1、中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27说明及致谢 课件中引用了大量来自网络及他人课件的图片资料。由于其来源复杂，在此未能一一列出。资料的版权均属原作者。本课件只用于教学，不作其它用途。特此说明！中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27空间大地测量时空框架中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27 大地测量时空基准相关定义时间系统坐标系统内容要点大地测量时空基准大地测量时空基准，就是指大地测量基大地测量时空基准，就是指大地测量基准和时间基准，它由相应的大地测量系统和准和时间基准，它由相应的大地测量系统和时间系统及它们相应的参考框架所构成。时间系统及它们相应的参考框架所构成。 大
2、地测量系统和时间系统是总体概念，大地测量系统和时间系统是总体概念，大地测量参考框架和时间参考框架是大地测大地测量参考框架和时间参考框架是大地测量系统和时间参考系统的具体实现。量系统和时间参考系统的具体实现。大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统大地测量系统 大地测量系统规定了大地测量的起算基准和尺度标准及其实现方式（包括理论、模型和方法）。 大地测量系统包括坐标系统、高程系统和重力参考系统。大地测量参考框架大地测量参考框架 大地测量参考框架，就是按大地测量系统的规定的原则，采用大地测量技术，在全球或局域范围内所测定的、固定在地面上的点所构成的大地网（点）或其他实体（静止或运动的物体），是对
3、大地测量系统的具体实现。 与大地测量系统相对应，大地测量参考框架有坐标（参考）框架坐标（参考）框架、高高程（参考）框架程（参考）框架和重力测量（参考）框架重力测量（参考）框架三种。大地测量基准建设的任务 大地测量基准建设的任务是，确定或定义坐标系统、高程系统和重力参考系统。建立和维持坐标框架、高程框架和重力框架。时间系统与时间参考框架（1）时间系统）时间系统 时间系统规定了时间测量的参考标准，包括时刻的参考标准和时间间隔的尺度标准。（2）时间参考框架）时间参考框架 时间参考框架就是在全球或局域范围内，通过守时、授时和时间频率测量技术，实现和维持统一的时间系统。 守时守时 为了随时获得世界时，要
4、用精密的天文时计将天文测时结果记录下来，并根据天文时计运行的规律随时指示外推的世界时，这种工作称为守时，也就是时间的保持。 最初用来保持时间的时计为天文摆钟。第二次世界大战后，石英钟担负起了守时的任务。目前各国都用原子钟来保持时间。 授时系统授时系统 是确定和发播精确时刻的工作系统 。 7v 时间的描述包括时间时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素原点、单位（尺度）两大要素。 时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也
5、应该连续、均匀。连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。v 周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。法。 运动是连续的；运动是连续的； 运动的周期具有足够的稳定性；运动的周期具有足够的稳定性； 运动是可观测的。运动是可观测的。v 选取的物理对象不同，时间的定义不同选取的物理对象不同，时间的定义不同: 地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。 时间系统时间系统8 恒星时恒星时(ST)v 以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为的
6、时间，称为恒星时恒星时。v 春分点连续两次经过同一子午圈春分点连续两次经过同一子午圈上中天上中天的时间间隔为的时间间隔为一个一个恒星日恒星日，分为，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。角。 v 地方真恒星时地方真恒星时、平恒星时平恒星时、格林尼治真恒星时格林尼治真恒星时、 格林格林尼治平恒星时尼治平恒星时9时角时角t天体的时圈面与测站天体的时圈面与测站子午面间的二面角子午面间的二面角QOT称为天体的时角，称为天体的时角，以以t表示。也可用在北表示。也可用在北天极天极P上所
7、相应的球上所相应的球面角面角QP 或在赤道或在赤道上由上点上由上点Q至至T点的点的弧距弧距QT来量度。来量度。10 平太阳时平太阳时MT和世界时和世界时UTv 以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为时间，称为真太阳时真太阳时。一个。一个真太阳日真太阳日就是真太阳连续就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。 地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短。v
8、假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个的时间间隔，称为一个平太阳日平太阳日11 平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如果果LAMT 表示平太阳时角，则某地的平太阳时表示平太阳时角，则某地的平太阳时 MT = LAMT + 12 (平子夜与平正午差平子夜与平正午差12小时）小时） 世界时世界时UT： 以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时世
