GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

1、坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)2.1概述2.1.1坐標(biāo)系統(tǒng)的重要性坐標(biāo)系統(tǒng)是一切測(cè)量工作的位置基準(zhǔn)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)，貫穿于測(cè)繪科學(xué) 與技術(shù)的各分支之中。GPS定位技術(shù)是通過(guò)安置于地球表面的GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào) 以測(cè)定地面點(diǎn)位置的技術(shù)。觀測(cè)站固定在地球表面，其空間位置隨同地球的自轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)；GPS 衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，需要建立衛(wèi)星在其軌道上運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。因此, GPS定位必須尋求兩種坐標(biāo)系之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。2.1.2時(shí)間系統(tǒng)的重要性時(shí)間作為精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，是GPS系統(tǒng)中的 重要量測(cè)值，其精度將直接影響GPS定位的精

2、度。衛(wèi)星位置：若欲使衛(wèi)星位置誤差小于lcm,相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.6X10-6S； (2) 星站距離：若欲使距離誤差小于1cm，信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)不超過(guò)3X10-10 (3)地 球上點(diǎn)的位置：若欲使赤道上一點(diǎn)的位置誤差小于1cm,時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)不超過(guò)2X10-5so(4) GPS授時(shí)測(cè)量對(duì)時(shí)間的測(cè)定精度要求更高。2.1.3坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系可以看出GPS定位的 坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)密不 可分，且兩者的融合構(gòu)成 四維大地測(cè)量學(xué)的基準(zhǔn)。 2.2坐標(biāo)系統(tǒng)在GPS定位測(cè)量中， 采用天球坐標(biāo)系和地球坐 標(biāo)系兩類坐標(biāo)系：地球坐 標(biāo)系隨同地球自轉(zhuǎn)，可看 作固定在地球上的坐標(biāo) 系，便于描述地面觀

3、測(cè)站 的空間位置；天球坐標(biāo)系 是一種慣性坐標(biāo)系，與地 球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，便于描述人 造地球衛(wèi)星的位置。2.2.1協(xié)議天球坐標(biāo)一、天球及其相關(guān)概念(見(jiàn)圖2-1)(1)天球：以地球質(zhì)心為中心，半徑無(wú)窮大的理想球體?？勺鳛樘祗w的投影面，以研 究其位置、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相互關(guān)系。圖2-2天球坐標(biāo)系天軸和天極：前者指地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線；天軸和天球表面的交點(diǎn)稱為天極P, PN和PS圖2-2天球坐標(biāo)系天球赤道面和天球赤道：前者指通過(guò)地球質(zhì)心并與天軸垂直的平面，其與天球表 面的交線為天球赤道。黃道面、黃道和黃極：地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的軌道平面為黃道面；其與天球表明相 交的大圓為黃道，即我們看到的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡；過(guò)天球中心并

4、垂直于黃道平面的直線和天球 表面的交點(diǎn)為黃極，分黃北極和黃南極。春分點(diǎn)：太陽(yáng)在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)Y。黃赤交角：黃道平面和天球赤道面的夾角&。天球子午面與子午圈、時(shí)圈：包含天軸并通過(guò)天球面上任意一點(diǎn)的平面稱為天球 子午面，天球子午面和天球表面相交的大圓稱為天球子午圈，通過(guò)天軸的平面和天球表面相 交的半個(gè)大圓稱時(shí)圈。二、天球坐標(biāo)系原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向和長(zhǎng)度單位構(gòu)成坐標(biāo)系統(tǒng) 的三要素，因此，應(yīng)從上述三個(gè)方面描述坐標(biāo)系統(tǒng)。 常見(jiàn)的天球坐標(biāo)系包括天球空間直角坐標(biāo)系和天球球 面坐標(biāo)系兩種形式。天球空間直角坐標(biāo)系：以地心M為坐標(biāo)原點(diǎn)， 其Z軸指向北天極，X軸指向春分點(diǎn)，Y

