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1、1,GPS原理及应用,兰州交通大学 土木学院测绘工程系 李建章,2,第三讲 坐标和时间系统,协议天球坐标系 协议地球坐标系 协议天球坐标系和协议地球坐标系转换 国家坐标系和地方坐标系 WGS坐标系 时间系统,3,地形面、参考椭球面和大地水准面,大地水准面,椭球面,椭球高 h,正 高 H,地表面,N,N= 大地水准面差距,大地水准面,椭球面,H1,地表面,N1,h1,h2,H2,N2,(h1- h 2) = (H1 -H2 )+ ( N1- N2),垂 线 偏 差,大地水准面,椭球面,地表面,垂直于椭球面,垂直于大地水准面,垂线偏差,似大地水准面,7,第四节、国家坐标系和地方坐标系,一、地球参心
2、坐标系 所谓参心坐标系的参心，指参考椭球的中心。经典大地测量中，利用局部测量数据计算的椭球来代替地球形状，所以该椭球只是与本地区大地水准面很好的接近，而在别的地区相差较大，且该椭球中心不在地球质心，因此将该椭球叫做参考椭球。 为什么要使用参心坐标系？,8,参心坐标系也分参心大地坐标系和参心空间直角坐标系。,9,建立一个参心坐标系，必须解决如下问题： 椭球的大小和形状。 椭球中心的位置。 确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向。 确定大地原点。,10,国家大地原点,11,12,二、国家大地坐标系 1、1954年北京坐标系 20世纪50年代，在我国天文大地网建立初期，鉴于当时的历
3、史条件，采用了克拉索夫斯基椭球元素（=6378245m, e=1/298.3），并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。,13,1954年北京坐标系和前苏联1942年普尔科沃坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一致）但又不完全是前苏联1942年普尔科沃坐标系。如大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。大地水准面自东向西最大差距达67米。,14,2、1980年西安坐标系 为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和
4、进行了新的定位和定向，1978年以后，建立了1980年国家大地坐标系。,15,1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。该坐标系是参心坐标系。椭球短轴Z轴平行于由地球地心指向1968.0地极原点（JYD）的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度零方向；Y轴与Z，X轴成右手坐标系。,16,椭球参数采用1975国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值，四个基本常数为： a= 6378140 =1/298.257,17,椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。高程系统基准是1956年青岛验潮站求出
5、的黄海平均海水面。,18,3、新1954年北京坐标系 1980年国家大地坐标系建立后，实施了全国天文大地网整体平差。提供了属于1980年国家大地坐标系的大地点成果。这种成果与原大地点局部平差成果二者属于两个不同的参心坐标系。这给实际的使用带来一定的问题。实用部门和单位大量成果是1954北京坐标系的。而大地控制点在两坐标系中最大差100米以上。,19,因而有的部门和单位将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克氏椭球中心，椭球参数保持与1954北京坐标系相同而建立所谓新1954北京坐标系，这样新1954北京坐标系与原1954北京坐标系接近，但其精度和1980年国家大地坐标
6、系完全一样。,20,三、高斯平面直角坐标系与UTM坐标系 高斯投影与全球横轴墨卡托投影（UTM) 高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央子午线愈远，长度变形愈大，对于6带，赤道与边界子午线交点处的投影变形为0.138%。 在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡托投影，使中央子午线长度缩短为原长度的0.9996倍（通用横轴墨卡托），以减小长度变形的绝对值。 通用横轴墨卡托投影，对于6带，在y为 180km范围内长度缩短，以外长度伸长。,21,四、站心坐标系 以测站为原点构成的坐标系叫做测站中心坐标系，简称站心坐标系。战心坐标系分为站心地平直角坐标系和站心极坐标系。 站心地平直角坐标系是以测站所在
7、椭球法线方向为Z轴，以测站所在大地子午线北端与地平面的交线为X轴，平行圈与地平面的交线为Y轴，构成左手直角坐标系。 站心极坐标系以测站所在的铅垂线为准，以测站到目标点的空间距离D、天顶距Z和大地方位角A来表示该目标的位置。,22,23,五、独立坐标系 在工程测量中，当测区高程大于160m时，地面长度与参考椭球面长度相差太大，需建立地方独立坐标系。 建立独立坐标系时，先选一点作原点，该点的坐标与统一坐标一致，其它各点与原点的坐标增量的绝对值增大D（H/R）倍。方法有彭胀法与平移法两种，彭胀法是对各点与原点的坐标增量加改正。平移法是将参考椭圆体中心沿原点法线方向平移H。两种方法计算结果相差很小。此
