演示文稿2-坐标系统与时间系统_55565.ppt

Global Positioning System Global Positioning System 第二章  坐标系统和时间系统 概 述 测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。 §1 地球的形状 一 地球的自然表面 地球的自然表面（简称为地面），是地球的陆地和海洋相对于大气的分界面，是高低不平和变化异常的似椭球面。它的最高处——珠穆朗玛峰距离平均海水面8844.43m，它的最低处——马里亚纳海沟低于平均海水面11034m，高低相差近20Km。如此起伏异常的地面，就是GPS卫星导航定位的作业面。 二 大地水准面 地面，虽起伏异常，高低相差甚大，但相对6371Km的地球平均半径而言，其比值亦不过1/318.9。因此，人们设想用占地面70.9%的海水面表述地球形体。 水准面、水平面、大地水准面 二 大地水准面 陈永龄院士1958年将其定义为：“假定海洋的水体处在完全静止和平衡的状态，没有潮汐风浪等影响，海洋的表面以及由它延长到大陆的下面，并到处保持着与垂线方向相交成直角这一特征的整个成闭合形状的面，就是大地水准面” 。 二 大地水准面 大地水准面所包围的地球形体，称为大地体，是唯一确定的地球形状和大小。实际上因地球内部质量分布的不均匀性等原因，导致大地体也是一个凹凸不平的似球体。例如，在东经80°和北纬5 °处，凹陷106m，在东经150°和北纬5 °处，大地体却隆起80m。因此，大地水准面仍不能作为GPS卫星导航定位的数据处理的计算基准面。 三 参考椭球体 经过长期的理论研究和实践表明，当一个通过南北极的子午椭圆绕地球南北两极旋转一周而形成一个旋转椭球体，用其椭球面代替大地水准面，是一个理想的计算基准面，亦即，用两极稍扁的旋转椭球体取代大地体。 三 参考椭球体 一个与大地体符合最好的最为接近地球形状和大小的旋转椭球，称为参考椭球体。 三 参考椭球体 其具体条件是： 参考椭球体的体积等于大地体的体积，且其表面与大地水准面之间的差距之平方和为最小。 参考椭球体的总质量等于地球的总质量，且其椭球中心与地球重心相重合，椭球赤道平面亦与地球赤道一致。 参考椭球体的旋转角速度等于地球的旋转角速度。 四 投影 前面已经讲过，椭球面是处理测量计算问题的基准面，并通过地面观测元素归算到椭球面，解决了地面同椭球面这对矛盾，从而测量数据完全有可能在椭球面上进行计算了。 四 投影 然而实践证明，在椭球面上进行各种计算并不简单，甚至可以说是相当复杂和繁琐的，对于国民经济建设中的应用十分的不适应。因此，为了便于测量计算和生产实践，我们还需要将椭球面上的元素化算到平面上，并在平面直角坐标系中采用大家熟知的简单公式计算平面坐标。 四 投影 这样，椭球面和平面两者又构成了一对矛盾，这对矛盾的解决就是研究椭球面上的元素向平面转化的问题，通常称为地图投影，简称为投影。我国当前采用的是高斯—克吕格投影，简称高斯投影。 §2 坐标系统的类型 坐标系统的类型 在宇宙中，地球有两种不同的运转方式，就是围绕地球旋转轴的自转和围绕太阳的公转。同理就有两种不同的坐标系统： 空固坐标系：与地球自转无关、在空间固定的坐标系统 地固坐标系：与地球体相固连的坐标系统 坐标系统的类型 空固坐标系——天球坐标系 岁差与章动 地固坐标系——地球坐标系 地极的移动 坐标系统的类型 1. 空固坐标系，对于描述卫星的运行位置和状态极其方便。 GPS卫星 围绕地球质心旋转 空间位置与地球自转无关 天球坐标系 描述人造地球卫星的位置 坐标系统的类型 2. 地固坐标系，对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据非常方便。 观测站 固定在地球表面 空间位置随地球自转而运动 地球坐标系 描述地面观测站的位置 §3 天球坐标系 一 天球上的点和圈 天球（celestial?sphere ）：天文学中为便于研究天体的位置和运动而引进的假想圆球面。天球中心视问题不同而任意选取，如观测者、地心或日心等；天球的半径为任意长，可以当作数学上的无穷大。通过天球中心与天体的连线（如观测者的视线）把天体投影到天球面上，该点就是天体在天球上的位置。天球可有助于把天体方向之间的相互关系化为球面上点与点之间的大圆弧段。通过在天球上建立参考坐标系并应用球面三角学的方法易于对这些关系进行研究。 一 天球上的点和圈 天极：地球自转的中心轴线简称地轴，将其