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1、测量中的坐标系及其坐标转换坐标转换的种类 测量中常用的坐标系1:北京54坐标系，西安80坐标系，地方独立坐标系，WGS84坐标系，大地坐标系，高斯克吕格平面直角坐标系， 1956和1985黄海高程系统1)北京 54 坐标系北京 54坐标系的由来及特点 它是一种参心坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联 1942年坐 标系进行联测，可以认为是前苏联1942 年坐标系的延伸，它的原点并不在北京 而是在前苏联的普尔科沃。该坐标系曾发挥了巨大作用，但也有不可避免的缺点： 1：椭球参数有较大误差；2：参考椭球面与我国大地水准面差距较大，存在着自西向东的明显的系统性的 倾斜；3：定向不明确； 4
2、：几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一； 5：椭球只有两个几何参数，缺乏物理意义； 6：该坐标系是按分区进行平差的的，在分区的结合部误差较大。2)1980年国家大地坐标系IS冢車面控制网National horizontal control network大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇石际寺村西安 80坐标系的由来及特点 它也是一种参心坐标系，大地原点位于我国陕西省泾阳县永乐镇。 1:采用的国际大地测量和地球物理联合会于1975年推荐的椭球参数，简称 1975 旋转椭球。它有四个基本参数：地球椭球长半径 a=6378140mG 是地心引力常数 地球重力场二阶带谐系数 地球自转角速度 2
3、：椭球面同大地水准面在我国境内最为拟合； 3：椭球定向明确，其短轴指向我国地极原点 JYD1968.0 方向，大地起始子午面 平行于格林尼治平均天文台的子午面。4：大地高程基准面采用 1956 黄海高程系统。2000年国家大地坐标系WGS84 坐标系 前面的均是参心坐标系，就整个地球空间而言，有以下缺点：（1）不适合建立全球统一的坐标系统（2）不便于研究全球重力场（3）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间三维坐标的完整性。WGS84 坐标系就是能解决上述问题的地心坐标系。高斯克吕格投影平面直角坐标系的由来及特点 为了建立各种比例尺地形图的控制及工程测量控制，一般应将椭球面上各点的大 地坐标按
4、照一定的规律投影到平面上，并以相应的平面直角坐标表示。 目前各国常采用的是高斯投影和 UTM 投影，这两种投影具有下列特点：（1）椭球面上任意一个角度，投影到平面上都保持不变,长度投影后会发生变形， 但变形比为一个常数。（2）中央子午线投影为纵轴，并且是投影点的对称轴，中央子午线投影后无变 形，但其它长度均产生变形，且越离中央子午线越远，变形愈大。（3）高斯平面直角坐标系的坐标轴与笛卡儿直角坐标系坐标轴相反，一般将 y值加上500公里，在y值前冠以带号。（4）带号与中央子午线经度的关系为 高程系统的由来及特点在测量中有三种高程，分别是大地高，正高，正常高，我国高程系统日常测量中 采用的是正常高
5、， GPS 测量得到的是大地高。高程基准面是地面点高程的统一起算面，通常采用大地水准面作为高程基准面。 所谓大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面，并延伸到大陆 地面以下所形成的闭合曲面。我国的高程系统目前采用的是1956黄海高程系统和1985黄海高程系统。GPS 定位的坐标系统与时间系统 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达观测站位置的数学与 物理基础。2.1坐标系统的类型在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位 置和状态极其方便。另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处
6、理GPS观测数据尤为方便。坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐 标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的 方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同 确认的坐标系称为协议坐标系。 2.2 协议天球坐标系1.天球的基本概念天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面 坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn（北天极）Ps（南天极）称为天极。天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面， 该面与天球相
7、交的大圆为天球赤道。天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子 午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。 时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上 的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤 交角，约 23.50。 黄极；通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点 nn称北黄极，靠近南天极的交点ns称南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交 点丫。在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准 点
8、和基准面。2.天球坐标系 在天球坐标系中，任一天体的位置可用天球空间直角坐标系和天球球面坐标系 来描述。天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn, x 轴指向春分点丫，y轴与x、z轴构成右手坐标系。天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经a为含天轴和春分点的天 球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬8为原点至天体的连线与 天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体的位置时是等价的，二者可相互转换。xcos 5 cos ay=rcos 5 sin azsin 5NEP