5、軸垂直于XOZ 軸并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中天體的位置為(x, y，z)。 以地心M為坐標(biāo)原點(diǎn)，赤經(jīng)a為含天軸和春分點(diǎn)的天 球子午面與過(guò)天體s的天球子午面之間的夾角，赤緯 為原點(diǎn)M至天體s的連線與天球赤道面之間的夾角； 向徑r為原點(diǎn)M至天體s的距離，各軸正向如圖2-2 所示。歲差與章動(dòng)日月對(duì)地球的引力產(chǎn)生力距，從而使地球自轉(zhuǎn)軸的方向在慣性空間緩慢地移動(dòng)?？梢詫?運(yùn)動(dòng)分解為一個(gè)長(zhǎng)周期變化和一系列短周期變化的疊加。地球自轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)周期變化約25800圖2-3歲差和章動(dòng)示意圖年繞黃極一周。使春分點(diǎn)產(chǎn)生每年約50.26的長(zhǎng)期變化，稱之為日月歲差。一系列短日、 月周期變化中幅值最大的約為9.2，周期為1

6、8.6年，這些短周期變化統(tǒng)稱為章動(dòng)。 歲 差使北天極繞黃北極以順時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)，構(gòu)成如圖2-3所示的以黃赤交角&為的小圓。這種有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北極稱為平北天極，相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為天球平赤道和平春分 點(diǎn)；若把觀測(cè)時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極（簡(jiǎn)稱真北天極），相應(yīng)瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分 點(diǎn)（或稱真天球赤道和真春分點(diǎn)），章動(dòng)將使真北天極繞平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌跡見(jiàn)圖2-3。 四、協(xié)議天球坐標(biāo)系（一）協(xié)議天球坐標(biāo)系在歲差和章動(dòng)的影響下，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向是不斷變化的。在這樣的坐標(biāo)系 中不能直接使用牛頓第二定律，這對(duì)研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)很不方便。因此需要建立一個(gè)三軸指向 不變的天球坐標(biāo)系，以便在這個(gè)坐

7、標(biāo)系內(nèi)研究人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)（計(jì)算衛(wèi)星的位置）。而在這 個(gè)坐標(biāo)系中所得到的衛(wèi)星位置又可以方便地變換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系中的值，以便與地球坐標(biāo) 系進(jìn)行坐標(biāo)變換。為此，選擇某一個(gè)歷元時(shí)刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點(diǎn)方向分別扣 除此瞬間的章動(dòng)值作為z軸和x軸指向，y軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向，坐標(biāo)系原點(diǎn)與真天球 坐標(biāo)系相同。這樣的坐標(biāo)系稱為該歷元時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議天球坐標(biāo)系。國(guó)際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)（IAG）和國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）決定，從1984年1月1日 后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向是以2000年1月15日太陽(yáng)質(zhì)心力學(xué)時(shí)（TDB） 為標(biāo)準(zhǔn)歷元（記為J2000.0）的赤道和春分點(diǎn)所定義的。

8、（二）天球坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到觀測(cè)歷元t的瞬時(shí)天球坐標(biāo)，可分兩步進(jìn)行： 首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)換算到瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系；然后將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系統(tǒng)。表 2-1 為三種天球坐標(biāo)系統(tǒng)的定義與縮寫。x1cos zx1cos z- sin zy=sin zcos zzI00M01 cos 00 0in 00 - sin 0cos 匚10 sin 匚0 cos 0 II 0-sin 匚cos匚0 x1yzICIS表 2-1 三種天球坐標(biāo)系定義與縮寫天球坐標(biāo)系原點(diǎn)Z軸X軸坐標(biāo)系縮寫協(xié)議天球坐標(biāo)系地心標(biāo)準(zhǔn)歷兀平天極標(biāo)準(zhǔn)歷兀平春分點(diǎn)CIS平天球

9、坐標(biāo)系地心瞬時(shí)平天極瞬時(shí)平春分點(diǎn)M瞬時(shí)天球坐標(biāo)系地心瞬時(shí)真天極瞬時(shí)真春分點(diǎn)t1）將協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系（歲差旋轉(zhuǎn)）2-1)公式中z、0、G分別表示與歲差有關(guān)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，公式中的3X3矩陣為歲差旋轉(zhuǎn)矩陣。2）將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系（章動(dòng)旋轉(zhuǎn)）x1 100cos A 屮cos(x1 100cos A 屮cos(s + Ae) sin(e + Ae)-sin(e + Ae)cos(e + Ae)sin A屮-sin A屮cos A屮00 1 xsinecos e2-2)公式（2-2公式（2-2）中 eAe、A分別表示黃赤交角、交角章動(dòng)和黃經(jīng)章動(dòng)。根據(jù)以上兩個(gè)公式，可

