,日月岁差,地球受日月引力，自转轴产生长周期（,25800,年）变化，使春分点产生每年西移约,50.2,称为日月岁差。,章动,地球自转轴短周期（,18.6,年）变化（最大约,9,）为章动。,瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的转换可以通过岁差与章动两次旋转实现。见公式（,2-11,）、（,2-12,）,公式（,2-11,）：,观测瞬间平天球坐标,M,（,t,）,=,岁差旋转因子,历元平天球坐标,M,（,t0,）,公式（,2-12,）：,观测瞬时极天球坐标,C,（,t,）,=,章动旋转因子,瞬时平天球坐标,M,（,t,）,岁差与章动旋转参数可在天文年历中查取。,15,岁差参数（,ZA,，,A,，,A,）与章动参数（,，,，,）计算公式,计算公式：,16,瞬时极地球坐标系与平地球坐标系,极移,地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，产生地极移动。,瞬时极地球坐标系,是依瞬时地球自转轴定向的。,平地球坐标系,是以某一瞬间地球自转轴方向定义的。,瞬时极地球坐标系与平地球坐标系之间的关系通过极移转换公式（,2-13,）实现。,平地球坐标（,em,）,=,极移旋转（,XpYp,）,瞬时极地球坐标（,et,）,Xp,、,Yp,：以平地极为原点，瞬时极对应平地极的坐标,xp,轴指向格治平子午圈经度为,0,的方向，,yp,轴指向经度为,270,方向。,极移参数见国际时间局出版的“时间公报”。,17,平地球坐标系与瞬时地球坐标系转换公式,P,CIO,y,x,xp,yp,CIO,为国际协定原点，,em,为平地球坐标系，,et,为瞬时地球坐标系。,xp,、,yp,为以角度表示的极移值。,18,协定坐标系,坐标系定义,:,理论定义,选定尺度单位,原点,取向,协定定义,实际应用中，已知若干个测站点的坐标值通过观测又可反过来定义该坐标系,(,协定定义,).,如点位误差不存在,则两者一致,;,多数情况下不同,因为测量误差始终存在,.,凡依据这些已知点位测定的其他点位的坐标值均属于这一,协定坐标系,而不属理论定义坐标系,.,GPS,所采用的坐标系统是测轨跟踪站及其坐标值所定义的协定坐标系,，但与理论定义偏差不大,.,卫星位置采用,WGS-84,大地坐标系,.,19,天球坐标、地球坐标、地平坐标之间的关系,理论定义：,一。天球坐标：,1,。球面坐标（,r,）；,2,。直角坐标（,XYZ,）,c,。二者之间转换属于内部关系。,二。地球坐标：,1,。大地坐标（,BLH,）；,2,。直角坐标（,XYZ,）,e,。二者之间转换属于内部关系。,三。地平坐标：,1,。站赤坐标（,XYZ,）；,2,。地平直角坐标（,xyz,）；,3,。地平极坐标（,rAh,）。后二者之间转换属于内部关系。,某点的地平坐标通过站赤坐标可以转换为地球坐标。这便是对卫星的观测地平坐标转换为地球坐标的应用。,20,天球坐标、地球坐标、地平坐标之间的关系,实际应用中，用天球坐标表示卫星坐标比较方便。但地面点的坐标通常是地球坐标。,一。天球坐标：,1,。瞬时极坐标（,XYZ,）,c,；,2,。固定或平极坐标（,XYZ,）,M,。二者之间通过岁差、章动转换。,二。地球坐标：,1,。瞬时极地球坐标（,xyz,）,e,；,2,。固定极地球坐标（,xyz,）,m,。二者之间通过极移转换。,三。天球坐标与地球坐标之间的转换：,某点的瞬时极天球坐标通过观测瞬间的格治恒星时角旋转参数,RZ,（,G,）转换为瞬时极地球坐标，再转换为平地球坐标或协定地球坐标。,21,2.3 WGS,84,坐标系,与,我国国家大地坐标系,GPS,卫星星历是以,WGS84,坐标为根据而建立的,.,WGS84,大地坐标系,(,美国防部制图局,DMA,建立公布的,),a.,几何定义,:,原点,地球质心,Z,轴指向,BIH1984.0,定义的协议地球极,(CTP),方向,X,轴指向,BIH 1984.0,的零子午面与,CTP,赤道的交点,Y,轴,依右手坐标取向,.,对应,WGS84,椭球,.,WGS84,椭球,:,定位在地心的旋转等位椭球 中心和坐标轴指向与,WGS-84,三维直角坐标系相一致,b.,四个基本参数,:,长半轴,a=6378137m,，,(f=1/298.257223563),地心引力常数,GM,正常的二阶带谐系数,C2.0,地球自转角速度,*,BIH,国际时间局,Bureau International de IHeure,22,2.,我国国家大地坐标系,a.,1954,北京坐标系,(BJZ54):,a=6378245m,，,f=1/298.3,b.,1980,国家大地坐标系,(GDZ80),Z,轴指向：,1968.0,地极原点,(JYD),X,轴指向：起始子午面内与,Z,轴垂直,.,大地原点,设于陕西泾阳永乐镇,椭球参数,(1975,推荐值,):a=6378140m,，,f=1/298.257,（,高程标准,：,1956,年黄海平均海水面，,1985,国家高程基准 （,+29mm,，,1987,公布）,c.,1954,新北京坐标系,(,XBJZ54,),*,参考,有关内容。,23,中华大地原点,24,中华,大地原点,亦称“,大地基准点,”，即国家水平控制网中推算大地座标的,起点,。中华神州的地理中心,大地原点究竟在那里？经过国家有关部门对郑州、西安、武汉、兰州等地的地形、地质、天文、重力等因素的实地考察和综合分析后，正式确定在西安市北,24,多公里的,泾阳县永乐镇石际寺村,建立了大地原点。,中华大地原点由,中收标志、仪器台、主体建筑,组成。主体建筑,7,层、高,25,米。顶部观察室为玻璃制成的半圆形层顶，可用电控翻开以便观察天体。中心标志埋设在地下室中央。还增设并施测了国家基本重力点和天文基本点,。,25,地方独立坐标系,地方坐标系参考椭球,:,一般选择当地平均海拔高对应的参考椭球。椭球中心、轴向、和扁率与国家参考椭球相同，长半径不同。,dN=h+,，,dN/N=da/a,，,al=a+da,，,l=,N,为对应椭球面的,卯酉圈曲率半径,h,为地面正常高,h,dN,地面,椭球面,似大地水准面,26,IERS,、,ITRS,与,ITRF,坐标框架,IERS-,指国际地球自转服务机构。,ITRS,-,指国际地球参考系统。,IERS,每年将全球各站观测数据综合处理，得出一种协议地球参考系统,ITRS,。,ITRF,-,指构成,ITRS,的地面控制点网，即有“框架”之意。,IGS,-,国际,GPS,地球动力学服务。几乎所有的,IGS,精密星历都是在,ITRF,框架下提供的