課測量坐標系統與時間系統演示文稿第一頁，共三十五頁。（優選）第二節課測量坐標系統與時間系統第二頁，共三十五頁。GPS定位所采用的坐標系的特點GPS定位的坐標系既有空固坐標系，又有地固坐標系。建立的地球坐標系是真正意義上的全球坐標系。GPS定位的地球坐標系原點在地球的質量中心，即為地心坐標系。必須要掌握坐標系間的轉換。第三頁，共三十五頁。GPS測量坐標系的分類坐標系分類坐標系特征①空固坐標系與地固坐標系空固坐標系與天球固連，與地球自轉無關，用來確定天體位置較方便。地固坐標系與地球固連，隨地球一起轉動，用來確定地面點位置較方便。②地心坐標系與參心坐標系地心坐標系以地球的質量中心為原點，如WGS-84坐標系和ITRF參考框架均為地心坐標系。而參心坐標系以參考橢圓體的幾何中心為原點，如北京54坐標系和80國家大地坐標系。③空間直角坐標系、球面坐標系、大地坐標系及平面直角坐標系經典大地測量采用的坐標系通常有兩種，一是以大地經緯度表示點位的大地坐標系，二是將大地經緯度進行高斯投影或橫軸墨卡托投影后的平面直角坐標系。在GPS測量中，為進行不同大地坐標系之間的坐標轉換，還會用到空間直角坐標系和球面坐標系。④國家統一坐標系與地方獨立坐標系采用單獨坐標系統既不是我國國家統一坐標系常用的是80國家大地坐標系也不是北京54坐標系，第四頁，共三十五頁。天球坐標系和地球坐標系

GPS測量技術是通過安置于地球表面的GPS接收機，接收GPS衛星信號來測定地面點位置。觀測站固定在地球表面，其空間位置隨地球自轉而變動，而GPS衛星圍繞地球質心旋轉且與地球自轉無關。因此，在衛星定位中，需建立兩類坐標系統和統一的時間系統，即天球坐標系與地球坐標系。天球坐標系是一種慣性坐標系，其坐標原點及各坐標軸指向在空間保持不變，用于描述衛星運行位置和狀態。地球坐標系則是與地球相關聯的坐標系，用于描述地面點的位置。并尋求衛星運動的坐標系與地面點所在的坐標系之間的關系，從而實現坐標系之間的轉換。第五頁，共三十五頁。

天球坐標系

1.天球空間直角坐標系的定義

地球質心O為坐標原點，Z軸指向天球北極，X軸指向春分點，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構成右手坐標系。則在此坐標系下，空間點的位置由坐標（X，Y，Z）來描述。

2．天球球面坐標系的定義

天球球面坐標系的坐標原點也位于地球質心。天體所在天球子午面與春分點所在天球子午面之間的夾角稱為天體的赤經，用α表示；天體到原點O的連線與天球赤道面之間的夾角稱為赤緯，用δ表示；天體至原點的距離稱為向徑，用r表示。這樣，天體的位置也可用三維坐標（α，δ，r）唯一地確定。第六頁，共三十五頁。天球坐標系3.直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數間的轉換對同一空間點，天球空間直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數間有如下轉換關系：第七頁，共三十五頁。4、建立天球坐標系的兩個問題實際地球的形狀近似一個赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉軸的方向不再保持不變而使春分點在黃道上產生緩慢的西移——歲差、章動P14-15歲差：由于對隆起部分的作用，致使春分點每年西移50.2″移動一周25800年章動：由于月球軌道和月地距離的變化，周期18.6年，北天極變成瞬時平天極，繞瞬時平天機旋轉軸旋轉。第八頁，共三十五頁。地球坐標系

1．地球直角坐標系的定義地球直角坐標系的定義是：原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y軸在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系2.地球大地坐標系的定義地球大地坐標系的定義是：地球橢球的中心與地球質心重合橢球的短軸與地球自轉軸重合。空間點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。地球直角坐標系和地球大地坐標系可用圖2-2表示：

