坐标系及转换

GPS坐标系统1GPS坐标系统GPS坐标系统2一、基本概念二、坐标系统的分类和常用坐标系统三、坐标系统转换四、小结五、作业主要内容GPS坐标系统3一、基本概念1.位置基准定位中被用作测量或计算基础的点、线或面。如：天体参照系的天球、赤道面、黄道面、春分点；大地坐标系的参考椭球及其定位和定向；高程参照系的大地水准面。2.坐标参照系空间位置的描述需要在一个特定的系统下采用特定的方式来进行，这一特定的系统被称为坐标参照系，即提供系统原点、尺度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。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。3.参考框架参考框架是坐标参照系的实现，是一组具有相应参照系下坐标及其时间演变的点。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。GPS坐标系统4一、基本概念（续）4.坐标和坐标系坐标：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：在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法。如：笛卡儿坐标系、曲线坐标系等。5.坐标系转换与基准转换坐标系转换：同一点在相同基准或参照系下的坐标转换，实质上是不同坐标表达方式间的变换。基准转换：同一点在不同基准或参照系下的坐标转换，如WGS84与北京54坐标系间的大地坐标或空间直角坐标的相互转换。GPS坐标系统5二、坐标系统的分类和常用坐标系统1.坐标系统分类2.常用坐标系3.GPS坐标系4.我国常用坐标系GPS坐标系统61.坐标系统分类图1坐标系统分类图坐标系统的分类和常用坐标系统站心空间直角坐标系站心极坐标系站心赤道坐标系站心地平坐标系天体卫星惯性坐标系非惯性坐标系坐标系协议天球坐标系协议地球坐标系用户位置平面直角坐标笛卡尔坐标曲线坐标表达方式投影平面总地球椭球面参心站心坐标原点参考面参考椭球面大地水准面地心WGS-84ITRS/ITRFCGCS2000BJ54GDZ80高斯平面坐标系地心空间直角坐标系参心空间直角坐标系地心大地坐标系参心大地坐标系天文坐标系GPS坐标系统72.常用坐标系1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系2）大地坐标系/椭球坐标系3）平面直角坐标系坐标系统的分类和常用坐标系统GPS坐标系统81）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系•坐标系原点位于地球的质心或参考椭球的中心；•Z轴指向地球或参考椭球的北极；•X轴指向本初（起始）子午面与赤道的交点；•Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角坐标系统的分类和常用坐标系统常用坐标系图2地心、参心空间直角坐标系GPS坐标系统91）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系(续)•原点位于P0；•U轴与过P0点的参考椭球面的法线重合，指向上方；•N轴垂直于U轴，指向参考椭球的短半轴；•E轴垂直于U轴和N轴，形成左手系；•在站心直角坐标系下点的N，E，U坐标为该点在三个坐标轴上的投影长度。坐标系统的分类和常用坐标系统常用坐标系图3站心空间直角坐标系GPS坐标系统10•大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的:•纬度是空间点的椭球面的法线与赤道面的夹角；•经度是包括空间点与椭球短轴的子午面和椭球的起始子午面的夹角；•大地高是空间点沿椭球的法线方向到椭球面的距离。坐标系统的分类和常用坐标系统常用坐标系图4大地坐标系2）大地坐标系/椭球坐标系GPS坐标系统113）平面直角坐标系平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标通过某种数学变换，投影或映射到平面上。投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。坐标系统的分类和常用坐标系统常用坐标系GPS坐标系统123.GPS常用坐标系1）WGS-84世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem1984）2）ITRS国际地球参照系（InternationalTerrestrialReferenceSystem）与ITRF国际地球参考框架（InternationalTerrestrialReferenceFrame）坐标系统的分类和常用坐标系统GPS坐标系统131）WGS-84世界大地坐标系用途：GPS系统内部处理与位置有关信息，广播星历基于此系统。建立：20世纪80年代中期，美国国防制图局建立，1987年取代WGS-72。之后WGS84又进行了三次修订，第一次1994年，第二次1996年，第三次2001年，分别表示为“WGS84（G730）”、“WGS84（G873）”和“WGS84（G1150）”。其中，“G”表示GPS；而跟在后面的数字所表示的是开始使用的GPS周数。坐标系统的分类和常用坐标系统ＧＰＳ常用坐标系GPS坐标系统141）WGS-84世界大地坐标系（续）地极（CTP–ConventionsTerrestrialPole）一致；X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERSReferenceMeridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM与在历元1984时的BIH零子午线（BIHZeroMeridian）一致。Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。