1、第四章 大地坐標系建立及坐標換算基礎 18 橢球定位和定向概念 橢球定位是指確定橢球中心位置，可分為兩類：局部定位和地心定位。局部定位要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準面有最正確符合，而對橢球中心位置無特殊要求；地心定位要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準面有最正確符合，同時要求橢球中心與地球質(zhì)心一致或最為靠近。 第1頁第2頁19 坐標系統(tǒng)類型 以參考橢球為基準坐標系，叫做參心坐標系；以總地球橢球為基準坐標系，叫做地心坐標系。與地球體固連在一起且與地球同時運動，以地心為原點坐標系則稱為地心地固坐標系另一類是空間固定坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，稱為慣性坐標系或天球坐標系，主要用于描述衛(wèi)星和地球運行位置和狀

2、態(tài)。第3頁第4頁20 地球參心坐標系第5頁第6頁第7頁第8頁第9頁第10頁第11頁20.2 大地原點和大地起算數(shù)據(jù)大地原點也叫大地基準點或大地起算點，參考橢球參數(shù)和大地原點上起算數(shù)據(jù)確實立作為一個參心大地坐標系建成標志 第12頁20.3 1954年北京坐標系 1954年北京坐標系能夠認為是前蘇聯(lián)1942年坐標系延伸。它原點不在北京，而在前蘇聯(lián)普爾科沃。對應橢球為克拉索夫斯基橢球。 橢球參數(shù)有較大誤差。 參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東顯著系統(tǒng)性傾斜，在東部地域大地水準面差距最大達+68m。 第13頁54年北京坐標系大地水準面 第14頁第15頁20.4 1980年國家大地坐標系 1980

3、年國家大地坐標系特點是： 采取1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會 (IUGG) 第16屆大會上推薦4個橢球基本參數(shù).地球橢球長半徑 a=6 378 140 m ，地心引力常數(shù) GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2 =1.082 6310-8,地球自轉(zhuǎn)角速度 =7.292 11510-5 rad/s 。第16頁第17頁八年坐標系大地水準面第18頁該坐標系建立后，實施了全國天文大地網(wǎng)平差。平差后提供大地點結(jié)果屬于1980年西安坐標系，它和原1954年北京坐標系結(jié)果是不一樣。這個差異除了因為它們各屬不一樣橢球與不一樣橢球定位、定向外，還因為前者是經(jīng)過整體平差，

4、而后者只是作了局部平差。不一樣坐標系統(tǒng)控制點坐標能夠經(jīng)過一定數(shù)學模型，在一定精度范圍內(nèi)進行相互轉(zhuǎn)換，使用時必須注意所用結(jié)果對應坐標系統(tǒng)。 第19頁20.5 新1954年北京坐標系(BJ54新) 新1954年北京坐標系，是在GDZ80基礎上，改變GDZ80相對應IUGG1975橢球幾何參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將坐標原點(橢球中心)平移，使坐標軸保持平行而建立起來。第20頁第21頁第22頁第23頁第24頁第25頁地心地固大地坐標系定義是：地球橢球中心與地球質(zhì)心重合，橢球面與大地水準面在全球范圍內(nèi)最正確符合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合(過地球質(zhì)心并指向北極) 第26頁地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體位置并不

5、是固定，地極點在地球表面上位置是隨時間而改變，這種現(xiàn)象稱為地極移動，簡稱極移。某一觀察瞬間地球北極所在位置稱為瞬時極，某段時間內(nèi)地極平均位置稱為平極。 21.1 極移與國際協(xié)議原點 第27頁國際天文聯(lián)合會(IAU)和國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)在1967年于意大利共同召開第32次討論會上，提議采取國際上5個緯度服務(ILS)站以190019平均緯度所確定平極作為基準點，通常稱為國際協(xié)議原點CIO，它相對于190019平均歷元1903.0。另外國際極移服務(IPMS)和國際時間局(BIH)等機構(gòu)分別用不一樣方法得到地極原點，與CIO對應地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。 第28頁極

6、移因為地球內(nèi)部物質(zhì)運動以及地球與其它天體相互作用都真實存在，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部也在不停運動，所以地球極點在地表位置隨時間而改變，這種現(xiàn)象稱為極移（Polar Displacement）。 第29頁第30頁19001998年極移 第31頁以協(xié)議地極CIP(Conventional Terrestrial Pole)為指向點地球坐標系稱為協(xié)議地球坐標系CTS(Conventional Terrestrial System)，而以瞬時極為指向點地球坐標系稱為瞬時地球坐標系。在大地測量中采取地心地固坐標系大多采取協(xié)議地極原點CIO為指向點，因而也是協(xié)議地球坐標系，普通情況下協(xié)議地球坐標系和地心地固坐

