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课件 GPS-第2讲 坐标系统和时间系统

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第二章GPS定位系统的坐标系和时间系统

第二章GPS定位系统的坐标系和时间系统

导致春分点
位置发生变
春分点
化
9
南黄极 南天极
§2.1.3 天球坐标系
协议天球坐标系（CIS）①
❖ 协议天球坐标系 经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系
❖ 当前，国际上所采用的协议天球坐标系 国际大地测量协会和国际天文联合会确定从1984 年1月1日起采用 为2000年1月1日12h（J2000.0）的平天球坐标系 ❖Z轴指向J2000.0的平北天极 ❖X轴指向J2000.0的平春分点
19
§2.1.9 转换过程
协议天球坐标
岁差旋转
瞬时平天球坐标
章动旋转
瞬时天球坐标
旋转真春分点时角
瞬时地球坐标
极移旋转
协议地球坐标
20
思考
❖ WGS84坐标系是一种地心坐标系统而国家坐 标系北京54和西安80却属于参心坐标系，那 么如果有了空间点位的GPS测量数据，如何 才能够获得国家坐标系的坐标呢？
UT1：引入极移改正（l）的世界时
UT2：引入极移改正（l）和地球自转速度
的季节改正（ Ts）的世界时
27
§2.2.6 力学时系统（Dynamic Time – DT）
（1）太阳系质心力学时(BDT)：相对于太阳质心的运动方 程所采用的时间参数； （2）地球质心力学时(TDT)：相对于地球质心的运动方程 所采用的时间参数； 地球质心力学时，在GPS定位中，主要用来描述卫星的运 动； 地球质心力学时的基本单位是国际制秒，与原子时的尺度 一致。 在1977年1月1日原子时与地球质心力学时的严格关系： TDT=IAT+32.184（S） 地球质心力学时与世界时之间的时差：△T=TDTUT1=IAT-UT1+32.184(S)，通常记录于天文年历中；

GPS02讲义坐标系统与时间系统

GPS02讲义坐标系统与时间系统
Slide 18
2.1 天球坐标系与地球坐标系
三种天球坐标系
一个特定时刻，即 标准历元：
2000.1.15：的瞬时 平天极
瞬时平天极
瞬时真天极
Slide 19
2.1 天球坐标系与地球坐标系
三种天球坐标系
瞬时极（真）天球坐标系
——〉瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点 ——〉坐标轴指向随时间变化
2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
WGS-84坐标系
类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）
定义:原点：地球的质心 Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向 X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点 Y轴：和Z,X构成右手系
椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）
天轴:地球自 转轴的延伸
线
Slide 13
2.1 天球坐标系与地球坐标系
黄道和二分点
地球绕日公转的 轨道平面与天球相交 的圆称之为“黄道面 ”
地球自转与黄道 （太阳绕地球的运行 轨道）面法线并不一 致，而夹角成的角
天赤道与黄道相 交于两点，当一年中 太阳过这两点时分别 是春分和秋分，在这 两天全球各地昼夜等 长。
2.1 天球坐标系与地球坐标系
天球坐标系的两种表示方法
天球球面坐标系 (赤经，赤纬，向径) 天球空间直角坐标系 (X,Y,Z)
Slide 17
2.1 天球坐标系与地球坐标系
建立天球坐标系的两个问题
实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此 在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球 在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变而使 春分点在黄道上产生缓慢的西移——岁差、章动
（3）X轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的交

GPS课件---坐标系统时间系统

GPS课件---坐标系统时间系统

岁差和章动
在外力的作用下， 地球的自转轴在空间 的指向并不保持固定 的方向，而是不断发 生变化。其中地轴的 长期运动称为岁差， 而周期运动称为章动。 岁差和章动引起天极 和春分点位置相对恒 星的变化。
GPS测量原理及应用 三种天球坐标系
以时间为参考
瞬时 真天球坐 标系 瞬时 平天球坐 标系 协议 天球坐标 系
GPS测量原理及应用
CGCS2000：参考椭球常数 导出物理常数值
U0= 62636851.7149 m2s-2 椭球面正常位 J2= 0.1082629832258x10-2 2阶带谐系数 J4= -0.2370911256141x10-5 4阶带谐系数 J6= 0.6083465258892x10-8 6阶带谐系数 J8= -0.1426811009798x10-10 8阶带谐系数 m 2a 2b / GM J10 = 0.1214393383343x10-13 10阶带谐系数 m = 0.00344978650678 m=ω2a2b/GM γe = 9.7803253361 ms-2 赤道正常重力 γp = 9.8321849379 ms-2 极正常重力 γ’ = 9.7976432224 ms-2 平均正常重力 fg = 0.00530244174137 重力扁率 k = 0.00193185261931 k=bγ p/aγ e-1 M = 5.97333196×1024 kg 地球质量（包括大气）
或：
X cos cos Y r cos sin Z sin
r X 2 Y 2 Z2 arctan Y X Z arctan X 2 Y2
GPS测量原理及应用
岁差和章动
GPS测量原理及应用