第九頁，共三十五頁。地球坐標系1、瞬時地球坐標系：原點位于地球質心

z軸指向瞬時北極

x軸指向起始子午面與赤道面的交點

y軸構成右手坐標系取向。第十頁，共三十五頁。地球坐標系2、協議地球坐標系極移：在地幔對流以及其他物質遷移的影響下，地球自轉軸的位置隨時間的不同而發生改變的現象稱為地極移動，簡稱極移。國際協定原點CIO：采用國際上5個緯度服務站的資料，以1900至1905年地球自轉軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協定原點CIO。

原點：地球質心

z軸：指向CIOx軸：指向與CIO相對應的赤道面與起始子午面的交點

y軸：按構成右手坐標系取向

第十一頁，共三十五頁。地球坐標系之間的轉換

瞬時地球坐標系-----------------協議地球坐標系

極移改正第十二頁，共三十五頁。天球坐標系與地球坐標系之間的轉換

衛星的位置是由天球坐標系的坐標表示，測站的位置是由地球坐標系的坐標表示，要想用衛星的坐標測出測站的坐標，需將天球坐標系的坐標轉化為地球坐標系的坐標。

第十三頁，共三十五頁。高程系統一、正高（海拔高）H正

1、定義：指地面點沿鉛垂線到大地水準面的距離

2、特點：（1）正高高程是唯一的；（2）一點在不同深度處的重力加速度的平均值二、正常高H常

1、定義：指地面點沿鉛垂線到似大地水準面的距離。我國采用的高程系統。基準面為似大地水準面

第十四頁，共三十五頁。高程系統三、大地高（橢球高）H1、地面點沿橢球法線到橢球面得距離叫該點的大地高

2、特點：大地高是純幾何量，不具物理意義。同一個點在不同基準下有不同的大地高大地水準面差距：橢球面與大地水準面之間的距離。高程異常：橢球面與似大地水準面之間的距離。第十五頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統一、大地測量的坐標系與大地測量基準的差別大地測量坐標系是理論定義，空間一點在不同坐標系之間轉換不影響點位大地測量基準是依據若干觀測點的觀測數據確定的大地測量坐標系，因觀測有誤差，故空間一點在不同基準之間的轉換會帶來誤差。在多數場合下，兩者不加區別。我們常用的坐標系都是大地測量基準第十六頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統

WGS-84坐標系

WGS-84坐標系是美國根據衛星大地測量數據建立的大地測量基準，是目前GPS所采用的坐標系。

第十七頁，共三十五頁。坐標系類型WGS-84坐標系屬地心坐標系原點地球質量中心z軸指向國際時間局定義的BIH1984.0的協議地球北極x軸指向BIH1984.0的起始子午線與赤道的交點參考橢球橢球參數采用1979年第17屆國際大地測量與地球物理聯合會推薦值橢球長半徑a=6378137m橢球扁率由相關參數計算的扁率：α=1/298.257223563表2 WGS-84坐標系定義第十八頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統國家大地坐標系

1.1954年北京坐標系（BJ54舊）坐標原點：前蘇聯的普爾科沃。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。平差方法：分區分期局部平差。

存在的問題：（1）橢球參數有較大誤差。（2）參考橢球面與我國大地水準面差距大，不能達最佳擬合，存在著自西向東明顯的系統性傾斜。（3）坐標誤差累計大（坐標從東北傳遞到西北和西南的，未進行整體平差，各部分結合點有1~2米的誤差）。（4）定向不明確即X,Y軸的指向不明。（5）屬參心坐標系。（和衛星坐標的原點不一致）第十九頁，共三十五頁。坐標系類型1954年北京坐標系屬參心坐標系原點位于原蘇聯的普爾科沃z軸沒有明確定義x軸沒有明確定義參考橢球橢球參數采用1940年克拉索夫斯基橢球參數橢球長半徑a=6378245m橢球扁率由相關參數計算的扁率：α=1/298.3表3 1954年北京坐標系定義

第二十頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統2.1980年國家大地坐標系（GDZ80）坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮。參考橢球：1975年國際橢球。平差方法：天文大地網整體平差。特點：（1）采用1975年國際橢球。（2）大地高程基準采用1956年黃海高程。（3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為密合。（4）定向明確。（5）大地原點地處我國中部。（6)其大地點的高程起算面是似大地水準面，是局部基準而非全球基準。

