GPS原理与应用复习总结要点.pdf
GPS定位原理及应用 第一章绪论 1.1 GPS 卫星定位技术的发展 1.1.1 早期的卫星定位技术 1、无线电导航系统 罗兰 -C ：工作在100KHZ ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM ，一般精度 200-300M。 Omega （奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。 精度几英里。 多卜勒系统： 利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角） ， 推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高 2、早期的卫星定位技术 卫星三角网： 以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星 的方向，来确定地面点的位置的三角网。 卫星测距网： 用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网。 20 世纪 6070 年代，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门协助下，建立了一个 共 45 个点的全球卫星三角网，点位精度5 米。 卫星三角网的缺点： 易受卫星可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低。 1.1.2 子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷 多普勒频移： 多普勒效应是为纪念Christian Doppler 而命名的， 他于 1842 年首先提出了这一理论。 他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高，而在波源远离观察者时变低。因此可利 用频率的变化多少来确定距离的变化量。 多普勒效应的一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更 刺耳。 你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发 动机声。 子午卫星导航系统(NNSS)： 将卫星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普 勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。 子午卫星导航系统的优点： 经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制，且可获得测站的三维地心坐标。 子午卫星导航系统的缺点： 由于卫星数量少，故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低。 1958 年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题， 开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划”。1960 年 4 月，美国发射了世界第一颗子午 导航卫星，传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。美国1964 年建成子午导 航卫星系统，主要由美国海军使用，到1967 年开始正式向民用开放。由于该系统卫星数目 较小（ 5-6颗） ，运行高度较低（平均1000KM ） ，从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均 1.5h ） ，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。单点定位精度约为30 40 米，每次定位约需810 分钟。而各测站观测了公共的17 次合格的卫星通过时，联测定位 的精度才能达到0.5 米左右。 子午导航卫星系统是低轨道导航卫星，它集中了远程无线电导 航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点，仅用 4 颗卫星组成的太空导航星座就 能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维（经纬度） 定位能力， 使全球用户统一于地心坐标 系进行高精度定位，使导航技术产生了革命性突破。 70 年代中期，我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测，国 家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北 地区测设了卫星多普勒定位网。 前苏联卫星导航系统（CICADA ） ： 12 颗宇宙卫星组成，也存在上述缺点。 1.1.3 GPS全球定位系统的建立 GPS全球定位系统： 全球定位系统（Global Positioning System - GPS ）是美国从本世纪70 年代开始研制， 历时 20 年，耗资 200 亿美元，于1994 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维 导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 GPS计划实施的三个阶段： 1) 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973 年到 1979 年，共发射了4 颗试验卫 星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 2) 第二阶段为全面研制和试验阶段。从 1979 年到 1984 年， 又陆续发射了7 颗试验卫星， 研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 3) 第三阶段为实用组网阶段。1989 年 2 月 4 日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明 GPS 系统进入工程建设阶段。 1993 年底实用的GPS网即（ 21+3）GPS星座已经建成，今后将根 据计划更换失效的卫星。 为了改进 GPS系统，美国计划并发射了第三代GPS卫星。 表 1 GPS 卫星的发展概况 卫星类型 卫星数量 / 颗 发射时间/ 年 用途 第一代Block I 11 1978 1985 试验 第二代 Block II,IIA 28 1989 1996 正式工作 第三代 Block IIR,IIF 33 1997 2010 改 进GPS 系统 注： Block IIA(A=Advanced),IIR(R=Replacement),IIF(F=Follow on) GPS系统包括三大部分： 1) 空间部分 GPS卫星星座； 2) 地面控制部分地面监控系统； 3) 用户设备部分GPS信号接收机。 GPS卫星星座的基本参数： 1) 卫星数 21+3 颗； 2) 6 个卫星轨道面，轨道倾角55 度； 3) 卫星高度为20200km,卫星运行周期为11 小时 58 分； 4) 载波 L1 频率为 1575.42MHz，L2 为 1227.60MHz。 GPS工作卫星情况： 1) 在轨重量843.68kg ，设计寿命七年半； 2) 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电； 3) 有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30 度的电磁波束； 4) 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式， 使卫星天线始终对准地心。 过天顶的卫星可见时间为5 小时，在地表任意地点及任何时刻，在高度角15 度以上， 平均可同时观测到6 颗卫星， 最多可达9 颗卫星， 但随着第三代GPS卫星的发射， 可观测到 的卫星个数大大增多。 