全球定位系统概论之坐标系统和时间系统(ppt 40页)

全球定位系统概论之坐标系统和时间系统(ppt 40页)
• 1980西安大地坐标系
– 基本情况
• 1978年决定对我国天文大地网进行整体平差。 • 重新选定椭球，并进行定位、定向。 • 该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳
县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故 称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。 基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定 的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。
– 第二层次：大地控制网。包括中国全部领土和领海内 的高精度GPS网点，其三维地心坐标精度为cm级， 速度精度为2~3mm/a。
– 第三层次：天文大地网。包括经空间网与地面网联合 平差的约5万个天文大地点，其大地经纬度误差不超 过0.3 m，大地高误差不超过0.5 m。
27
2000国家大地坐标系的必要性
全球旋转； CGCS 2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地
心； 轴为国际地球自转局（IERS）参考极（IRP）方向， 轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于 轴的赤道面的 交线， 轴与 轴和 轴构成右手正交坐标系。
24
2000国家大地坐标系
• 经国务院批准，根据《中华人民共和国测绘法》， 中国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。 为此，国家测绘局6月18日发布公告。
– 同一点在基于某一基准或参照系的坐标系下的坐标转换
为基于另一基准或照系的坐标系下的坐标，如WGS 84
与1954年北京坐标系下大地坐标之间的相互转换，或
WGS 84下的笛卡尔坐标与1954北京坐标系下的大地坐
标之间的相互转换。
8
坐标系统的类型
• 在空间固定的坐标系统：与地球自转无 关，对于描述卫星的运动位置和状态极 其方便
• 4. 采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等 安全的需要。

第二讲坐标系统和时间系统 PPT

第二讲坐标系统和时间系统 PPT

扁率相等 长半径有一增量
五、ITRF坐标框架简介
ITRF
International Terrestrial Reference Frame 国际地球参考框架 原点：在地球体系的质心 参考椭球 ：WGS—84椭球
X Di X (1 k)R( z )R( y )R( x ) X Gi
2、3 坐标系转换
2、1 天球坐标系与地球坐标系
参考椭球
椭球方程:
X2 a2
Y a
2 2
Z2 b2
1
扁率:
ab
a
第一偏心率: e
a2 b2 a2
§法截面:过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面得法线,
包含这条法线得平面。
§卯酉圈:与椭球面上某点得子午面相垂直得法截面同椭球面
相截所形成得闭合圈。如PEE ’
2、1 天球坐标系与地球坐标系
站心地平极坐标系与站心地平 直角坐标系得转换
Z
x
z
s (卫星)
A
r h
P1
y
O X
Y (x, y, z) (r, A, h )
x r cos Acos h
y
r
sin
A
cos
h
z r sin h
r x2 y2 z 2
A
arctan(
y
/
x)
h arctan(z /
C 2.0 -484.1668510- 6
7 29211510-11rad s-1
２、大地水准面高N = 大地高 H –正高H正
2、2 WGS-84坐标系与我国大地坐标系
国家大地坐标系
v 1954年北京坐标系 v 1980年国家大地坐标系