9、界时。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。代表格林尼治平太阳时角。12v 未经任何改正的世界时表示为未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世，经过极移改正的世界时表示为界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为正后的世界时表示为UT2。 UT1=UT0+, UT2=UT1+T 回归年回归年 儒略日儒略日 历书时历书时ET与力学时与力学时 DTv 由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。匀。1958年第年第10届届IAU决定，自决定，自196
10、0年起开始年起开始以地球公以地球公转运动为基准转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。替世界时。v 历书时的秒长规定为历书时的秒长规定为1900年年1月月1日日12时整回归年长度时整回归年长度的的131556925.974713v 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数数T,其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。v 参考点不同，力学时分为两种：参考点不同，力学时
11、分为两种： 1) 太阳系质心力学时太阳系质心力学时TDB 2) 地球质心力学时地球质心力学时TDTv TDT和和TDB可以看作是可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现分别在两个坐标系中的实现v 地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度相同。度相同。IGU规定：规定：1977年年1月月1日原子时（日原子时（TAI) 0时与地时与地球力学时严格对应为：球力学时严格对应为： TDT=TAI+32.184 14 原子时原子时(AT) 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时秒，定义
12、为：在零磁场下，位于海基本单位是原子时秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。单位制中的时间单位。 原子时的原点定义：原子时的原点定义：1958年年1月月1日日UT2的的0时。时。 AT=UT20.0039(s) 地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。15 协调世界时协调世界时(UTC)v 原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度原子时与地球自转没有直接
13、联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，秒长不等，大约每年相差秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调秒，便于日常使用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳时之差小于刻上与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，秒的时间系统，称之为称之为世界协调时世界协调时(UTC)。v 当大于当大于0.9秒，采用秒，采用12月月31日或日或6月月30日调秒。调秒由日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。国际计量局来确定公布。v 世界各国发布的时号均以世界各国发布
14、的时号均以UTC为准。为准。v TAI=UTC+1n(秒）秒）16 GPS时间系统时间系统v 时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。分。v GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持维持的原子时称为的原子时称为GPST，它与国际原子的原点不同，瞬时相，它与国际原子的原点不同，瞬时相差一常量：差一常量： TAIGPST=19(s)v GPST的起点，规定的起点，规定1980年年1月月6日日0时
15、时GPS与与UTC相等。相等。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27 大地测量时空基准相关定义时间系统坐标系统内容要点中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2718坐标系统 1 1、大地基准、大地基准v所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考椭球球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义
16、。用的单位长度的定义。v 测量常用的基准包括测量常用的基准包括平面基准平面基准、高程基准高程基准、重力基重力基准准 等。等。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2719 2 2、大地测量坐标系、大地测量坐标系天球坐标系：天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。用于研究天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：地球坐标系： 用于研究地球上物体的定位与运动，是用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式，系和空间直角坐标系两种形式，基准基准和和坐标系坐标系两方面要素构成了完整的两