8、外，当y坐标大于45km时。还需以高斯投影正反算或换带计算更换投影带中央子午线。,24,第五节 WGS坐标系,1）WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是美国84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测量基准。大小形状参数见后，Z轴指向1984协议地极，X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。 由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系的数据，故GPS测量时，先求得测站点的WGS-84坐标，再换算为当地使用的坐标。,25,2）ITRF参考框架 ITRF是国际地球自转服务局根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准。
9、是世界公认的精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用。但其日后必将代替WGS-84。 IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84相同，定向不同。,26,27,第六节 时间系统,时间概念 世界时系统 力学时 原子时,28,时间系统在定位中的意义 确定GPS卫星的在轨位置。 确定测站位置。 确定地球坐标系与天球坐标系的关系。,29,一、时间的概念： 时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。如：“上一堂课需要多长时间？”，这是说时间间隔；而“几点钟上课？”，这是说时刻，是一个时间点。 时刻：发生某一
10、现象的瞬间。 时间间隔：指发生某一现象经历过程的始末时刻差。 测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。 在GPS导航定位中，通常采用的时间系统有三种，即：恒星时、力学时、原子时。,30,二、世界时系统 以地球自转作为时间基准的时间系统叫做世界时系统。由于观察地球自转运动时所选的参考点不同，可分为恒星时、平太阳时、世界时。,31,1）恒星时 以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24恒星小时。分真恒星时和平恒星时。,32,2）平太阳时 太阳连续两次经过某地的上子午圈的时间间隔叫做一个真太阳日。由于地球
11、围绕太阳公转轨道是一个椭圆，其运动角速度不相同，再加上地球公转轨道在黄道面上，而时角是在赤道平面上度量，因此真太阳日的长度是不相同的，也就是说真太阳时不具备作为一个时间系统的基本条件。,33,但是日常生活中人们已经习惯用太阳来确定时间，安排工作和休息。为了弥补真太阳时的缺陷，人们设想一个假太阳来代替真太阳，这个假太阳和真太阳一样也在做周年运动，但有两点不同：第一，其周年运动轨迹是赤道平面上而非黄道平面；第二，它在赤道上的运动角速度是恒定的，等于真太阳的平均角速度。我们把这个太阳叫平太阳。 以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含24平太阳小时。,34,3）世界时 因为平太阳时是
12、从平正午开始起算的，在同一天，若早上是10月17日，下午就是10月18日。1925年天文学家决定将起始点从平正午移到平午夜，并称这个平太阳时为民用时。 以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳时相差12小时，即UT0=GAMT+12h,35,平太阳时和世界时均以地球自转为参照，而地球自转速度是变化的，包括极移、自转速度季节性变化和逐年变慢等。1956年引入极移改正和自转速度季节性变化改正：UT1=UT0+， UT2=UT1+TS，加逐年变慢改正。 世界时系统在天文学、大地测量学中有着广泛的应用。在GPS中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换。,36,三、力学时 在天文学
13、中，天体的星历是根据天体力学中的运动方程编算的，在这些天体运动方程中，时间T是一个独立的变量。,37,四、 原子时 以铯原子基态两超精细能级的辐射跃迁定义时间尺度，以1958年1月1日零时的世界时减去0.0039秒为原点。原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达10-16。 国际原子时 协调世界时 GPS时间系统 尺度是原子时秒长，原点取1980年1月6日零时的协调世界时。不润秒。故与协调世界时时间差逐年增大。,38,问题：,1、为什么说在空间定位技术中，时间是一个很重要的物理量？ 2、参心坐标系中的参心是什么意思？ 3、大地原点的作用是什么？ 4、为什么当前仍然在使用参心坐标系？ 5、站心坐标系有什么作用？,