GPS2第二章 坐标系统和时间系统

GPS2第二章 坐标系统和时间系统

x
Ps
J2000.0：公历为2000年1月1日12:00:00
y
天球 赤道
协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换：
协议天球坐标系
岁差
观测瞬间的平天球坐标系 章动
瞬时天球坐标系
二、地球坐标系
地球空间直角坐标系的定义：
Z
原点O：地球质心 Z轴：指向地球北极Pn
PN
赤道 平面
X轴：指格林尼治子午
P
Z
L arctan Y X
B arctan{Z(N H) /[ X 2 Y 2 N(1 e2) H)]}
H Z / sin B N (1 e2 )
式中， N a / 1 e2 sin2 B ，N为该点的卯酉圈
曲率半径。
岁差、章动和极移的影响 地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其
Πn
天极
Pn
在岁差和章动 黄道 的影响下，瞬时天
球坐标系的坐标轴
的指向在不断的变
M
化，将不能直接根
ε γ
天球 赤道
Πs
据牛顿力学定律来 研究卫星的运动规 律。
瞬时天球坐标系：
原点：地球质心 坐标轴指向： z轴——指向瞬时地球自
转轴 x轴——指向瞬时春分点 y轴——与x轴、z轴构成
右手坐标系
Z
Pn
长半轴： 6378245（m） 扁率： 1：298.3
BJ54可归结为： a．属参心大地坐标系； b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数； c. 大地原点在原苏联的普尔科沃； d．采用多点定位法进行椭球定位； e．高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平
均海水面。
怎样定义一个坐标系？
坐标系固连在参照系上，且与参照系同

GPS课件-坐标系统和时间系统

GPS课件-坐标系统和时间系统

1
3 2
3
1
1
2 1
1
§2.4 WGS84坐標系
1、WGS84坐標系的定義
Z
協議地極
零子午面
協議地球坐標系
原點：地球質心M
M Y
X
Z軸：指向BIH1985.0定義的協議地極
X軸：指向BIH1985.0定義的零子午面與CTP相應的赤道交點
Y軸：垂直於XMZ平面，構成右手直角坐標系
ZCTS
ZT
xp yp
XCTS
M
協議赤道
XT
暫態赤道
YT
YCTS
X
X
Y
Ry
( x p )Rx
(
y p )Y
Z CTS
Z T
1
Ry
(
x
p
)Rx
(
y
p
)
0
0 1
xp yp
x p y p 1
4、協議天球坐標系到協議地球坐標系的轉換
兩坐標系之間的關係：
1）原點相同，均位於地球質心；
2）暫態天球坐標系的z軸和暫態地球坐標系的Z軸指向相同；
Rz
(ζ
)
sin
ζ
cos ζ
0
0
0 1
z 0.6406161T 0.0003041T 2 0.0000051T 3 ζ 0.6406161T 0.0000839T 2 0.0000050T 3 θ 0.6406161T 0.0001185T 2 0.0000116T 3
T (t t0 ) 從標準曆元 t0 到觀測曆元 t 的儒略世紀數
Y
X
x D sin Z cos A
y
D

GPS原理与应用第二章 坐标系统和时间系统解析PPT课件

GPS原理与应用第二章 坐标系统和时间系统解析PPT课件

城 市
坐标系。
与 环
二者仅存在由岁差引起 的坐标轴指向的不同。
二者差别由地球自转轴 的章动现象引起。
境 科 学
05
学
地 信
X
X
Y Rz(ZA)RY(A)RZ(A)Y
X
X
Y RX()RZ()RX()Y
院
专
ZM(t)
ZM(t0)
Zc(t)
ZM(t)
业
瞬时平天 协议天球
瞬时天球
瞬时平天 王
球坐标系 坐标系
宇 明
与地球体固连在一起且与地球同步运动的坐标系，其
中以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系
0099..1122.2.02200 20
GPS
原 理
天球
与
应 用
• 天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体
城 市 与
• 天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天 环
球的交点为天极
境 科
05 • 天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面
GPS
原
理
与
应 用
城 市 与
环
境
科
学
05
学
地
院
信
专
业
王 宇 明
0099..1122.2.02200 20
GPS
原
理
25800年
章动椭圆
与 应
r= n
岁差章动叠加
用
Pn 18.6年
城 市 与 环
境
科
学
05
学
地
院
信
专
业
王 宇 明
0099..1122.2.02200 20

GPS坐标系统和时间系统

GPS坐标系统和时间系统
❖ 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
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
4 地方独立坐标系的由来及特点
基于限制变形 方便 实用和科学的目的;在许多 城市和工程测量中;常常会建立适合本地区的地方独 立坐标系;建立地方独立坐标系;实际上就是通过一 些参数来确定地方参考椭球与投影面
地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应 的参考椭球;该椭球的中心 轴向和扁率与国家参考 椭球相同;其椭球半径a增大为：
❖ 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
r X 2 Y2 Z2
arctan( Y / X )
arctan(
Z/
X
2
Y
2
2 1 2 地球坐标系
❖ 1 地球直角坐标系的定义 ❖ 地球直角坐标系的定义是：原点O与地球
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 cosL
_ Y _ Z
Rz180LR（ y 90-B）Pyy sin Bsin L