10、將協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的公式簡(jiǎn)化為xxy=R Rxxy=R Rxzx zyzyzztCIS系，則稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。222協(xié)議地球坐標(biāo)系一、地球坐標(biāo)系為了表達(dá)地面觀測(cè)站的位置，需采用固 聯(lián)在地球上、隨同地球自轉(zhuǎn)的地球坐標(biāo)系。 地球空間直角坐標(biāo)系以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原 點(diǎn)，以地球自轉(zhuǎn)軸作為z軸的正向，與天球 坐標(biāo)系不同的是以地球赤道面與格林威治子 午面交線的方向作為X軸的正向。大地坐標(biāo) 系定義為：地球橢圓中心與地球質(zhì)心重合， 橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為 過(guò)地面點(diǎn)的拖球法線與拖球赤道面的夾角， 大地經(jīng)度L為過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面與格林 威治子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn) 沿

11、橢球法線至橢球面的距離。二、協(xié)議地球坐標(biāo)系(1)極移：由于受到地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響，地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致地極點(diǎn)在地球表面的位置隨時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。為了定量 描述極移，可構(gòu)造一平面直角坐標(biāo)系，取平地極為原點(diǎn)，xp軸指向格林尼治平子午圈，即指 向經(jīng)度為0的方向，yp軸指向經(jīng)度為270的方向。(2)協(xié)議地球坐標(biāo)系：1900年國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)以1900.00至1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極稱為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO,以此作為協(xié)議地極CTP。以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系；與瞬時(shí)極對(duì)應(yīng)的地球坐標(biāo)圖2-5極移分

12、量和極移旋轉(zhuǎn)（3）地球瞬時(shí)坐標(biāo)系與協(xié)議坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：如圖2-5 所示，有瞬時(shí)地球坐標(biāo)系到協(xié)議 地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可通過(guò)繞Xt軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)極移分量Yp和繞Yt軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)極移分量Xp 實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換模型見(jiàn)公式（2-4）。_ X cos X0sin X100 _x10X _X _PpPY=0101cos Y-sin YY01-YYPppZ-sin X0cos Xl_0sinYcos YZ0Y1Z110PPPp1t1p1t2-4)三、天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 根據(jù)協(xié)議天球坐標(biāo)系（x, 三、天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 根據(jù)協(xié)議天球坐標(biāo)系（x, y, z） %和協(xié)議地球坐標(biāo)系（X, Y, 標(biāo)原點(diǎn)和縱軸指

13、向均相同，x和X軸間夾角為春分點(diǎn)的格林威治恒星時(shí)（記為GAST），則y，zZ） %的定義,二者坐瞬時(shí)天球坐標(biāo)系（x, y，z）t轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系（X, Y，Z）t的公式可表示為,xx cos(GAST)sin(GAST)0_xY=R (GAST)zy=-sin(GAST)cos(GAST)0y( 2-5)Zzz001zt t t若記公式（2-4） 中地球瞬時(shí)坐標(biāo)系與協(xié)議坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為 M, 即M = R （-X ）R （-Y ），則瞬時(shí)天球坐標(biāo)系（x, y, z）t轉(zhuǎn)換為協(xié)議地球坐標(biāo)系（X, Y,X xX xY=MR (GAST)zyZzzZ）%的公式為2-6)CIS t則可根據(jù)協(xié)議天

14、球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的公式（2-3）得到協(xié)議天球坐標(biāo)系與協(xié)議 地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換公式（2-7）。2-7)=MR (GAST)2-7)z xzx zyzCIS可以對(duì)協(xié)議天球坐標(biāo)系（x, y, z）驟進(jìn)行歸納總結(jié)CISCIS和協(xié)議地球坐標(biāo)系（X, CIS可以對(duì)協(xié)議天球坐標(biāo)系（x, y, z）驟進(jìn)行歸納總結(jié)CISCIS和協(xié)議地球坐標(biāo)系（X, Y,z）CIS之間的轉(zhuǎn)換步見(jiàn)圖 2-6。協(xié) 議 天 球 坐 標(biāo)歲差旋轉(zhuǎn)Ryz平 天 球 坐 標(biāo)章動(dòng)旋轉(zhuǎn)Rzx真 天 球 坐 標(biāo)真春分點(diǎn)時(shí)角旋轉(zhuǎn)Rz(GAST)真 地 球 坐 標(biāo)極移旋轉(zhuǎn)協(xié) 議 地 球 坐 標(biāo)圖2-6坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換框圖2.2.3國(guó)家坐標(biāo)系與