7、標系代表相同含義。 21.2 協(xié)議地球坐標系第32頁建立地心坐標系方法可分為直接法和間接法兩類。所謂直接法，就是經(jīng)過一定觀察資料(如天文、重力資料、衛(wèi)星觀察資料等)，直接求得點地心坐標方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動力法等。所謂間接法，就是經(jīng)過一定資料(其中包含地心系統(tǒng)和參心系統(tǒng)資料)，求得地心坐標系和參心坐標系之間轉(zhuǎn)換參數(shù)，而后按其轉(zhuǎn)換參數(shù)和參心坐標，間接求得點地心坐標方法 21.3 地心地固坐標系建立方法第33頁20世紀60年代以來，美國和原蘇聯(lián)等國家利用衛(wèi)星觀察等資料，開展了建立地心坐標系工作。美國國防部曾先后建立過世界大地坐標系(World Geodetic System，簡稱為WG

8、S)WGS-60，WGS-66和WGS-72，并于1984年開始，經(jīng)過多年修正和完善，建立起更為準確地心坐標系統(tǒng)，稱為WGS-84。 第34頁21.4 WGS-84世界大地坐標系WGS-84是一個協(xié)議地球參考系CTS。該坐標系原點是地球質(zhì)心， Z 軸指向BIH1984.0定義協(xié)議地球極CTP方向，X軸指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道交點， Y軸和Z、X 軸組成右手坐標系 第35頁第36頁第37頁第38頁21.5 國際地球參考系統(tǒng)(ITRS) 與國際地球參考框架(ITRF) 第39頁第40頁第41頁第42頁第43頁第44頁第45頁21.5.2 國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)ITRS是一

9、個協(xié)議地球參考系統(tǒng)，它定義為： 原點為地心，而且是指包含海洋和大氣在內(nèi)整個地球質(zhì)心； 長度單位為米(m)，而且是在廣義相對論框架下定義； Z 軸從地心指向BIH1984.0定義協(xié)議地球極(CTP)；第46頁 X 軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道交點； Y軸與XOZ 平面垂直而組成右手坐標系； 時間演變基準是使用滿足無整體旋轉(zhuǎn)NNR條件板塊運動模型，來描述地球各塊體隨時間改變。ITRS建立和維持是由IERS全球觀察網(wǎng)，以及觀察數(shù)據(jù)經(jīng)綜合分析后得到站坐標和速度場來詳細實現(xiàn)，即國際地球參考框架ITRF。第47頁21.5.3 國際地球參考框架(ITRF) ITRF是ITRS詳細實現(xiàn)，是經(jīng)過I

10、ERS分布于全球跟蹤站坐標和速度場來維持并提供用戶使用。IERS每年將全球站觀察數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，得到一個ITRF框架，并以IERS年報和IERS技術(shù)備忘錄形式公布。 第48頁ITRF 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 3221290.762 -.0325 -.0077 -.0119第49頁TRANSFORMATION PARAM

11、ETERS AND THEIR RATES FROM ITRF 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 1997.0 27 rates 0.00 -0.0

12、6 -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 第50頁 ITRF93 1.27 0.65 -2.09 1.95 -0.39 0.80 -1.14 1988.0 18 rates -0.29 -0.02 -0

13、.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

14、 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 第51頁Very Long Baseline Interferometry 第52頁第53頁DORIS is a Doppler satellite tracking system dev

15、elopped for precise 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 第54頁第55頁第56頁第57頁第58頁九峰第59頁第60頁22 站心坐標系 第61頁22.1 垂線站心直角坐標系 第62頁第63頁第64頁第65頁第66頁第67頁第68頁第69頁22.2 法線站心直角坐標系 第70頁第71頁23 坐標系換算 23.1 歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣 兩個直角坐標系進行相互變換旋轉(zhuǎn)角稱為歐勒角 對于二維直角坐標系 第72頁第73頁第74頁第75頁第76頁23.2 不一樣空間直角坐標系轉(zhuǎn)換布爾莎公式 第77頁第78頁第79頁第80頁因為公共點坐標存在誤差，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)將受其影響，公共點坐標誤差對轉(zhuǎn)換參數(shù)影響與點位幾何分布及點數(shù)多少相關(guān)，因而為了求得很好轉(zhuǎn)換參數(shù)，應