全球定位系统概论之坐标系统和时间系统.ppt

* 全球定位系统概论 资源与环境学院 林承达 linchengda@mail.hzau.edu.cn 第二章 坐标系统和时间系统 坐标系统与时间系统是描述卫星运动处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础 地形面、参考椭球面和大地水准面 坐标和坐标系 坐标 定义：用于在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定点的位置的一组数。 坐标系 定义：坐标系则是一种在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法，是测量参照系的核心数学元素。 类型：笛卡尔坐标系、曲线坐标系 位置基准和坐标参照系 基准 基准（Datum）指的是一组用于描述其它量的量。 位置基准 定位中被用作测量或计算基础的点、线或面，如： 用于定义天体参照系的天球、赤道面、黄道面、春分点， 用于定义大地坐标系的参考椭球及其定位和定向， 用于定义高程参照系的大地水准面 位置基准和坐标参照系 坐标参照系 定义：提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。（IERS） 坐标参照系的确定：需要确定其原点、轴向及尺度。 坐标参照系的类型 天球参照系 CRS – Celestial Reference System 也被称为空固系（Space-fixed Reference System ） 地球参照系 TRS – Terrestrial Reference System 也被称为地固系（Earth-fixed Reference System） 参考框架 坐标参照系的实现 问题：坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也不易于使用。 参考框架 - 坐标参照系的实现。 参考框架 定义：参考框架是一组具有相应参照系下坐标及其时间演变的点。 理论依据：一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一个尺度。 坐标系转换与基准转换 两种类型的坐标转换 坐标系转换与基准转换 坐标系转换 同一点的坐标在相同基准或参照系下由一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标，如空间直角坐标与大地坐标之间的相互转换。 坐标系转换实际上是不同坐标表达方式间的变换。 基准转换 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。 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 与地球体固联的坐标系统：对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便 2.1 天球坐标系与地球坐标系 天球坐标系 描述人造卫星的位置采用球面坐标系 大地坐标系 空间直角坐标系/笛卡尔坐标系 笛卡尔坐标系 坐标轴相互正交的坐标系。 空间直角坐标系 三维笛卡尔坐标系。 测量中的空间直角坐标系 大地基准与大地/椭球坐标系 大地基准（Geodetic Datum） 用于定义地球参考椭球的一系列参数，包括： 椭球的大小和形状：通常用长半轴（Semi-major Axis） 和扁率（Flattening） （或偏心率（Eccentricity） ）来表示； 椭球短半轴（Semi-minor Axis）的指向（Orientation）：通常与地球的平自转轴平行； 椭球中心的位置：根据需要确定，地心椭球的中心位于地球的质心； 本初子午线（Prime Meridian）：通过固定平极和经度原点的天文子午线，通常为格林尼治子午线。 大地基准与大地/椭球坐标系 大地/椭球坐标系 定义：以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地坐标系，由于大地基准又是以参考椭球为基础，因此，又被称为椭球坐标系。 大地坐标 大地纬度（B） 大地经度（L） 大地高/椭球高（H） 大地坐标系 大地坐标系 参考面长半轴为a，短半轴b为旋转轴的椭球面；椭球面几何中心与直角坐标系原点重合，短半轴与直角坐标系Z轴重合。 地球坐标系的其它表达形式 地球参心坐标系 天文坐标系 站心坐标系 高斯平面直角坐标系 天球坐标系与地球坐标系 理解：地球坐标是把地球视为理想球体，以其旋转轴两极的最短球面连线为经线，垂直于经线的是纬线形成的角度坐标系。 而宇宙中的星体位置远近不一，所以以地球为球心，将星体沿球径投影到某个假想球面上，来表示星体的角位置。 区别：天球坐标是天文用的，地球坐标是地理用的；天球坐标能描述星体相对于地球的角度位置，地球坐标只描述物体在地球表面的位置。 它们都是角坐标系，但是地球坐标是以地球表面为球面的，是有半径的；而天球坐标与半径无关，只要是某一球面即可。 2.2 WGS－84大地坐标系 几何定义： 坐标系的原点是地球质心。