15、地方坐標(biāo)系2.2.3國(guó)家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系GpS 衛(wèi)星定位測(cè)量是用三維地心坐標(biāo)為依據(jù)測(cè)定和表示點(diǎn)的空間位置,為充分利用已有測(cè)繪成果，需要將GPS測(cè)量成果納入國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系；因此，GPS定位測(cè) 量數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)考慮將GPS測(cè)量成果由世界地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至國(guó)家或地方獨(dú)立坐標(biāo)系。 、地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)橢球：與大地水準(zhǔn)面接近的規(guī)則的具有微小扁率的數(shù)學(xué)曲面，現(xiàn)代大地測(cè)量 中常以橢球的長(zhǎng)半徑a、地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)J2、地球引力常數(shù)與地球質(zhì)量的乘積GM 和地球自轉(zhuǎn)角速度s4個(gè)參數(shù)描述其幾何物理特性。地心坐標(biāo)系：將橢球中心與地球質(zhì)心重合，且與全球大地水準(zhǔn)面最為密合的旋轉(zhuǎn) 橢球。參心坐標(biāo)系

16、：為了研究局部球面的形狀，且使地面測(cè)量數(shù)據(jù)歸算至橢球的各項(xiàng)改 正數(shù)最小，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)分別選擇和某一局部區(qū)域的大地水準(zhǔn)面最為密合的橢球建立坐標(biāo) 系。這樣選定和建立的橢球稱為參考橢球，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系稱為參心坐標(biāo)系。二、國(guó)家坐標(biāo)系(1) 1954年北京坐標(biāo)系：采用前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體，由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū) 的一等鎖，經(jīng)我國(guó)的東北地區(qū)的呼瑪、吉拉林、東寧三個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)傳算；基于1954年北京坐 標(biāo)系的我國(guó)天文大地網(wǎng)未進(jìn)行整體平差；高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差 的結(jié)果為起算值，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算出來(lái)的，而高程又是以1956年青島驗(yàn)潮站的黃 海平均海水面為基準(zhǔn)。缺點(diǎn)：橢球參數(shù)與現(xiàn)代

17、精確的橢球參數(shù)的差異較大，不包含表示地球物理特性的參數(shù)， 給理論和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多的不便；橢球定向不十分明確，既不是指向CIO極，也不是 指向我國(guó)目前使用的JYD極；采用局部分區(qū)平差，參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面呈西高東 低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常最大達(dá)67米。橢球參數(shù)為a = 6378245mf 二 1/298.3(2) 80西安國(guó)家坐標(biāo)系：1978年決定對(duì)我國(guó)天文大地網(wǎng)進(jìn)行整體平差，重新選定橢球, 并進(jìn)行橢球的定位、定向。橢球的短軸由地球質(zhì)心指向1968.0 JYD,起始子午面平行于格 林尼治平均天文子午面，橢球面與大地水準(zhǔn)面在 我國(guó)境內(nèi)符合最好，高程系統(tǒng)采用1956年黃海a = 637

18、8140mGM = 3.986005 x1014m3 - s-2J = 1.08263 x10-32w = 7.292115 x10-5 rad - s-1 平均海水面為高程起算基準(zhǔn)。橢球參數(shù)為 其特點(diǎn)是：采用多點(diǎn)定位原理建立，理論嚴(yán)密， 定義明確;橢球參數(shù)為現(xiàn)代精確的地球總橢球參 數(shù)；橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面吻合得較好；橢球 短半軸指向明確;經(jīng)過(guò)了整體平差,點(diǎn)位精度高。三、站心坐標(biāo)系如果測(cè)量工作以測(cè)站為原點(diǎn)，則所構(gòu)成的坐標(biāo)系稱為測(cè)站中心坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱站心坐標(biāo)系)，分為站心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。站心地平直角坐標(biāo)系：Z軸與過(guò)測(cè)站的橢球法線重合，X軸垂直于Z軸(與過(guò)測(cè) 站的大地子午線相切)并指