GPS接收机： 采用码分多址（CDMA ）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。 通信领域的联通CDMA 手机应用了此技术。 经近 10 年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显 著特点， 赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、 航空摄影测量、 运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科， 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 1.1.4 GLONASS 全球导航卫星系统 GLONASS 全球导航卫星系统的建成： 前苏联于 1982 年开始发射GLONASS 卫星， 至 1996 年共发射 24+1 颗卫星， 经数据加载， 调整和检验，于1996 年 1 月 18 日系统正式运行，主要为军用。 其原理和系统组成与GPS系统类似。 主要特点： 1、GLONASS 卫星的识别方法采用频分复用制，L1 频率为 1.602 1.616GHz, 频道间隔为 0.5625MHz； L2 频率为 1.246 1.256GHz, 频道间隔为0.4375MHz。 2、GLONASS 卫星上均装由激光反射镜，地面控制站组（GCS ）对卫星进行激光测距，对 测距数据作周期修正。 3、GLONASS 系统民用不带任何限制。不收费。 4、民用的标准精度通道（CSA ）精度数据为：水平精度为5070m ，垂直精度75m ，测 速精度 15cm/s, 授时精度为1s。 卫星定位系统的集成： 目前已有GPS与 GLONSS 集成的接收机， 这样 GLONSS 可与 GPS卫星一起定位， 使可 接受的卫星数目增加一倍，提高定位精度， 也可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能 控制，提高定位的可靠性和安全性。 1.1.5 伽利略 (Galileo)GNSS系统 Galileo系统建设始于2002 年，计划 2008 年投入使用， 我国参与了该系统的投资建设， 是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。 卫星星座： 30 颗卫星均匀分布在3 个中高度圆轨道平面上，轨道高度23616km，倾角 56 度。 地面任一地点任一时间可见到4 颗 Galileo卫星，达到全天候、实时导航和定位。与 GPS/GLONASS 有机地兼容，增强系统使用的安全性和完善性。 表 2 三种卫星系统比较 卫 星 系 统GLONASS GPS Galileo 卫 星 数 （ 颗 ）21+3 21+3 27+3 轨 道 面 数 （ 个 ）3 6 3 轨 道 倾 角 （ 度 ）64.8 55 56 平 均 高 度 （ km ）19100 20200 23616 周 期 （ hm）11h15m 11h58m 14h 卫 星 射 电 频 率L1 1602-1616MHz 1575.42MHz 1561-1569MHz 卫 星 射 电 频 率L2 1246-1256MHz 1227.6 MHz 1224-1232MHz C/A 码 频 率511 kHz 1.023 MHz 1176.75 MHz (E 1.1.6 双星导航定位系统( 北斗一号 ) 系统组成：北斗导航定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端。 星座由 2 颗 1颗（备用）的地球同步卫星组成。 其特点为：主动式、全天候、区域性、短信通讯和低动态。 功能： 1、定位2、通讯 3、授时 第一章绪论 1.2 GPS 系统组成 GPS系统包括三大部分： 空间部分 GPS卫星星座； 地面控制部分地面监控系统； 用户设备部分GPS信号接收机。 1.2.1 GPS工作卫星及其星座 GPS卫星星座的基本参数： 卫星数 21+3 颗； 6 个卫星轨道面，轨道倾角55 度； 卫星高度为20200km,卫星运行周期为11 小时 58 分； 载波 L1 频率为 1575.42MHz，L2 为 1227.60MHz。 GPS工作卫星情况： 在轨重量 843.68kg ，设计寿命七年半； 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电； 有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30 度的电磁波束； 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫 星天线始终对准地心。 1.2.2 地面监控系统 GPS的地面监控系统包括一个主控站、五个监控站和三个注入站。 主控站位于美国克罗拉多（Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地，它的作用是根据 各监控站对GPS的观测数据， 计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过 注入站注入到卫星中去；同时， 它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故 障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。 监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii ） 、阿松森群岛 （Ascencion ） 、迭哥伽西亚（Diego Garcia） 、卡瓦加兰（Kwajalein ） ，监控站的作用是接 收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站分别位于阿松森群岛（Ascencion ） 、迭哥伽西亚（Diego Garcia） 、卡瓦加兰 （Kwajalein） ， 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星 中去。 1.2.3 GPS信号接收机 GPS的用户部分由GPS接收机、 数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所 组成。 GPS接收机采用码分多址（CDMA ）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统 的稳定性。 它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三 个部分共同组成了一个完整的GPS系统。 第 1.1 1.2 1.3 节 GPS定位原理及应用授课教案 第一章绪论 1.3 GPS 在国民经济建设中的应用 1.3.1 GPS系统的特点 GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。 1、定位精度高 应用实践已经证明， GPS 相对定位精度在50KM 以内可达 10-6 ， 100-500KM可达 10-7 ， 1000KM可达 10-9 。在 300-1500m 工程精密定位中，1 小时以上观测的解其平面其平面位置 误差小于1mm ，与 ME-5000 电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,较差中 误差为 0.3mm 。 2、观测时间短 随着 GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅 需 15-20 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流 动站观测时间只需1-2 分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。 