第二十一頁，共三十五頁。坐標系類型1980年國家大地測量坐標系屬參心坐標系原點位于我國中部—陜西省涇陽縣永樂鎮z軸平行于地球質心指向我國定義的1968.0地極原點(JYD)方向x軸起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面參考橢球橢球參數采用1975年第16屆國際大地測量與地球物理聯合會的推薦值橢球長半徑a=6378140m橢球扁率由相關參數計算的扁率：α=1/298.257表41980年國家大地測量坐標系定義第二十二頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統3.新1954年北京坐標系（BJ54新）新1954年北京坐標系（BJ54新）是由1980年國家大地坐標（GDZ80）轉換得來的。坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。平差方法：天文大地網整體平差。BJ54新的特點：（1）采用克拉索夫斯基橢球。（2）是綜合GDZ80和BJ54舊建立起來的參心坐標系。（3）橢球面與大地水準面在我國境內不是最佳擬合。（4）定向明確。（5）大地原點與GDZ80相同，但大地起算數據不同。（6）大地高程基準采用1956年黃海高程。（7）與BJ54舊相比，所采用的橢球參數相同，其定位相近，但定向于GDZ80相同。（8）BJ54舊與BJ54新無全國統一的轉換參數，只能進行局部轉換。第二十三頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統ITRF參考框架

ITRF是國際地球自轉服務局（IERF）根據分布全球的地面觀測站，以最先進的測量技術獲得的數據確定的大地測量基準，是世界精度最高的大地測量基準。目前尚未普遍采用，但其日后必將代替WGS-84.IERF已發布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多個地心參考框架，橢球參數與WGS-84相同，定向不同第二十四頁，共三十五頁。GPS測量中的常用坐標系統4.地方坐標系地方坐標系選自己的地方參考橢球，基準面為當地的平均海拔高程面。地方與國家的參考橢球的關系:

中心一致軸向一致扁率一致長半徑有一增量第二十五頁，共三十五頁。坐標系統之間的轉換

不同空間直角坐標系統之間的轉換（七參數法）上式即為兩個不同空間直角坐標系的轉換模型，通過該模型，利用重合點的兩套坐標值（XA，YA，ZA）（XB，YB，ZB）采取平差的方法可以求得轉換參數。求得轉換參數后，再利用上述模型進行各點的坐標轉換。第二十六頁，共三十五頁。坐標系統之間的轉換不同平面直角坐標系之間的轉換（四參數法）適用于高斯平面坐標間的轉換七參數法：定參數需要三個點在兩個坐標系中的坐標四參數法：定參數需要兩個點在兩個坐標系中的坐標第二十七頁，共三十五頁。高程系統的轉換

GPS測得的高程是以WGS-84橢球面為高程起算面的即為大地高，我國的1956年黃海高程系統和1985年國家高程基準是以似大地水準面作為高程起算面的即為正常高，所以GPS測量要進行高程系統的轉換。常用的轉換方法有四種：高程擬合法

1）斜面擬合法

2）二次曲面擬合法區域似大地水準面精化法第二十八頁，共三十五頁。高程系統的轉換第二十九頁，共三十五頁。第二節GPS測量的時間系統GPS測量中，時間的意義：確定GPS衛星的在軌位置確定測站的位置確定地球坐標系與天球坐標系的關系時間包括時刻（絕對時間）與時間間隔（相對時間）兩概念測量時間同樣需要建立測量基準，包括尺度基準與原點。可作為時間基準的運動現象必須是周期性的，且其周期應有復現性和足夠的穩定性。第三十頁，共三十五頁。（1）恒星時ST

定義：

以春分點為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為

恒星時。

計量時間單位：恒星日、恒星小時、恒星分、恒星秒；一個恒星日=24個恒星小時=1440個恒星分=86400個恒星秒

分類：真恒星時和平恒星時。(歲差和章動)（2）平太陽時MT

定義：以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為平太陽

時。

計量時間單位：平太陽日、平太陽小時、平太