19、向橢球的短軸，Y軸與X軸和Z軸一起構(gòu)成左手坐標(biāo)系，如圖 2-7所示。站心極坐標(biāo)系：以測(cè)站的鉛垂線為準(zhǔn)，以測(cè)站點(diǎn)到某點(diǎn)j的空間距離D、天頂距Z天和大地方位角A表示j點(diǎn)的位置。四、地方獨(dú)立坐標(biāo)系基于方便實(shí)用和限制變形目的,選取過(guò)測(cè)區(qū)中心的經(jīng)線或某個(gè)起算點(diǎn)的經(jīng)線作為獨(dú)立的 中央子午線，以某個(gè)特定方便使用的點(diǎn)和方位為起算原點(diǎn)和方位，并選取當(dāng)?shù)仄骄叱堂?Hm為投影面。其參考橢球半徑a1為a = a + Aa IAa = H + g |1M0丿為該地區(qū)的平均高程異常。五、高斯平面直角坐標(biāo)系和UTM（墨卡托） 坐標(biāo)系（略）224 WGS-84坐標(biāo)系一、WGS-84坐標(biāo)系WGS （世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)）屬于協(xié)議

20、地 球坐標(biāo)系，該系統(tǒng)以地球質(zhì)心為原點(diǎn)，Z軸 指向國(guó)際時(shí)間局BIH1984.0定義的協(xié)議地極 CTP,軸指向BIH1984.0定義的零子午面與 CTP相應(yīng)的赤道的交點(diǎn)，Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo) 系。WGS-84坐標(biāo)系采用的地球橢球稱為 WGS-84橢球，其常數(shù)為國(guó)際大地測(cè)量學(xué)與 地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUGG）第17界大會(huì)的 推薦值：長(zhǎng)半軸:a=6378137m2m地球引力常數(shù):GM=3986005 108 0.6 108正?；A帶諧系數(shù)：(m3s-2)C2.0=-484.16685 10-6 1.30 10-6地球自轉(zhuǎn)角速度：w=7292115 10-11 0.15 10-11 (m3s-2)C2.0=

21、-484.16685 10-6 1.30 10-6二、橢球扁率:f84=1/298.257223563三、GPS定位測(cè)量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換我們知道，GPS定位結(jié)果屬于協(xié)議地球地心坐標(biāo)系，即WGS-84,且通常以空間直角坐 標(biāo)（X, Y, Z）或橢球大地坐標(biāo)（B, L, H）的形式給出。而我們所需要的成果一般都是 北京54 （BJZ54）、西安80坐標(biāo)系（GDZ80）或地方獨(dú)立坐標(biāo)系，為此，必須要實(shí)現(xiàn)GPS 坐標(biāo)系與實(shí)用坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。GPS定位測(cè)量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括以下兩種情形，(X, Y, Z)X = (N + H )cos B cos LY = (N (X, Y, Z)X = (N + H )co

22、s B cos LY = (N + H )cos B sin LZ = N (1-e 2) + H sin B=N -聖 + H sin Bb 2L = arctanB = arctanZ (N + H)(X2 + Y2)N(1 - e2) + H丿Z 一 N (1- e 2) sin Ba1 - e2 sin2 B(2)不同的空間直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)換算 常用七參數(shù)法，一般使用布爾莎模型和莫洛金斯基模型。1)布爾莎-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型在該模型中采用了 7個(gè)參數(shù)，分別是3個(gè)平移參數(shù)、(2)不同的空間直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)換算 常用七參數(shù)法，一般使用布爾莎模型和莫洛金斯基模型。1)