3、测站间无须通视 GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造 标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可 省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。 4、可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的 三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。 5、操作简便 随着 GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接 收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。 使野外工作变得轻松愉快。 6、全天候作业 目前 GPS观测可在一天24 小时内的任何时间进行, 不受阴天黑夜、 起雾刮风、 下雨 下雪等气候的影响。 7、功能多、应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时 的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的 主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能 够达到上述目的， 而且用 GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静 态相对定位， 米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精 度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。 1.3.2 GPS系统的应用前景 1、GPS的最初用途 GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用 GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞 机提供位置和导航信息等。 2、GPS系统用途广泛 目前， GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆 地的导航， 导弹的制导， 大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对 于测绘领域， GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球 性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋 测绘； 用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量， 成为建立城市与工程控制网 的主要手段。 用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制 的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。 许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线 通信技术。一些 GPS接收器集成了收音机、 无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。 3、多元化空间资源环境的出现 目前， GPS ，GLONASS，INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的 空间资源环境。 这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方 面对现有系统充分利用，一方面积极筹建民间GNSS 系统，待到2010 年前后， GNSS 纯民间 系统建成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的 依赖， 形成国际共有、 国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手 段的最高应用境界。国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出 更开放的调整。 总之，由于多元化空间资源环境的确立，给 GPS的发展应用创造了一个前所 未有的良好的国际环境。 4、发展 GPS产业 今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统 WAAS（即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具 有 C/A 码功能， 形成广域GPS增强系统） 计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产 车载 GPS系统。为发展我国的GPS产业，武汉已经成立中国GPS工程中心。 5、GPS的应用将进入人们的日常生活 最近几年， 越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。 随着技术的进步，这 些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌， 尺寸也越来越小了。 两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久 的 GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。 消费类 GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12 个并行通道 和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/ 下载 GPS信息，并且使用精确到街道 级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。 GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式 的 GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS ，但有人 预言， GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS 。GPS就象移动电 话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。 1.3.3 我国的 GPS定位技术应用和发展情况 新中国成立后， 我国的航天科技事业在自立更生、艰苦创业的征途上， 逐步建立和发展， 跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从1970 年 4 月把第一颗人造卫星送 入轨道以来， 我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开 展创造了有利条件。 70年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造 卫星观测仪器。 其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践， 完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980 年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联 测。 80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测 绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。 