如图5所示：坐标系统的分类和常用坐标系统ＧＰＳ常用坐标系定义：原点位于包括海洋和大气在内的整个地球的质心；Z轴与IERS参考极（IRP)指向相同，该指向与历元1984.0的BIH协议图5WGS-84世界大地坐标系GPS坐标系统151）WGS-84世界大地坐标系（续）WGS-84椭球参数（IAC+IUGG联合会17届推荐值）:长半轴:a=6378137m2m地球引力常数:GM=39860051080.6108（m3s-2）正常化二阶带谐系数：C2.0=-484.1668510-61.3010-6地球自转角速度：=729211510-110.1510-11rads-1椭球扁率:f84=1/298.257223563坐标系统的分类和常用坐标系统ＧＰＳ常用坐标系GPS坐标系统162）ITRS与ITRF用途：国际大地测量局采用和IGS精密星历基于此系统定义：原点位于地球质心，地球质心为包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度国际单位制的米，该尺度与地心局部框架的地心坐标时（TCG–GeocentricCoordinateTime）一致，符合IAU和IUGG（1991）决议，通过适当的相对论模型获得；定向为最初由国际时间局（BIH）所给出1984.0定向。定向的时变通过一个关于全球的水平构造运动的非净旋转条件来保证。发展历史：IERS已经公布了10个版本的ITRF，分别为ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000。名称“ITRF”后面紧跟着的数字（yy）表示用于形成该框架时所用数据的最后年份。坐标系统的分类和常用坐标系统ＧＰＳ常用坐标系GPS坐标系统174.我国常用坐标系1）1954年北京坐标系2）1980西安大地坐标系3）2000国家大地坐标系坐标系统的分类和常用坐标系统GPS坐标系统181）1954年北京坐标系基本情况：源于前苏联的1942年普尔科夫坐标系；未根据我国情况，进行椭球定位，由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区的呼玛、吉拉林、东宁三个基准网传算；基于1954年北京坐标系的我国天文大地网未进行整体平差；高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系GPS坐标系统191）1954年北京坐标系（续）椭球参数：存在问题：椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不包含表示地球物理特性的参数，给理论研究和实际工作带来不便；椭球定向不十分明确，既不是指向CIO极，也不是指向我过的目前使用的JYD；通过局部分区平差得到，致使参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达67米。坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系63782451/298.3amfGPS坐标系统202）1980西安大地坐标系基本情况:1978年决定对我国天文大地网进行整体平差,重新选定椭球，并进行椭球的定位、定向。椭球参数（IAG1975年的推荐值）：坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系1432325163781403.986005101.08263107.29211510amGMmsJrads椭球的短轴由地球质心指向1968.0JYD，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面与大地水准面在我国境内符合最好，高程系统采用1956年黄海平均海水面为高程起算基准。定位、定向：GPS坐标系统212）1980西安大地坐标系（续）采用多点定位原理建立，理论严密，定义明确；椭球参数为现代精确的地球总椭球参数；椭球面与我国大地水准面吻合得较好；椭球短半轴指向明确；经过了整体平差，点位精度高。坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系特点：GPS坐标系统223）2000国家大地坐标系（CGCS2000——ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度单位：米（SI），与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；定向：初始定向由1984.0时的BIH（国际时间局）定向给定；定向的时间演化：定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全球旋转；坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系定义：CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心；Z轴为国际地球自转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。GPS坐标系统233）2000国家大地坐标系（续）坐标系统的分类和常用坐标系统我国常用坐标系椭球参数：长半轴：地球（包括大气）引力常数：地球动力形状因子：地球自转速度：6378137ma14323.98600441810msGM517.29211510rads20.001082629832258JGPS坐标系统24三、坐标系统转换我们知道GPS测量是基于WGS-84坐标系或者ITRF，而我们所需要的成果一般都是北京54（BJZ54）、西安80坐标系（GDZ80）或地方独立坐标系，故要实现GPS坐标系与实用坐标系间的转换，可以通过约束平差或高精度的转换参数来进行。1.同一坐标系内空间直角坐标与大地坐标的换算2.不同的空间直角坐标系之间的坐标换算GPS坐标系统251.同一坐标系内空间直角坐标与大地坐标的换算即[(B，L，H)(X，Y，Z)]坐标转换222()coscos()cossin(1)sinsinXNHBLYNHBLZNeHBaNHBb222arctan()arctan()[(1)]1sinYLXZNHBXYNeHZHNeB221sinaNeB222222abeffaabfa其中，GPS坐标系统262.不同的空间直角坐标系之间的坐标换算1）布尔沙-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型2）莫洛金斯基模型坐标转换GPS坐标系统271）布尔莎-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型在该模型中采用了7个参数，分别是3个平移参数、3个旋转参数（3个欧拉角）和1个尺度差参数。（1）两个基准之间的关系（平移变换、缩放变换和旋转变换）坐标转换不同的空间直角坐标系之间的坐标换算图6（a）平移变换图6（b）缩放变换图6（c）旋转变换GPS坐标系统28（2）转换过程①从XA正向看向原点OA，以OA点为固定旋转点，将OA-XAYAZA绕轴逆时针旋转ωX角度，使经过旋转后的YA轴与OB-XBYB平面平行；②从YA正向看向原点OA，以OA点为固定旋转点，将O