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GPS定位的坐标系统 第三讲 GPS定位的坐标系统 学习指导 主要介绍GPS测量中常用的坐标系统。由于GPS采用WGS-84坐标系，而我国各地常用的坐标系是1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系和地方坐标系，因此，无论测区范围多小，测量精度等级如何低，都会涉及到坐标系统的转换问题。对于天球坐标系和地球坐标系，应掌握基本概念。而对于大地测量基准，包括WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系、地方坐标系以及高程基准及其转换，由于与相对定位的设计和数据处理以及差分定位的外业操作密切相关，不仅要牢固掌握基本概念，还应能够熟练地进行基准转换。 本单元教学重点和难点 1、参心坐标系的建立方法及其参数； 2、地心坐标系的建立方法及其参数； 3、天球坐标系的建立方法及其参数。 教学目标 1、了解参心坐标系的概念； 2、熟悉我国所采用过的大地坐标系统； 3、了解与参心坐标系建立相关的概念； 4、了解地心坐标系建立的意义和方法； 5、了解地心坐标系的参数； 6、熟悉WGS－84大地坐标系统； 7、了解天球坐标系建立的意义和方法； 8、掌握天球球面坐标系的计算方法。 GPS测量技术是通过安置于地球表面的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的时间系统，即天球坐标系与地球坐标系。天球坐标系是一种惯性坐标系，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。地球坐标系则是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位置。并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，从而实现坐标系之间的转换。 主要介绍几种天球坐标系和地球坐标系，以及坐标系之间的转换模型；GPS时间系统。 1 概述 由GPS定位的原理可知，GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星站距离来确定接收机或测站的位置。而位置的确定离不开坐标系。GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标系相同之处甚多，但也有其显著特点，主要是： ①由于GPS定位以沿轨道运行的GPS卫星为动态已知点，而GPS卫星轨道与地面点的相对位置关系是时刻变化的，为了便于确定GPS卫星轨道及卫星的位置，须建立与天球固连的空固坐标系。同时，为了便于确定地面点的位置，还须建立与地球固连的地固坐标系。因而，GPS定位的坐标系既有空固坐标系，又有地固坐标系。 ②经典大地测量是根据地面局部测量数据确定地球形状、大小，进而建立坐标系的，而GPS卫星覆盖全球，因而由GPS卫星确定地球形状、大小，建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标系，而不是以区域大地测量数据为依据建立的局部坐标系，如我国1980年国家大地坐标系。 ③GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量，常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。 ④对于小区域而言，经典测量工作通常无须考虑坐标系的问题，只需简单地使新点与已知点的坐标系一致便可，而GPS定位中，无论测区多么小，也涉及到WGS-84地球坐标系与当地参心坐标系的转换问题。这就对从事简单测量工作的技术人员提出了较高的要求——必须掌握坐标系的建立与转换的知识。 由此可见，GPS定位中所采用的坐标系比较复杂。为便于读者学习掌握，可将GPS定位中所采用的坐标系进行如表5—l分类： 表5—l GPS测量坐标系分类 坐标系分类 坐标系特征 ①空固坐标系与地固坐标系 空固坐标系与天球固连，与地球自转无关，用来确定天体位置较方便。地固坐标系与地球固连，随地球一起转动，用来确定地面点位置较方便。 ②地心坐标系与参心坐标系 地心坐标系以地球的质量中心为原点，如WGS-84坐标系和ITRF参考框架均为地心坐标系。而参心坐标系以参考椭圆体的几何中心为原点，如北京54坐标系和80国家大地坐标系。 ③空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系及平面 直角坐标系 经典大地测量采用的坐标系通常有两种，一是以大地经纬度表示点位的大地坐标系，二是将大地经纬度进行高斯投影或横轴墨卡托投影后的平面直角坐标系。在GPS测量中，为进行不同大地坐标系之间的坐标转换，还会用到空间直角坐标系和球面坐标系。 ④国家统一坐标系与地方 独立坐标系 我国国家统一坐标系常用的是80国家大地坐标系和北京54坐标系，采用高斯投影，分6°带和