第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统

第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
1、天球坐标系和地球坐标系
全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在
空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在
特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言 的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原 点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指 向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球
直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效 的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：
X r cos cos Y r sin cos Z r sin
arct an( Y / X) 2 2 arct an( Z / X Y r X 2 Y 2 Z2
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3、坐标系统之间的转换
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1980年国家大地坐标系（GDZ80） 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建 立起来的。 （3）椭球面同似大地水准面在我国境内最 为密合，是多点定位。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。
(2-6)
代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换 关系式：
( N H ) cos B cos L X sin B cos L sin L cos B cos L x Y ( N H ) cos B sin L sin B sin L cos L cos B sin L y 2 0 sin B Z 球空 cos B z 地平 [ N (1 e ) H ]sin B (2-7)
天球球面坐标系的定义 ： 地球质心O为坐标原点，春分 点轴与天轴所在平面为天球经度 （赤经）测量基准——基准子午面， 赤道为天球纬度测量基准而建立球 面坐标。空间点的位置在天球坐标 系下的表述为（r，α，δ）。 天球空间直角坐标系与天球球面坐 标系的关系可用图2-1表示：
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（4） 卫星测量中常用坐标系
瞬时极天球坐标系与地球坐标系 瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方 向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标 系取向。 瞬时极地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地 球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文 台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球 坐标系与瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。 瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的 转换关系为：
2 2 2 B arctan Z ( N H ) /[ X Y ( N (1 e ) H )] （2－4） 2 H Z / sin B N (1 e )
2 Z N (1 e ) H sin B
J2=108263×10-8 地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1
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（2）、国家大地坐标系 1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。 存在的问题： （1）椭球参数有较大误差。 （2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明 显的系统性倾斜。 （3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统 一。 （4）定向不明确。
固定极天球坐标系——平天球坐标系
选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的 章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系—— 平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平 天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。 岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时 刻t真天球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为： x x (2-11)
（2-12） 式中：ε为所论历元的平黄赤交角，⊿ψ，⊿ε分别为黄经章动和交角章动参数。
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固定极地球坐标系——平地球坐标系 极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称 极移。 瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地 球极轴，相应的极点称为瞬时极。 国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为 地球的固定极称为国际协定原点CIO。 图2-5为瞬时极与平极关系。
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平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道 面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x x y R ( x ) R ( y ) y y p x p z em z et
Rz ( Z A ) Ry ( A ) Rz ( A ) y y z M (t ) z M ( t0 )
式中：ζA ，θA，ZA为岁差参数。 章动旋转变换 x 类似地有章动旋转变换式：
y z c (t )
x Rx ( ) Rz ( ) Rx ( ) y z M (t )
（2－3）


式中，N a / 1 e2 sin 2 B，N 为该点的卯酉圈半径； e2 (a 2 b 2 ) / a 2，a, e分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一扁心率。
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（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 如图2-3， P1 _ _ _ 是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角 坐标系 P1 X Y Z 。以P1 为原点建立与 O XYZ 相应坐标轴平行的 坐标系 O _ _XYZ 叫站心赤道直角坐标系。 _ 显然， P1 X Y Z同 O XYZ 坐标系有简单 的平移关系：
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新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标 （GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。 （8） BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
_ X X ( N H ) cos B cos L Y _ ( N H ) cos B sin L Y 2 Z _ N (1 e ) H sin B Z


（2-5)
(2-1)
(2-2)
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（2）、地球坐标系 地球直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指 向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面 里与XOZ构成右手坐标系。 地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是： 地球椭球的中心与地球质心重 合椭球的短轴与地球自转轴重 合。空间点位置在该坐标系中 表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大地坐 标系可用图2-2表示：
（2-13）
, yp 为t时刻 xp 下标em表示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系， 以角度表示的极移值。
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2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
（1）、WGS-84坐标系
WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化， 并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考 系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定 地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交 点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。 WGS84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理 联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 长半径：a=6378137±2（m）； 地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2； 正常化二阶带谐系数：C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9；
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站心地平直角坐标系
以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x 轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直 角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：
_ X x sin B cos L sin L cos B cos L _ y sin B sin L cos L cos B sin L R z 180 L R（ 90 B ） P Y y y _ 0 sin B z 地平 cos B Z 站赤