17、方面要素构成了完整的坐标参考系统坐标参考系统!中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2720 图图2 28 8 天球坐标系天球坐标系天球直角坐标系天球直角坐标系球面坐标系：赤经、赤纬、向径球面坐标系：赤经、赤纬、向径中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2721 图图210 大地坐标系与空间直角坐标大地坐标系与空间直角坐标中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2722 3 3、高程参考系统、高程参考系统v以大地水准面为参照面的高程以大地水准面为参照面的高程系统称为系统称为正高正高 以似大地水准以似大地水准面为参照面的高程系统称为面为参照面的高程系统称为正正常高；常高；v大地水准面相
18、对于旋转椭球面大地水准面相对于旋转椭球面的起伏如图所示，正常高及正的起伏如图所示，正常高及正高与大地高有如下关系：高与大地高有如下关系： H=H H=H正常正常+ + H=HH=H正高正高+N+N 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2723v国家平面控制网国家平面控制网是全国进行测量工作的平面位置的参是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共制网含三角点、导线点共154348154348个。个
19、。v国家高程控制网国家高程控制网是全国进行测量工作的高程参考框架，是全国进行测量工作的高程参考框架，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目前提供使用的前提供使用的19851985国家高程系统共有水准点成果国家高程系统共有水准点成果114041114041个，水准路线长度为个，水准路线长度为41661914166191公里。公里。v 大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面上的控制网上的控制网(点点)所构建所构建坐标参考架、高程参考框架、重力参考框架坐标参考架
20、、高程参考框架、重力参考框架。 4、大地测量参考框架、大地测量参考框架中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2724 v国家重力基本网国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的架，目前提供使用的20002000国家重力基本网包括国家重力基本网包括2121个个重力基准点和重力基准点和126126个重力基本点个重力基本点 。v“20002000国家国家GPSGPS控制网控制网”由国家测绘局布设的高精由国家测绘局布设的高精度度GPS AGPS A、B B级网，总参布设的级网，总参布设的GPS GPS 一、二级网，地一、二级网，地震局、总参测绘
21、局、科学院、国家测绘局共建的中国震局、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，该控制网整合了上述三个大型地壳运动观测网组成，该控制网整合了上述三个大型的有重要影响力的的有重要影响力的GPSGPS观测网的成果，共观测网的成果，共26092609个点，个点，通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的地心地心坐标系统的基础框架坐标系统的基础框架. .中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2725惯性坐标系惯性坐标系(CIS)(CIS)与协议坐标
22、系与协议坐标系v惯性坐标系惯性坐标系：是指在空间固定不动或做匀速直线运是指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。动的坐标系。v协议惯性坐标系的建立：协议惯性坐标系的建立： 由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻 t t0 0 作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后的指向作为差和章动改正后的指向作为 Z Z 轴，以对应的春分点轴，以对应的春分点为为 X X 轴的指向点，以轴的指向点，以 XOY XOY 的垂直方向为的垂直方向为 Y Y 轴建立轴建立天球坐标系，称为天球坐标系，称为协议天
23、球坐标系协议天球坐标系 或或协议惯性坐标协议惯性坐标系系 CIS CIS (CIS= Conventional Inertial System) (CIS= Conventional Inertial System) 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2726 v国际大地测量协会国际大地测量协会IAGIAG和国际天文学联合会和国际天文学联合会IAUIAU决决定，从定，从19841984年年1 1月月1 1日起采用以日起采用以J2000.0 (2000J2000.0 (2000年年1 1月月1515日日) )的平赤道和平春分点为依据的协议天球的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系坐标系
24、. .协议天球坐标系协议天球坐标系瞬时平天球标系瞬时平天球标系瞬时真天球标系瞬时真天球标系l协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系 协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差导致的差导致的 Z Z 轴方向发生变化产生的，通过对协议轴方向发生变化产生的，通过对协议天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐标变换坐标变换 。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2727 CISMtzyxPzyx)()()(313AAARRZRP323232041833.042665.