9、NCP28CEEOC18.6 年岁差与章动问题的提出：实际上地球自转轴（天 轴）的空间指向、地球（天球）赤道 面和地球（天球）黄道面的夹角（黄 赤交角）和春分点在天球上的位置是 否永远保持稳定不变？岁差：北天极（NCP）绕北黄极（NEP）顺 时针转动，自转轴围绕北黄极画出一个圆 锥，锥角等于黄赤交角8 =23.5，周期约 为 25800 年。瞬时平北天极：绕北黄极均匀移 动的 北天极瞬时北天极：观测瞬间的北天极 章动：瞬时北天极围绕瞬时平北天极产生旋 转，大致成椭圆形轨迹，其长半轴约9.2， 主周期约 18.6 年。 2.5 时间系统1 有关时间的基本概念 在天文学和空间科学技术中，时间系统是
10、精确描述天体和卫星运行位置及其 相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。在 GPS 卫星定位中，时间系统的重要性表现在： GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必 须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的 时刻误差应小于2.6 x10-6s。 准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距 离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于3 x10-11s由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，若要求赤 道上一点的位置误差不超过lcm,则时间测定误差要小于2 xl0-5s。显然，利
11、用 GPS 进行精密导航和定位，尽可能获得高精度的时间信息是至 关重要的。时间包含了“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间。 在天文学和卫星定位中,与所获取数据对应的时刻也称历元。时间间隔是指发生 某一现象所经历的过程,是这一过程始末的时间之差。时间间隔测量称为相对时 间测量,而时刻测量相应称为绝对时间测量。 测量时间必须建立一个测量的基准,即时间的单位(尺度)和原点(起始历元)。 其中时间的尺度是关键,而原点可根据实际应用加以选定。符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象,都可用作确定时间的基 准：运动是连续的、周期性的。运动的周期应具有充分的稳定性。 运动的周期必须具
12、有复现性,即在任何地方和时间,都可通过观察和实验, 复现这种周期性运动。在实践中,因所选择的周期运动现象不同,便产生了不同的时间系统。在 GPS 定位中,具有重要意义的时间系统包括恒星时、力学时和原子时三种。 2.世界时系统地球的自转运动是连续的,且比较均匀。最早建立的时间系统是以地球自转 运动为基准的世界时系统。由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同, 世界时系统包括恒星时、平太阳时和世界时。 恒星时 (Sidereal TimeST)以春分点为参考点,由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日,含 24 个恒星小时。 恒星时以春分点通
13、过本地子午圈 时刻为起算原点,在数值上等于春分点相对于 本地子午圈的时角,同一瞬间不同测站的恒星时不同,具有地方性,也称地方恒 星时。 由于岁差和章动的影响,地球自转轴在空间的指向是变化的,春分点在天球上 的位置也不固定。对于同一历元,所相应的真北天极和平北天极,也有真春分 点和平春分点之分。相应的恒星时就有真恒星时和平恒星时之分。LAST春分点地方时角GAST一 春分点的格林尼治时角LMST平春分点的地方时角GMST平春分点的格林尼治时角平太阳时(Mean Solar TimeMT)由于地球公转的轨道为椭圆,根据天体运动的开普勒定律,可知太阳的视运 动速度是不均匀的,如果以真太阳作为观察地球
14、自转运动的参考点,则不符合 建立时间系统的基本要求。假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动 的平均速度,且在天球赤道上作周年视运动,这个假设的参考点在天文学中称 为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日,包含 24 个平太阳时。平太阳时也具有地方性,常称为地方平太阳时或地方平时。 世界时( Universal TimeUT)以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的 时间尺度相同,起算点不同。1956年以前,秒被定义为一个平太阳日的 1/86400, 是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。由于自转的不稳定性，在UT 中加入极移改正得UT1
15、。加入地球自转角速度的季节改正得UT2。虽然经过改 正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化的影响，世界时 UT2 不是一个严格均匀的时间系统。在GPS测量中，主要用于天球坐标系和地球坐 标系之间的转换计算。3. 原子时(Atomic TimeAT) 物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立 的原子时成为最理想的时间系统。原子时秒长的定义；位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁 场中跃迁辐射震荡 9192631770 周所持续的时间为一原子时秒。原子时秒为国际 制秒(SI)的时间单位。原子时的原点为 AT=UT2-0.0039s 不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约 100 座原子钟，通过相互比 对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时(International Atomic TimeIAT)在卫星测量中，原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号 的传播时间。4. 力学时(Dynamic TimeDT)在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的， 其中所采用的独立变量是时间参数T,这个数学变量T定义为力学时。根据描述运动方程所对应的参