80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国 自己的卫星导航系统。至今十多年来， 据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在 4 万台左右，其中测量类约500-700 台，航空类约几百台，航海类约3 万多台，车载类数千 台。而且以每年2 万台的速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。 在大地测量方面，利用 GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精 度的地心坐标， 测定和精化大地水准面。组织各部门 (10 多个单位， 30 多台 GPS双频接收机 ) 参加 1992 年全国 GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于02m ，点间 位置精度优于108。在我国建成了平均边长约100km 的 GPSA级网，提供了亚米级精度地 心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为30100km的 B级网，全国 约 2500 个点。 A、B级 GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国务部门的测绘工作，建 立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛 屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。 在工程测量方面，应用 GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和 矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加 密测图控制点， 应用 GPS实时动态定位技术( 简称 RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放 样。 在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航 摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。 在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已 开始用 GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立 了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。 GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。 我国的全球定位系统(GPS)测量规范已于1992 年 10 月 1 日起实施。 此外，在军事部门、交通部门、邮电部门，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气 象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等 领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。 在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS 静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养 和造就了一大批技术人才和产业队伍。 近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS 跟踪站， 进行对 GPS卫星的精密定轨， 为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服 务，致力于我国自主的广域差分GPS(WADGPS)方案的建立，参与全球导航卫星系统(GNSS)和 GPS增强系统 (WAAS) 的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统( 双星定位系统 ) ， 能够生产导航型和测地型GPS接收机。 GPS技术的应用正向更深层次发展。 为了适应GPS技术的应用与发展，1995 年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委 员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。 第二章坐标系统和时间系统 2.1 天球坐标系和地球坐标系 理解各种坐标系统的定义和相互关系。 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：天球坐标系和地球坐标系。 由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。 不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到 另一个坐标系去。 2.1.1天球坐标系 天球坐标系是利用基本星历表的数据把基本坐标系固定在天球上，星历表中列出一定数 量的恒星在某历元的天体赤道坐标值，以及由于岁差和自转共同影响而产生的坐标变化。常 用的天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。 在天球坐标系中， 天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式 来描述。 1. 天球空间直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，Z 轴指向天球北极，X 轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面， 与 X轴和 Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。 2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 ， ） 。 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： 图 2-1 天球直角坐标系与球面坐标系 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： coscos sincos(21) sin Xr Yr Zr 222 22 arctan(/)(22) arctan(/ rXYZ YX ZXY 2.1.2地球坐标系 地球坐标系有两种几何表达方式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。 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。 2. 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： 图 2-2 地球直角坐标系和大地坐标系 对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系： 2 ()coscos ()cossin(23) (1)sin XNHBL YNHBL ZNeHB 222 2 arctan( /) arctan()/(1)(24) /sin(1) LYX BZ NHXYNeH HZBNe 式 中 ， BeaN 22 s i n1/ ， N为 该 点 的 卯 酉 圈 曲 率 半 径 ； 2222 /)(abae ， ea, 分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一偏心率。 2.1.3站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 1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 XYZO 。 