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1、GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 ( (二二) ) 主讲人：主讲人：马福义马福义 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 第2章 坐标系统和时间系统 2.1 天球坐标系与地球坐标系 2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系 2.3 坐标系统之间的转换 2.4 时间系统 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系 2.1.2 2.1.2 大地坐标系大地坐标系 2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系 2.1 2.1
2、天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 1 1）天球空间直角坐标系）天球空间直角坐标系 原点：地球质量中心原点：地球质量中心 Z Z轴：指向北天极轴：指向北天极P P n n X X轴：指向春分点轴：指向春分点 Y Y轴：与轴：与X X、Z Z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）天球球面坐标系 原点：地球质量中心原点：地球质量中心 赤经赤经：天体子午面与春分点子午面的夹角：天体子午面与春分点子午面的夹角 赤纬赤纬：天体与地心连线和天球赤道面的夹角：天体与地心连线和天球赤道面的夹角 向径向径 r r ：天体到地心的距离：天体到
3、地心的距离 2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 球面坐标系与直角坐标系的参数转换关系球面坐标系与直角坐标系的参数转换关系 2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 2.1.2 2.1.2 大地坐标系大地坐标系 大地坐标系与直角坐标系大地坐标系与直角坐标系 大地坐标系参数：大地坐标系参数： B B大地维度大地维度 L L 大地经度大地经度 H H 大地高程大地高程 N N P P点卯酉圈曲率半径点卯酉圈曲率半径 e e 椭球第一偏心率椭球第一偏心率 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 大地坐标
4、系与直角坐标系参数转换关系大地坐标系与直角坐标系参数转换关系 2.1.2 2.1.2 大地坐标系大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 OO：球心：球心 O - XYZO - XYZ：球心空间：球心空间 直角坐标系直角坐标系 P P1 1 -XYZ -XYZ：站心赤道：站心赤道 直角坐标系直角坐标系 P P1 1 -xyz-xyz：站心地平直：站心地平直 角坐标系角坐标系 2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 坐标系同坐标系同 坐标系转换坐标系转换 N PN P点卯酉圈曲率半径点卯酉圈曲率半径 H H 大地高程大地高
5、程 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 坐标系同坐标系同 坐标系转换坐标系转换 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系 2.2.1 WGS-842.2.1 WGS-84大地坐标系大地坐标系 2.2.2 2.2.2 国家大地坐标系国家大地坐标系 2.2.3 2.2.3 地方独立坐标系地方独立
6、坐标系 2.2.4 ITRF2.2.4 ITRF坐标框架简介坐标框架简介 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 WGS-84 WGS-84坐标系是美国坐标系是美国8484年在卫星大地测年在卫星大地测 量的基础上建立的以地球质心为原点的大地量的基础上建立的以地球质心为原点的大地 测量基准。测量基准。Z Z轴指向轴指向19841984北极，北极，X X轴指向轴指向19841984 格林威治子午线与赤道交点，格林威治子午线与赤道交点，Y Y轴与轴与X X、Z Z轴轴 构成右手坐标系。构成右手坐标系。 由由GPSGPS卫星发布的星历参数是卫星发布的星历参数是WGS-84WGS-84坐标坐标 系的数
7、据，故系的数据，故GPSGPS测量时，先求得测站点的测量时，先求得测站点的 WGS-84WGS-84坐标，再换算为当地使用的坐标。坐标，再换算为当地使用的坐标。 2.2.1 WGS-842.2.1 WGS-84大地坐标系大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 目前我国常用的两个国家坐标系 1954年北京坐标系 1980年西安坐标系 均是参心坐标系 2.2.2 国家大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 19541954年北京坐标系年北京坐标系 19541954北京坐系采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体北京坐系采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体 ， 其椭球参数是：其椭球参
8、数是： 长半轴长半轴a a为为6 378 245m6 378 245m，扁率，扁率f f为为1/298.31/298.3，其原点，其原点 为原苏联的普尔科沃。为原苏联的普尔科沃。 19541954年北京坐标系虽然是苏联年北京坐标系虽然是苏联19421942年年 坐标系的延伸，但也还不能说它们完全相同。因为坐标系的延伸，但也还不能说它们完全相同。因为 该椭球的高程异常是以苏联该椭球的高程异常是以苏联19551955年大地水准面重新年大地水准面重新 平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而 得。而高程又是以得。而高程又是以19561956年青岛验潮站