23、布爾莎-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型在該模型中采用了 7個(gè)參數(shù)，分別是3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(3個(gè)歐拉角)和1 個(gè)尺度差參數(shù)。該模型的基本轉(zhuǎn)換可分解為平移變換、縮放變換和旋轉(zhuǎn)變換三個(gè)過(guò)程，I從XA正向看向原點(diǎn)A，以 A點(diǎn)為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將 - X YZ繞X軸逆時(shí)縮放轉(zhuǎn)換a平移轉(zhuǎn)換c旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換針旋轉(zhuǎn)X角度，使經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后的Y軸與 -X Yb平面平行;XABII 從Y正A向看向原點(diǎn)0A，以o點(diǎn)為固定A旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，O - X Y ZA AAAYa軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)O Yab角度，使經(jīng)圖2-9布爾莎-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型過(guò)旋轉(zhuǎn)后的Xa軸與O - X Y平面平行，顯然，此時(shí)Z軸也與Z平行; B

24、B BABIII從Za正向看向原點(diǎn)Oa，以O(shè)a點(diǎn)為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將Oa-XaYaZA繞ZA軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，使經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后的X軸也與X平行，顯然，此時(shí)O -X Y Z的三個(gè)坐標(biāo) ZABA AAA軸已與 -X Y Z中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行; B B B BW將W將A - XAYAZA中的長(zhǎng)度單位縮放(l+m)倍，使其長(zhǎng)度單位與b-XbYbZb的致;隊(duì)將A - 致;隊(duì)將A - XAYAZA的原點(diǎn)分別沿XaYA和ZA軸移動(dòng)-TxABT和T，使YabZab其與 -X Y Z的原點(diǎn)重合。B B B B-X -X -T -x -BY=XT+ (1 + m)陀)RG)R( :AYBYZYXAZ1-BTL Z JZL

25、 A由圖2-9可知，任意點(diǎn)Pi在兩坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間有如下關(guān)系,(2-9)考慮到兩坐標(biāo)軸定向的差別一般很小，因此歐拉角&X、&Y、&Z通常都是微小量，有 TOC o 1-5 h z 1 8-8 HYPERLINK l bookmark121 o Current Document R（8） = R（8 ） R（8 ）r（8 ）= -818ZYXZX8 -8 11- YX2）莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型認(rèn)為受尺度和旋轉(zhuǎn)影響的只是任意點(diǎn)與參考點(diǎn)的坐標(biāo)差,在該模型中也 是采用了7個(gè)參數(shù)，分別是3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（也被稱為3個(gè)歐拉角）和1個(gè)尺 度參數(shù)，不過(guò)定義與布爾沙模型有所不同。轉(zhuǎn)換過(guò)程可描述

26、為：將0 -XYZ的原點(diǎn)平移到某A AAA-X BYB_ XYPP+ (1 + m)_ 1-ZZ1-O Y _X-X P-Yp+T 一XTYZZ-1-ZT1-B1P1-YX匚ApL Z點(diǎn)P,形成一個(gè)過(guò)渡坐標(biāo)系P-XYZ；將OP-XYZ依次分別繞X、Y和Z軸旋轉(zhuǎn)sx、sy和sz三個(gè)角度后使其坐標(biāo)軸與0-X Y Z中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行，旋轉(zhuǎn)方式和次序與布爾沙-B B B B沃爾夫模型相似；再將P-XYZ中的長(zhǎng)度單位縮放（1+m）倍，使其長(zhǎng)度單位與O-XYZ的B B B B一致；最后將O-XYZ的原點(diǎn)分別沿X、Y和Z軸移動(dòng)-T、-T和-T,使其與0 -X Y Z的原A AAAXYZBBBB點(diǎn)重合。其轉(zhuǎn)

27、換模型為，圖2-10莫洛金斯基模型兩種模型的轉(zhuǎn)換結(jié)果是等價(jià)的, 但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還是有所差 異： 布爾莎模型在進(jìn)行全球或 較大范圍的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)較為常用，但 是，旋轉(zhuǎn)參數(shù)與平移參數(shù)具有較高的 相關(guān)性。對(duì)于小范圍可以3參數(shù)（3 個(gè)平移參數(shù)）；或者是3個(gè)平移和1 個(gè)尺度參數(shù)（4參數(shù)）；最好的情況 除了上述4個(gè)參數(shù)外,可確定一個(gè)旋 轉(zhuǎn)參數(shù)（5圖2-10莫洛金斯基模型采用莫洛金斯基模型則可以 克服這一問(wèn)題，因?yàn)槠湫D(zhuǎn)中心可以 人為選定，當(dāng)網(wǎng)的規(guī)模不大時(shí)，可以 選取網(wǎng)中任意一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)的規(guī)模較 大時(shí)，則可選取網(wǎng)的重心，然后以該點(diǎn)作為為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。23時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間作為精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位