以 P1 为原点建立与 XYZO 相应坐标轴平行的 _ 1 ZYXP 坐标系叫站心赤道直角坐标 系。 显然， _ 1 ZYXP 同 XYZO 坐标系有简单的平移关系： _ _ 2 _ ()coscos ()cossin(2-5) (1)sin X XNHBL YNHBL Y Z NeHB Z 2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： ) 52( sin0cos sincoscossinsin coscossincossin PB-90RL180R yyz _ _ _ BB LBLLB LBLLB z y x Z Y X 地平 站赤 ）（ 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： )72( sin)1( sincos)( coscos)( sin0cos sincoscossinsin coscossincossin 2 BHeN LBHN LBHN z y x BB LBLLB LBLLB Z Y X 3站心地平极坐标系 以测站 P1为原点，用测站P1 至卫星 s 的距离 r 、卫星的方位角A、卫星的高度角h 为 参数建立的与站心地平直角坐标系P1 xyz 相等价的坐标系称为站心地平极坐标系P1 rAh。 站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的关系为： 222 22 coscosh sincosh(28) sinh tan(/)(29) tan(/) xrA yrA zr rxyz Aarcy x harczxy 2.1.4卫星测量中常用坐标系 1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。 2. 固 定 极 天 球坐标系平天球坐标系 由于瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化，对研究卫星的运动很不方便，需要建立 一个三轴指向不变的天球坐标系平天球坐标系。即选择某一历元时刻，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，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。 （1）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。由于岁差导致地球自转轴的运动使二坐标系z 轴产生夹角 A；同理， 因岁差导致春分点的运动使二坐标系的x 轴 XM(t0) 与 XM(t) 产生夹角 A ，ZA。通过旋转变 换得到这样两个坐标系间的变换式为： 0 ( )() ()()()(211) zAyAzA MtMt xx yRZRRy zz 式中： A ， A，ZA为岁差参数。 （2）章动旋转变换 类似地有章动旋转变换式： ( )( ) ()()( )(212) xzx c tMt xx yRRRy zz 式中： 为所论历元的平黄赤交角， 分别为黄经章动和交角章动参数。 3. 固定极地球坐标系平地球坐标系 （1）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。 （2）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。依瞬时地球自转轴定向的坐标系称为瞬时极地球坐标系。 （3）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。平地球坐标系 的 z 轴指向 CIO。 图 2-5 为瞬时极与平极关系 （4）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： ()()(213) ypxp emet xx yRxRyy zz 下标 em表示平地球坐标系，et 表示 t 时的瞬时地球坐标系，为 t 时刻以角度 表示的极移值。 4、坐标系的两种定义方式与协议坐标系 通常，理论上坐标系的定义过程是先选定一个尺度单位，然后定义坐标原点的位置和坐标轴 的指向。实际应用中，在已知若干测站点的坐标值后，通过观测又可反过来定义该坐标系。 前一种方式称为坐标系的理论定义。而由一系列已知测站点所定义的坐标系称为协定坐标 系。 第二章坐标系统和时间系统 2.2 WGS-84 坐标系和我国大地坐标系 2.2.1 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。 WGS-84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 3 108m3s-2±0.6 3 108m3s-2； pp yx , 正常化二阶带谐系数：C20=-484.16685 3 10-6±1.3 3 10-9； C20=-J2/5 J2=1082633 10-8 地球自转角速度： =72921153 10-11rads-1±0.150 3 10-11rads-1 建立 WGS-84 世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。 2.2.2 国家大地坐标系 1.1954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。 2.1980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。 3. 新 1954 年北京坐标系（BJ54 新） 新 1954 年北京坐标系（BJ54新）是由1980 年国家大地坐标系（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。 2.2.3 地方独立坐标系 在生产实际中， 我们通常把控制网投影到当地平均海拔高程面上，并以当地子午线作为 中央子午线进行高斯投影建立地方独立坐标系。地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高 程对应的参考椭球地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相 同，其长半径则有一改正量。 设地方独立坐标系位于海拔高程为h 的曲面上， 该地方的大地水准面差距为，则该曲 面离国家参考椭球的高度为： )142(hdN 又由独立坐标系的定义知： )152(/adaNdN 于是，地方参考椭球和国家参考椭球的关系可以表述为： 000 000(216) 000(217) (218) (/) (219) xyz L L XYZ dadNNa aada 中心一致： 轴向一致： 扁率相等： 长半径有一增量： 讨论：在测量生产实践中，我们常用到哪些坐标系？ 第二章坐标系统和时间系统 2.3 坐标系统之间的转换 掌握不同空间直角坐标系统之间的换算方法，了解不同大地坐标系之间的换算。 在实际的应用中往往已知空间点对于某一坐标系的坐标，需要计算它对于另一坐标系的 坐标， 因此就要进行坐标的转换。具体解法可分成两大类：其一是利用球面三角有关公式求 解；其二是利用直角坐标转换关系求解。 2.3.1 不同空间直角坐标系统之间的转换 进行不同空间直角坐标系统之间的坐标转换，需要求出坐标系统之间的转换参数。转换 参数一般是利用冲核电的两套坐标值通过一定的数学模型进行计算。当重合点数为三个以上 时，可以采用布尔莎七参数法进行转换。 设 XDi 和 XGi 分别为地面网点和GPS网点的参心和地心坐标向量。由布尔莎模型可知： )202()()()()1( GizyxDi XRRRkXX 式中， ),(),(),(ZYXXZYXXZYXX GiGiGiGiDiDiDiDi 是平移参数 矩阵， k 是尺度变化参数。 ZYX , 为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称欧勒角，与它相对应的 旋转矩阵分别为： XX XXX R cossin0 sincos0 001 )(