9、的黄海平均海年青岛验潮站的黄海平均海 水面为基准。水面为基准。 2.2.2 国家大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 19541954年北京坐标系建立之后，在这个系统上，年北京坐标系建立之后，在这个系统上， 多年来，我国用该坐标系统完成了大量的测绘工作多年来，我国用该坐标系统完成了大量的测绘工作 ，获得了许多的测绘成果，在国家经济建设和国防，获得了许多的测绘成果，在国家经济建设和国防 建设的各个领域中发挥了巨大作用。建设的各个领域中发挥了巨大作用。 但是，随着科学技术的发展，这个坐标系的先天弱但是，随着科学技术的发展，这个坐标系的先天弱 点也显得越来越突出，难以适应现代科学研究
10、、经点也显得越来越突出，难以适应现代科学研究、经 济建设和国防尖端技术的需要，它的缺点主要表现济建设和国防尖端技术的需要，它的缺点主要表现 在：在： (1)(1)克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数 相比，误差较大，长半径约大相比，误差较大，长半径约大105105109m109m，这不仅，这不仅 对研究地球几何形状有影响，特别是该椭球参数只对研究地球几何形状有影响，特别是该椭球参数只 有两个几何参数，不包含表示物理特性的参数，不有两个几何参数，不包含表示物理特性的参数，不 能满足现今理论研究和实际工作的需要，对于发展能满足现今理论研究和实际工作的需要
11、，对于发展 空间技术也带来诸多不便。空间技术也带来诸多不便。 2.2.2 国家大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 (2) (2) 椭球定向不明确，即不指向国际通用的椭球定向不明确，即不指向国际通用的CIOCIO极，也不指极，也不指 向目前我国使用的向目前我国使用的JYDJYD极，椭球定位实际上采用了前苏联的极，椭球定位实际上采用了前苏联的 普尔科沃定位，该定位椭球面与我国的大地水准面呈系统普尔科沃定位，该定位椭球面与我国的大地水准面呈系统 性倾斜。东部高程异常达性倾斜。东部高程异常达6060余米。而我国东部地势平坦、余米。而我国东部地势平坦、 经济发达，要求椭球面与大地水准面
12、有较好的密合，但实经济发达，要求椭球面与大地水准面有较好的密合，但实 际情况与此相反。际情况与此相反。 (3) (3) 该坐标系统的大地点坐标是经局部平差逐次得到的，该坐标系统的大地点坐标是经局部平差逐次得到的， 全国天文大地控制点坐标值实际上连不成一个统一的整体全国天文大地控制点坐标值实际上连不成一个统一的整体 。不同区域的接合部之间存在较大隙距，同一点在不同区。不同区域的接合部之间存在较大隙距，同一点在不同区 的坐标值相差的坐标值相差1 12m2m，不同区域的尺度差异也很大。而且坐，不同区域的尺度差异也很大。而且坐 标传递是从东北至西北西南，前一区的最弱点即为后一区标传递是从东北至西北西南
13、，前一区的最弱点即为后一区 的坐标起算点，因而坐标积累误差明显，这对于发展我国的坐标起算点，因而坐标积累误差明显，这对于发展我国 空间技术、国防建设和国家大规模经济建设不利，因此有空间技术、国防建设和国家大规模经济建设不利，因此有 必要建立新的大地坐标系统。必要建立新的大地坐标系统。 2.2.2 国家大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 19801980年西安坐标系年西安坐标系 19781978年，我国决定建立新的国家大地坐标系统，并且在新年，我国决定建立新的国家大地坐标系统，并且在新 的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差，这个的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平
14、差，这个 坐标系统定名为坐标系统定名为19801980年西安大地坐标系统。年西安大地坐标系统。 19801980年西安坐标系的大地原点设在我国的中部，处于陕西年西安坐标系的大地原点设在我国的中部，处于陕西 泾阳永乐镇，椭球参数采用泾阳永乐镇，椭球参数采用19751975年国际大地测量与地球物年国际大地测量与地球物 理联合会推荐值，它们为：理联合会推荐值，它们为： 椭球长半径椭球长半径a=6378140ma=6378140m； 重力场二阶带球谐系数重力场二阶带球谐系数J2=1.0826310-3J2=1.0826310-3； 地心引力常数地心引力常数GM=3.9860051014m3/s;GM=
15、3.9860051014m3/s; 地球自转角速度地球自转角速度=7.29211510-5rad/s=7.29211510-5rad/s。 因而可得因而可得8080椭球两个最常用几何参数为椭球两个最常用几何参数为:a=6378140m:a=6378140m； f=1/298.257f=1/298.257。 2.2.2 国家大地坐标系 GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用 各基准的参数比较各基准的参数比较 坐标系统坐标系统 地球椭球地球椭球 19541954年北京坐年北京坐 标系标系 19801980年西安坐标系年西安坐标系 WGS-84WGS-84世界大地世界大地 坐标系坐标系 椭球名称椭球名称 克拉索夫斯基克拉索夫斯基19801980大地坐标系大地坐标系WGS-84WGS-84 建成年代建成年代 194019401979197919841984 椭球类型椭球类型 参考椭球参考椭球参考椭球参考椭球总地球椭球总地球椭球 a a（mm） 637824563782456378140637814063781376378137 J2J2或或C20C20 (f)(f) （1 1：298.3298.3） J2: 1.0826310-3J2: 1.0826310-3 （1 1：298.257298.257） C20 C20 ： -484.