28、置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，是GPS系統(tǒng)中的 重要量測(cè)值，其精度將直接影響GPS定位的精度。時(shí)間系統(tǒng)和其他測(cè)量基準(zhǔn)一樣，要定義時(shí) 間單位（尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v元），只有把尺度與原點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，才能給出時(shí)刻的概念。 理論上，任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，只要它的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，其周期是恒定的，并且是可觀測(cè)和用 實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)的，都可以作為時(shí)間尺度（單位）。實(shí)踐中，由于所選用的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同，便 產(chǎn)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)。與GPS測(cè)量有關(guān)的時(shí)間系統(tǒng)包括世界時(shí)、原子時(shí)和力學(xué)時(shí)。2.3.1世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時(shí)間系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所選擇的 空間參考點(diǎn)不同，世界時(shí)系統(tǒng)又包括以下幾種不同的形式。

29、、恒星時(shí)(ST)以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)為恒星時(shí)系統(tǒng)。其時(shí)間尺 度為：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，一恒星日分為24 個(gè)恒星時(shí)。 恒星時(shí)以春分點(diǎn)通過(guò)本地上子午圈時(shí)刻為起算原點(diǎn)，所以恒星時(shí)在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于 本地子午圈的時(shí)角。同一瞬間對(duì)不同測(cè)站的恒星各異，所以恒星時(shí)具有地方性，有時(shí)也稱為 地方恒星時(shí)。恒星時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的。由于歲差、章動(dòng)的影響，地球自轉(zhuǎn)軸在空間的指向是變 化的，春分點(diǎn)在天球上的位置并不固定。對(duì)于同一歷元所相應(yīng)的真天極和平天極，有真春分 點(diǎn)和平春分點(diǎn)之分。因此，相應(yīng)的恒星時(shí)也有真恒星時(shí)和平恒星時(shí)之分。由于地球圍繞太陽(yáng)的公

30、轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的。若以真太陽(yáng)作 為觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，將不符合建立時(shí)間系統(tǒng)的基本要求。為此選取平太陽(yáng)作為參 考點(diǎn)，其視運(yùn)動(dòng)速度為真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度。其時(shí)間尺度為：平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本 地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，一平太陽(yáng)日分為24 平太陽(yáng)時(shí)，平太陽(yáng)時(shí)在數(shù)值上等于 平太陽(yáng)通過(guò)本地上子午圈的時(shí)角。同樣，平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，故常稱其為地方平太陽(yáng)時(shí) 或地方時(shí)。平太陽(yáng)日由平正午開(kāi)始，即平正午為0 時(shí)，平子夜為12 時(shí)。1925年國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決 定，改平太陽(yáng)日由平子夜開(kāi)始，即平子夜為0 時(shí)，平正午為12 時(shí)，簡(jiǎn)稱平時(shí)或民用時(shí)。以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)

31、時(shí)定義為世界時(shí)UT。世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的尺度 相同，但起算點(diǎn)不同。這是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運(yùn)動(dòng)作為基礎(chǔ)的時(shí)間尺度。由于地球自轉(zhuǎn)的 不穩(wěn)定性，在UT中加入極移改正入即得到UT。UT1加上地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化AT 0 1 s 后為 UT ，即2UT 二 UT + AX(2-10)10UT 二 UT +AT(2-11)2 0 s顯然，世界時(shí)UT經(jīng)過(guò)極移改正后仍含有地球自轉(zhuǎn)速度變化的影響，而UT2雖經(jīng)地球自轉(zhuǎn) 季節(jié)性變化的影響，但仍含有地球自轉(zhuǎn)速度長(zhǎng)期變化和不規(guī)則變化的影響，所以世界時(shí)ut2 仍不是一個(gè)嚴(yán)格均勻的時(shí)間系統(tǒng)。世界時(shí)UT。、UT1和UT2之間關(guān)系為UT 二 UT + AX + AT(2-12)2 0 s2.3.2原子時(shí)(AT)隨著對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高，以地球自