第二講-GPS定位坐標系統

1GPS原理及應用

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蘭州交通大學土木學院李建章2GPS的定義

全球定位系統

GPS

的英文全稱是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（導航衛星測時與測距全球定位系統），簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTARGPS。3GPS的系統功能定位測速授（守）時4GPS定位的基本原理后方交會原理：通過測定到若干已知點的距離，來進行定位。要求普通情況：要測定到3個已知點的距離。GPS：要測定到4個已知點的距離。已知點GPS衛星測距的基本方法電磁波測距：距離=波速×傳播時間56控制部分空間部分

用戶部分雙向信息

單向信息

系統7GPS的系統結構空間部分成員：衛星星座。作用：發送信號，用于測距和告知自身位置。控制部分成員：主控站、監測站、注入站。作用：監控、操縱系統，預報衛星軌道和鐘差。用戶部分成員：接收機及輔助設備。作用：接收信號，用于定位、測速和授（守）時。8測量型GPS接收機9第二章GPS定位的坐標系統

﹑協議天球坐標系﹑協議地球坐標系﹑協議天球坐標系和協議地球坐標系轉換﹑國家坐標系和地方坐標系﹑WGS坐標系10第一節協議天球坐標系11天球的概念

以地球質心為中心，半徑為任意長的假想的球體。在天文學中一般均把天體投影到天球球面上，以球面坐標系來描述或研究天體的位置以及天體之間的關系。1213天球示意圖14

天體的位置既可以用球面坐標也可用直角坐標表示。15天球球面坐標:

赤經α、赤緯δ

、向徑r原點：地球質量中心。赤經α：天體子午面與春分點子午面的夾角。赤緯δ：天體與地心連線和天球赤道面的夾角。向徑r

：天體到地心的距離。16天球直角坐標：x、y、z。原點：地球質量中心。Z軸：指向北天極Pn。X軸：指向春分點。Y軸：與X、Z軸構成右手坐標系。17天球坐標系示意圖18坐標轉換示意圖19兩個重要概念：歲差和章動

日月對地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋轉軸在空間的指向發生移動。歲差：假定月球引力及軌道固定，北天極沿圓形軌道繞北黃極的運動叫歲差，春分點每年西移50.2″，周期約為25800年。章動：由月球軌道變化引起的北天極沿橢圓形軌道運動叫章動，橢圓長半徑約為9.2″，18.6年一周期。2021協議天球坐標系瞬時天球坐標系：z軸指向瞬時北天極，x軸指向瞬時春分點（真春分點）。平天球坐標系：z軸指向平北天極，x軸指向平春分點。協議天球坐標系:1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天極為協議北天極，z軸指向協議北天極的天球坐標系稱為協議天球坐標系，x軸指向協議春分點。22協議天球坐標系到瞬時天球坐標系變換⑴歲差旋轉變換

由于歲差導致地球自轉軸的運動使兩坐標系z軸產生夾角；同理，因歲差導致春分點的運動使兩坐標系軸、Z軸分別產生夾角。通過旋轉變換得到這樣兩個坐標系的變換式：23協議天球坐標系到瞬時天球坐標系變換⑵章動旋轉變換24第二節協議地球坐標系地球坐標系常用的有空間直角坐標系和大地坐標系兩種。25空間直角坐標系原點：一般取地球質心。Z軸：指向地球北極。X軸：指向格林威治子午線與地球赤道的交點。Y軸：構成右手坐標系。26大地坐標系大地經度L：過地面點的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角。大地緯度B：過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角。大地高H：地面點沿橢球法線至橢球面的距離。2728空間直角坐標系與大地坐標系的轉換N——法線長度，N=a/W；e——地球橢球第一偏心率；Φ——地心緯度，即觀測點和地心連線與赤道面的夾角,tanΦ=Z/（X2+Y2）1/2；

W=(1-e2sin2B)1/2;R——地心向徑，R=（X2+Y2+Z2）1/2。29

地球自轉軸不僅僅受到日月引力作用，而且受到地球內部質量不均勻影響而在地球內部運動。前者導致歲差、章動，后者導致極移。30一個重要的概念：極移極移：地球瞬時自轉軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱極移。31平極

國際天文聯合會和國際大地測量協會于1967年建議，在1900-1905年間測定的平均地極位置為國際協議原點（CIO），簡稱平極。32

由于地球不是剛體及其它一些地球物理因素的影響，地球瞬時極相對協定原點（CIO--也稱平地極）的運動十分復雜，難以用解析式表示它們之間的關系，國際地球自轉服務組織IERS通過觀測于事后公布各時刻瞬時極對應平地極的坐標。

33協議地球坐標系

以協議地極為基準點的地球坐標系為協議地球坐標系。34第三節

地球坐標系與天球坐標系的轉換

衛星位置用天球坐標系的坐標表示，而測站點位置用地球坐標系的坐標表示，要用衛星坐標求測站坐標，需將天球坐標系的坐標轉