空间定位技术及应用-GPS原理及应用
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GPS测量原理及应用 (二 )
主讲人：马福义
GPS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
2.1 天球坐标系与地球坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
2.1.2 大地坐标系
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• 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
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
1954年北京坐标系
• 1954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： • 长半轴a为6 378 245m，扁率f为1/298.3，其原点 为原苏联的普尔科沃。 1954年北京坐标系虽然是苏联1942年 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1955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 推算而得。而高程又是以1956年青岛验潮站的黄 海平均海水面为基准。
春分点
x
y
α
Y
X
天球坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.2 大地坐标系
大地坐标系与直角坐标系 大地坐标系参数： B—大地维度 L —大地经度 H —大地高程
N —P点卯酉圈曲率半径 e —椭球第一偏心率
GPS测量原理及应用
2.1.2 大地坐标系
大地坐标系与直角坐标系参数转换关系
X N H cos B cos L Y N H cos B sin L 2 L N 1 e H sin B
2.2.1 WGS-84大地坐标系
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。Z轴指向1984北极，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。
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• (2) 椭球定向不明确，即不指向国际通用的CIO极，也不指 向目前我国使用的JYD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 性倾斜。东部高程异常达60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有较好的密合，但实 际情况与此相反。 • (3) 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。 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1～2m，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，因此有必 要建立新的大地坐标系统。
Y
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
球面坐标系与直角坐标系的参数转换关系 Z x cos cos z y r cos sin s z sin δ
地心
r x2 y2 z 2 y arct an x z arct an 2 2 x y
GPS测量原理及应用
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
GPS测量原理及应用
2.2.1 WGS-84大地坐标系 2.2.2 国家大地坐标系
2.2.3 地方独立坐标系
2.2.4 ITRF坐标框架简介
GPS测量原理及应用
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• 1954年北京坐标系建立之后，在这个系统上，３ ０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 表现在： • (1)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105～109m，这不仅 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， 不能满足现今理论研究和实际工作的需要，对于 发展空间技术也带来诸多不便。
2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
பைடு நூலகம்
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
Z
1）天球空间直角坐标系 z s • 原点：地球质量中心 δ • Z轴：指向北天极Pn 地心 y x 春分点 • X轴：指向春分点 α • Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系 X 2）天球球面坐标系 天球坐标系 • 原点：地球质量中心 • 赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角 • 赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角 • 向径r ：天体到地心的距离
N —P点卯酉圈曲率半径 H —大地高程
GPS测量原理及应用
P 1 xyz 坐标系同
P 1 XYZ 坐标系转换
X sin B cos L sin L cos B cos L x ( N H ) cos B cos L Y sin B sin L cos L cos B sin L y ( N H ) cos B sin L 2 0 sin B Z 地心 cos B z 地平 [ N (1 e ) H ]sin B
GPS测量原理及应用
O：球心 O - XYZ：球心空间 直角坐标系 P1 -XYZ：站心赤道 直角坐标系 P1-xyz：站心地平直 角坐标系
坐标系同 O XYZ 坐标系转换 P 1 XYZ
X X (N + H)cosBcosL Y = Y + (N + H)cosBsinL 2 Z Z [N(1 e )+ H]sinB
ae 2 sin B B arctan tan 1 Z W Y L arctan X R cos H N cos B
2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
主讲人：马福义
GPS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
2.1 天球坐标系与地球坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
2.1.2 大地坐标系
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• 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
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
1954年北京坐标系
• 1954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： • 长半轴a为6 378 245m，扁率f为1/298.3，其原点 为原苏联的普尔科沃。 1954年北京坐标系虽然是苏联1942年 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1955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 推算而得。而高程又是以1956年青岛验潮站的黄 海平均海水面为基准。
春分点
x
y
α
Y
X
天球坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.2 大地坐标系
大地坐标系与直角坐标系 大地坐标系参数： B—大地维度 L —大地经度 H —大地高程
N —P点卯酉圈曲率半径 e —椭球第一偏心率
GPS测量原理及应用
2.1.2 大地坐标系
大地坐标系与直角坐标系参数转换关系
X N H cos B cos L Y N H cos B sin L 2 L N 1 e H sin B
2.2.1 WGS-84大地坐标系
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。Z轴指向1984北极，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。
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• (2) 椭球定向不明确，即不指向国际通用的CIO极，也不指 向目前我国使用的JYD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 性倾斜。东部高程异常达60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有较好的密合，但实 际情况与此相反。 • (3) 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。 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1～2m，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，因此有必 要建立新的大地坐标系统。
Y
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
球面坐标系与直角坐标系的参数转换关系 Z x cos cos z y r cos sin s z sin δ
地心
r x2 y2 z 2 y arct an x z arct an 2 2 x y
GPS测量原理及应用
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
GPS测量原理及应用
2.2.1 WGS-84大地坐标系 2.2.2 国家大地坐标系
2.2.3 地方独立坐标系
2.2.4 ITRF坐标框架简介
GPS测量原理及应用
GPS测量原理及应用
2.2.2 国家大地坐标系
• 1954年北京坐标系建立之后，在这个系统上，３ ０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 表现在： • (1)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105～109m，这不仅 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， 不能满足现今理论研究和实际工作的需要，对于 发展空间技术也带来诸多不便。
2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
பைடு நூலகம்
2.1.4 卫星测量中常用坐标系
GPS测量原理及应用
2.1.1 天球坐标系
Z
1）天球空间直角坐标系 z s • 原点：地球质量中心 δ • Z轴：指向北天极Pn 地心 y x 春分点 • X轴：指向春分点 α • Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系 X 2）天球球面坐标系 天球坐标系 • 原点：地球质量中心 • 赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角 • 赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角 • 向径r ：天体到地心的距离
N —P点卯酉圈曲率半径 H —大地高程
GPS测量原理及应用
P 1 xyz 坐标系同
P 1 XYZ 坐标系转换
X sin B cos L sin L cos B cos L x ( N H ) cos B cos L Y sin B sin L cos L cos B sin L y ( N H ) cos B sin L 2 0 sin B Z 地心 cos B z 地平 [ N (1 e ) H ]sin B
GPS测量原理及应用
O：球心 O - XYZ：球心空间 直角坐标系 P1 -XYZ：站心赤道 直角坐标系 P1-xyz：站心地平直 角坐标系
坐标系同 O XYZ 坐标系转换 P 1 XYZ
X X (N + H)cosBcosL Y = Y + (N + H)cosBsinL 2 Z Z [N(1 e )+ H]sinB
ae 2 sin B B arctan tan 1 Z W Y L arctan X R cos H N cos B
2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系