25、03109.2004018203.009468.12181.2306017998.030188.02181.2306TTTTTTZTTTAAA36525/ )0 .2451545)(tJDT)(tJD为观测历元为观测历元 t 的的儒略日儒略日。P：岁差旋转矩阵：岁差旋转矩阵中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2728 MttzyxNzyx)()()(131RRRNl 瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转轴的瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转轴的章动造成的，两者之间的相互转换可以通过章
26、动旋转矩阵来实现章动造成的，两者之间的相互转换可以通过章动旋转矩阵来实现.为黄赤交交、交角章动、黄经章动为黄赤交交、交角章动、黄经章动.N：章动旋转矩阵：章动旋转矩阵中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2729 合并上述两式：合并上述两式：CIStzyxNPzyxP：岁差旋转矩阵：岁差旋转矩阵N：章动旋转矩阵：章动旋转矩阵中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2730 地固坐标系地固坐标系（地球坐标系地球坐标系）v以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的
27、坐标系系, ,又称为又称为参心地固坐标系参心地固坐标系。v以总地球椭球为基准的坐标系以总地球椭球为基准的坐标系. .与地球体固连在一与地球体固连在一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系, ,又称又称为为地心地固坐标系地心地固坐标系。 特点：特点：地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的( (地地球自转球自转). ).中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2731v坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所坐标系统是由坐标原点位置、坐
28、标轴的指向和尺度所定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中心或地心，坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上心或地心，坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上通用的坐标系一般采用协议地极方向通用的坐标系一般采用协议地极方向CTP)CTP)作为作为 Z Z 轴轴指向，因而称为指向，因而称为协议协议( (地固）坐标系地固）坐标系。与其相对应坐。与其相对应坐标系瞬时地球坐标系称为标系瞬时地球坐标系称为瞬时瞬时( (地固）坐标系地固）坐标系. .l协议协议( (地固）坐标系与瞬时坐标系的转换地固）坐标系与瞬时坐标系的转换极移的影响极移的影响极移参数的确定极移
29、参数的确定 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2732坐标系统(续) 极移参数由国际地球自转服务组织极移参数由国际地球自转服务组织IERS根据所属台站的观测资料推算根据所属台站的观测资料推算得到并以公报形式发布，由此可以实现两种坐标系之间的相互变换得到并以公报形式发布，由此可以实现两种坐标系之间的相互变换。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2733 DtCTSZYXMZYX)()(12ppyRxRMM：极移旋转矩阵：极移旋转矩阵中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2734 地球参心坐标系地球参心坐标系 建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：建立地球参心坐标系，需如下几
30、个方面的工作：选择或求定椭球的几何参数选择或求定椭球的几何参数( (半径半径a a和扁率和扁率)。确定椭球中心的位置确定椭球中心的位置( (椭球定位椭球定位) )。确定椭球短轴的指向确定椭球短轴的指向( (椭球定向椭球定向) )。建立大地原点。建立大地原点。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2735v19541954年北京坐标系年北京坐标系 1954 1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联19421942年坐标年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔普尔科沃科沃。相应的椭球为。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球克拉
31、索夫斯基椭球。 1954 1954年北京坐标系的缺限年北京坐标系的缺限: : 椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明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的倾斜，在东部地区大地水准面差距最显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达大达+68+68mm。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2736 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900190019091909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默年
32、正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。一致的，这给实际工作带来了麻烦。 定向不明确，既不是国际协议原点也不是我国地定向不明确，既不是国际协议原点也不是我国地极原点。极原点。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2737 v 1980 1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 l 特点特点 采用采用19751975年国际大地测量与地球物理联合会年国际大地测量与地球物理联合会 IUGGIUGG第第1616届大会上推荐的届大会上推荐的5 5个椭球基本参数。个椭球基本参数。 长半径