测量坐标系统与时间系统 PPT

测量坐标系统与时间系统 PPT

高程系统
一、正高(海拔高)H正 1、定义: 指地面点沿铅垂线到大地水准面得距离 2、特点:(1)正高高程就是唯一得; (2)一点在不同深度处得重力加速度得平均值
二、正常高H常 1、定义: 指地面点沿铅垂线到似大地水准面得距
离。 我国采用得高程系统。基准面为似大地水准面
高程系统
三、大地高(椭球高)H 1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点得大
据确定得大地测量坐标系,因观测有误差,故空 间一点在不同基准之间得转换会带来误差。
在多数场合下,两者不加区别。 我们常用得坐标系都就是大地测量基准
GPS测量中得常用坐标系统
WGS-84坐标系
WGS-84坐标系就是美国根据卫星大地测量 数据建立得大地测量基准,就是目前GPS所采用 得坐标系。
坐标系类型
天球坐标系和地球坐标系
GPS测量技术就是通过安置于地球表面得GPS接收机, 接收GPS卫星信号来测定地面点位置。观测站固定在地球表 面,其空间位置随地球自转而变动,而GPS卫星围绕地球质心 旋转且与地球自转无关。因此,在卫星定位中,需建立两类坐 标系统和统一得时间系统,即天球坐标系与地球坐标系。天球 坐标系就是一种惯性坐标系,其坐标原点及各坐标轴指向在空 间保持不变,用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系则就 是与地球相关联得坐标系,用于描述地面点得位置。并寻求卫 星运动得坐标系与地面点所在得坐标系之间得关系,从而实现 坐标系之间得转换。
地球坐标系之间得转换
瞬时地球坐标系-----------------协议地球坐标系
极移改正
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
天球坐标系与地球坐标系之间得转换
卫星得位置就是由天球坐标系得坐标表示, 测站得位置就是由地球坐标系得坐标表示,要 想用卫星得坐标测出测站得坐标,需将天球坐 标系得坐标转化为地球坐标系得坐标。
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Rz
(ζ
)
sin
ζ
cos ζ
0
0
0 1
z 0.6406161T 0.0003041T 2 0.0000051T 3 ζ 0.6406161T 0.0000839T 2 0.0000050T 3 θ 0.6406161T 0.0001185T 2 0.0000116T 3
T (t t0 ) 从标准历元 t0 到观测历元 t 的儒略世纪数
Pn
Ps
§2.1 协议天球坐标系
1、天球的概念及其重要点、线、面
Pn: 北天极 Ps: 南天极 IIn: 黄北极 IIs: 黄南极
IIn
Pn
天轴
天球子 午圈
黄道
M
天球
赤道
春分点
IIs Ps
2、天球坐标系（含空间直角坐标系和球面坐标系）
x cos δ cosα
y
r
cos
δ
sin
α
z sin δ
sinB
2、极移和协议地球坐标系
极移：地球自转轴相对地球体的位置并不固定，造成地
极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象。
国际天文联合会和国际大地测量学协会，建议采用国际
上5个纬度服务站，以1900年至1905年的平均纬度所
确定的平均地极位置作为基准点，称为国际协议原
点（conventional international origin， CIO）。
cosφ sin φ 0
Rz
(φ)
sin
φ
cos φ
0
0
0 1
1 Rx (ε) 0
0
0 cos ε sin ε
0
sin
ε
cos ε
ε、Δε、Δφ分别为黄赤交角、交角章动及黄经章动。
ε 232621.448 46.815T 0.00059T 2 0.001813T 3
Δε、Δφ一般用非常复杂的级数展开式表示
第二章 坐标系统和时间系统
空间固定的坐标系 协议地球坐标系 站心坐标系 WGS84坐标系 时间系统 时间标示法
第二章 坐标系统和时间系统
第二章 坐标系统和时间系统
坐标系分类
空间固定坐标系 与地球固联坐标系
大地坐标系
✓ 参考椭球面作为基准面 ✓ 以起始子午面为东西向参考面 ✓ 以赤道面为南北向参考面
z Pn
天球子 午面
S（x,y,z） r
M
y
r x2 y2 z2
春分