33、长半径 a=6378140m,a=6378140m, 地球的扁率为地球的扁率为 1/298.2571/298.257 地心引力常数地心引力常数 GM=3.986 005GM=3.986 00510101414m m3 3/s/s2 2, , 重力场二阶带球谐系数重力场二阶带球谐系数J2 =1.082 63J2 =1.082 631010-8-8 自转角速度自转角速度 =7.292 115=7.292 1151010-5-5 rad/s rad/s 在在19541954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。 椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是椭球面同似大地水准面在我
34、国境内最为密合，是多点定位。多点定位。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2738 定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点 的方向的方向 大地原点地处我国中部，位于西安市以北大地原点地处我国中部，位于西安市以北60 km 处处的的泾阳县永乐镇泾阳县永乐镇，简称，简称西安原点西安原点。 大地高程基准采用大地高程基准采用1956年黄海高程系年黄海高程系 l1980大地坐标系建立的方法大地坐标系建立的方法中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2739 v 地心坐标系地心坐标系l原点原点O O与地球质心重合，与地球质心重合，Z Z轴指向地球
35、北极，轴指向地球北极，X X轴指轴指向格向格 林尼治平均子午面与地球赤道的交点，林尼治平均子午面与地球赤道的交点，Y Y轴垂轴垂直于直于XOZXOZ平面构成右手坐标系。平面构成右手坐标系。 l地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极点的变动将引起坐标轴方向的变化。基准指向点极点的变动将引起坐标轴方向的变化。基准指向点的指向不同，可分为的指向不同，可分为瞬时地心坐标系瞬时地心坐标系与与协议地心坐协议地心坐标系标系。l在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原点地极原点CIOCIO为指向点。为指向
36、点。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27401)1)地心地固坐标系的建立方法地心地固坐标系的建立方法直接法直接法: :间接法间接法: : 通过一定的资料通过一定的资料(包括地心系统和参心系统的资料包括地心系统和参心系统的资料)，求得地心和参心坐，求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地标系之间的转换参数，然后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法心坐标的方法通过一定的观测资料通过一定的观测资料(如天文、重力资料、卫星观测资料等如天文、重力资料、卫星观测资料等)，直接求得点，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等
37、。的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27412) WGS-842) WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84WGS-84是是CTS, CTS, 坐标系的原点是地球的质心，坐标系的原点是地球的质心，Z Z 轴指向轴指向 BIHBIH1984.0 1984.0 CTPCTP方向，方向，X X轴指向轴指向 BIHBIH1984.01984.0零子午面和零子午面和 CTP CTP 赤赤道的交点，道的交点，Y Y 轴和轴和 Z Z、X X 轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。 5 5个基本参数个基本参数 a =6 378 137m
38、 a =6 378 137m e e2=2=0.00669437990130.0066943799013 GM =3 986 005 GM =3 986 00510108 8m m3 3s s-2-2 C C2,02,0=-484.166 85=-484.166 851010-6-6 =7 292 115 =7 292 1151010-11-11rad/srad/s 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2742 vWGS-84WGS-84坐标系是目前坐标系是目前GPSGPS所采用的坐标系统，所采用的坐标系统，GPSGPS卫星所发布的广播星历参数就是基于此坐标系卫星所发布的广播星历参数就是
39、基于此坐标系统的。统的。vWGS-84WGS-84坐标系统的全称是坐标系统的全称是World Geodical World Geodical System-84System-84（世界大地坐标系（世界大地坐标系-84-84），它是一个地），它是一个地心地固坐标系统。心地固坐标系统。WGS-84WGS-84坐标系统由美国国防部坐标系统由美国国防部制图局建立，于制图局建立，于19871987年取代了当时年取代了当时GPSGPS所采用的所采用的坐标系统坐标系统WGS-72WGS-72坐标系统而成为坐标系统而成为GPSGPS的所使用的所使用的坐标系统。的坐标系统。vWGS-84WGS-84坐标系的坐标
40、原点位于地球的质心，坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z Z轴轴指向指向BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地球极方向，定义的协议地球极方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，的启始子午面和赤道的交点，Y Y轴与轴与X X轴和轴和Z Z轴构成右手系。轴构成右手系。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27433) ITRS3) ITRS与与ITRFITRF 国际地球自转服务国际地球自转服务IERSIERS ( International Earth Rotation Service) ( International Earth Rot
41、ation Service) 1988 1988年年: IUGG+IAUIERS: IUGG+IAUIERS（IBH+IPMSIBH+IPMS） IERS IERS的任务主要有以下几个方面：的任务主要有以下几个方面：维持国际天球参考系统维持国际天球参考系统( (ICRS)ICRS)和框架和框架( (ICRF)ICRF)；维持国际地球参考系统维持国际地球参考系统( (ITRS)ITRS)和框架和框架( (ITRF)ITRF)；提供及时准确的地球自转参数提供及时准确的地球自转参数( (EOP)EOP)。 ICRS(F)= International Celestrial reference sys