x
点
arctan y
x
arctan z
x2 y2
赤经
赤纬
3、岁差与章 动岁差: 在日、月和其他天体的作用下，地球自转轴方向不再保
持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象。
IIn P’n Pn
黄道
以北黄极Ⅱn 为中心，以黄赤交角ε 为半径的小圆上西移，约
50.371”/年。
3、岁差与章 动章动: 在日、月等引力因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北
天极产生旋转的现象。
章动椭圆
IIn
岁差、章动叠加
18.6年
瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，近似椭圆，长半径 9.2”，周期约18.6年
4、协议天球坐标系
选择某一时刻 t0 作为标准历元，将此刻地球的瞬时自 转轴和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时岁差和章 动改正后，分别作为z轴和x轴的指向，称为所取标准 历元 t0 时刻的平天球坐标系或协议天球坐标系。
国际大地测量协会（IAG）和国际天文联合会(IAU) 决定，从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系， 坐标轴指向是以2000年1月15日为标准历元的平赤 道和平春分点所定义。
5、协议天球坐标系到瞬时天球坐标系的转换
➢协议天球坐标系到瞬时平天球坐标系的转换（岁差旋转） Pn z
P’n z’
x
y
x’
y’
Y
X
x y
X RY
Байду номын сангаас
cos sin
sin X
cos
Y
x
x
y
Rz (z)Ry (θ)Rz (ζ ) y
z MT
z CIS
cos z sin z 0
Rz
(z)
sin
z
cos z
0
0
0 1
cosθ 0 sin θ
Ry
(θ)
0
1
0
sin θ 0 cosθ
cosζ sin ζ 0
66 52 51 141 07 51 -123 12 35
➢瞬时平天球坐标系到瞬时天球坐标系的转换（章动旋转）
x
x
y
Rx (ε ε)Rz (φ)Rx (ε) y
z T
z MT
1 Rx (ε ε) 0
0
0 cos(ε ε) sin(ε ε)
0 sin(ε ε) cos(ε ε)
cosφ sin φ 0
Rz
(φ)
sin
φ
cos φ
§2.2 协议地球坐标系
1、地球坐标系的定义
起始子 午面
北极点 Z
P(X,Y,Z) H
M
LB
Y
X
X (N H )cosB cos L Y (N H )cosB sinL Z (N(1 e2 H ))sinB
L arctan Y X
Z Ne2 sinB tan B
X2 Y2 H Z N (1 e2 )
站址
纬度(度 分 秒) 经度(度 分 秒)
卡洛福特(Carloforte)/意大利 盖瑟斯堡（Gaithersburg）/美国
39 08 09 39 08 13
8 18 44 -77 11 57
基斯布（Kitab）/前苏联 水泽（Muzusawa）/日本
尤凯亚(Ukiah)/美国
39 08 02 39 08 04 39 08 12
0
0
0 1
1 Rx (ε) 0
0
0 cos ε sin ε
0
sin
ε
cos ε
➢瞬时平天球坐标系到瞬时天球坐标系的转换（章动旋转）
x
x
y
Rx (ε ε)Rz (φ)Rx (ε) y
z T
z MT
1 Rx (ε ε) 0
0
0 cos(ε ε) sin(ε ε)
0 sin(ε ε) cos(ε ε)
§2.1 协议天球坐标系
1、天球的概念及其重要点、线、面
天球：以地球质心 M 为中心，半径 r 为任意长 度的一个假想的球体。
在天文学中常用天球，把天体投影到天 球表面上，用球面坐标系统来表达天体的位 置及天体之间的关系。GPS中用来描述卫星。
§2.1 协议天球坐标系
1、天球的概念及其重要点、线、面
子始起 面午
赤 道
B
面
L
大地经度L ：点所在子午面与起始子午面的夹角，东正西负 大地纬度B ：点的椭球面法线与赤道面的夹角，北正南负 大地高H ：沿点的椭球面法线方向到椭球面的距离，外正内负
点坐标（B,L,H） 如: (114º24' 23.1455", 30º30' 18.4323", 20.258)