42、tem ITRS(F)= International Terrestrial reference system EOP=Earth Orbit Parameter 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2744国际地球参国际地球参 考系统考系统( (ITRS)ITRS)vITRSITRS是一种协议地球参考系统是一种协议地球参考系统(CTRS),(CTRS),定义为定义为CTRSCTRS的的原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；球的质心；vCTRSCTRS的长度单位为米的长度单位为米( (m)m)，并且是在广义相对论框架并且是在
43、广义相对论框架下的定义；下的定义；vCTRSCTRS 的定向的定向Z Z 轴从地心指向轴从地心指向BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地定义的协议地球极球极( (CTP)CTP)；X X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTPCTP赤道的交点；赤道的交点；Y Y轴与轴与XOZ XOZ 平面垂直而构成右手坐标平面垂直而构成右手坐标系；系；坐标系统坐标系统( (续续)- )-国际地球参系统国际地球参系统ITRS中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2745 vITRF是是ITRS 的具体实现，是由的具体实现，是由IERS (International
44、Earth Rotation Service)中心局中心局IERS CB利用利用VLBI、LLR、SLR、GPS和和DORIS等空间大地等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。v自自1988年起，年起，IERS已经发布已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球参考框架。等全球参考框架。vITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。的。
45、vhttp:/lareg.ensg.ign.fr/ITRF/solutions.html，中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27465 5 、站心坐标系、站心坐标系以测站为原点，测以测站为原点，测站上的法线站上的法线( (垂线垂线) )为为Z Z轴方向的坐标系就轴方向的坐标系就称为法线称为法线( (或垂线或垂线) )站站心坐标系心坐标系 垂线站心坐标系垂线站心坐标系 法线站心坐标系法线站心坐标系 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2747v站心极坐标系站心极坐标系PQPQzdzdzdzyxcossinsinsincos 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2748法线站心
46、直角坐标系 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2749 v 按坐标原点的不同分类按坐标原点的不同分类 地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地坐标系地坐标系 ） 参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地坐标系地坐标系 ） 站心坐标系统（站心直角坐标系站心坐标系统（站心直角坐标系 、站心极坐标、站心极坐标系系 ）中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2750 2.3.4 2.3.4 坐标系换算坐标系换算 1 1 ) ) 欧勒角与旋转矩阵欧勒角与旋转矩阵 两个直角坐标系进行相互变换的旋转角称为欧勒两个直
47、角坐标系进行相互变换的旋转角称为欧勒角角 。 二维直角坐标系旋转二维直角坐标系旋转 2121cossinsincosxxyy21OPOP中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2751 三维空间直角坐标系的旋转三维空间直角坐标系的旋转 O-XO-X1 1Y Y1 1Z Z1 1和和O-XO-X2 2Y Y2 2Z Z2 2，通过三次旋转，可实现通过三次旋转，可实现O-O-X X1 1Y Y1 1Z Z1 1 到到O-XO-X2 2Y Y2 2Z Z2 2的变换的变换 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-27523cossin0()sincos0001ZZZZZR 2cos0sin()0
48、10sincosYYYYR1100()0cossin0sincosXXXXXR)()()(3210ZYXRRRR1110111321222)()()(ZYXRZYXRRRZYXZYX 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2753YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYRcoscossinsincoscossinsinsincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscoscos00sinsinsinsinsinsinsin,sin,sin1coscoscosZYZXYXZZYYXXZYX1110XYXZYZ
49、R 中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2754000111222111)1 (ZYXZYXmZYXXYXzYz v不同空间直角坐标系转换不同空间直角坐标系转换中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2755 0002111211112111234100001 0 000 1 0XYZXXZYYYZXaZZYXaaa转换值转换值已知值222222222ZYXZYXVVVZYXzYXaaaaaama1413121, 1中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2756 22200011121111211122341000 01 0 000 1 0XYZXYVZXZYXVYZXaYZYXa
50、ZVaa 已知值PLBPBBXTT1)(1413121, 1aaaaaaamzYX中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-2757 注意注意: :v由于公共点的坐标存在误差，求得的转换参数将受其影由于公共点的坐标存在误差，求得的转换参数将受其影响，公共点坐标误差对转换参数的影响与点位的几何分响，公共点坐标误差对转换参数的影响与点位的几何分布及点数的多少有关，为了求得较好的转换参数，应选布及点数的多少有关，为了求得较好的转换参数，应选择一定数量、精度较高、分布较均匀公共点。择一定数量、精度较高、分布较均匀公共点。v当利用当利用3 3个以上的公共点求解转换参数时存在多余观测，个以上的公共点求解转
