GPS 复习

例：设克拉索夫斯基椭球参数和空间直角坐标数据如下，试计算其大地坐标。 a=6378245;α＝1/298.3;e=2α-α2 X=3694472.468; Y=3694472.468; Z=5194534.424 解： L=0.785398;B=45;H=1× 106 2） 三维空间直角坐标系之间的转换 例如： 北京54坐标系与WGS84坐标系之间的转换。 通常采用布尔莎模型又称七参数法进行坐标转换。 对于空间直角坐标系之间的转换类似于平面直角坐标系之间的转换。 假设原始坐标系为0-XYZ， 转换后为,其中平移变换的矩阵形式为0′-X′Y′Z′。
2.3 坐标系统之间的转换
2.3.1 平面直角坐标的换算 包括两种情况，一种是不同投影带之间的坐标转换，另一种是 不同平面直角坐标系之间的转换，例如：屏幕坐标系与数字化仪坐标系之间的转换，通常采用四 参数法、相似变换和仿射变换。 2.3.2 空间直角坐标系之间的转换 1) 大地坐标系与空间直角坐标系之间的转换 例如：大地坐标系与北京54坐标系之间的转换, 换算关系如下，其中N为椭球卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，a、b为椭球的长短半径。
2.2
WGS-84坐标系和我国大地坐标系
2.2.1 WGS-84坐标系 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。 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。 地球椭球长半径： a=6378140m GM是地心引力常数 地球重力场二阶带谐系数 地球自转角速度 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（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。 4 ) 地方独立坐标系的由来及特点 ： 基于限制变形、方便、实用和科学的目的，在许多城 市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系，建立地方独立坐标系，实际上就是 通过一些参数来确定地方参考椭球与投影面。 地方参考椭球一般选择与当地平均高程 相对应的参考椭球，该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其椭球半径a增大为： 式中， Hm 为当地平均海拔高程，ξ0 为该地区平均高程异常。 在地方投影面的确定过程中，应当选取过测区中心的经线为独立中央子午线，并选取 当地平均高程面为投影面。 5) 高斯－克吕格投影平面直角坐标系的由来及特点 为了建立各种比例尺地形图的控制及工程测量控制，一般应将椭球面上各点的大地坐标按照一 定的规律投影到平面上，并以相应的平面直角坐标表示。 目前各国常采用的是高斯投影和UTM投影，这两种投影具有下列特点： （1）椭球面上任意一个角度，投影到平面上都保持不变,长度投影后会发生变形，但变形比为 一个常数。 （2）中央子午线投影为纵轴，并且是投影点的对称轴，中央子午线投影后无变形，但其它长 度均产生变形，且越离中央子午线越远，变形愈大。 （3）高斯平面直角坐标系的坐标轴与笛卡儿直角坐标系坐标轴相反，一般将y值加上500公里， 在y值前冠以带号。 （4）带号与中央子午线经度的关系为L6,0=6n-3 ; L3,0=3k
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 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，α，δ）。 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：P17 2.1.2 地球坐标系 1)．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：P17 3). 直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 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：
6) 高程系统 在测量中有三种高程，分别是大地高，正高，正常高，我国高程系统日常测量中采用的是 正常高，GPS测量得到的是大地高H。 大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面，并延伸到大陆地面以下所形成的 闭合曲面。正高Hg是指M点源该点的铅垂线至大地水准面的距离。 正常高系统是以似大地面为基准面的高程系统，似大地水准面与参考椭球面之间的高程差，一 般称为似大地水准面的高程异常。 H=Hr+δ
GPS原理与应用 第一章 绪 论 1.1 GIS与主要学科的关系 GIS主要与数学、计算机科学、测绘学、地学有密切关系。 数学为GIS提供最基本的理论源泉。 测绘学主要为GIS采集数据和制作地图。 地学则为GIS提供地理模型和空间分析。 计算机科学则为GIS提供强有力的技术支持，计算机学科理论与技术上的每一次革新和突破都深深影响着GIS 的发展。 1.2 测绘学概论 基本概念 传统的概念：以地球为研究对象，对它进行测定和描绘的科学。 1.3 GPS原理及应用概论 1.3.1早期的卫星定位技术 常规测量无法实现远距离的联测定位以及实时定位，因此引发了人们采用新的技术。1966－1972年，美国 出现了卫星大地测量技术。 早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。仅仅将卫星作为空间测量目标，后来发展到了 把卫星作为动态已知点的高级阶段。 （1） 卫星摄影测量－－卫星测向三角网 (2) 卫星激光测距(SLR) (Satellite Laser Ranging) 测距及相对定位精度可达厘米级。 仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜，光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。 测程： 50M~8000KM 测距精度：厘米级 (3) 甚长基线干涉测量(VLBI) (Very Long Baseline Radio Interferometry) 在相距一定距离的两个测站点上分别安置射电仪，描准宇宙中同一射电源，同步接收射电源发射的电磁波， 经事后处理，计算出两测站之间的空间距离。 测程：可达数千KM 测距精度：厘米级 天线直径：几十CM~数KM (4) 子午卫星导航系统(NNSS) (Navy Navigation Satellite System) 子午卫星导航系统组成：卫星网、监测站、接收机。卫星网共六颗子午卫星分别在六个轨道面上并都通过 地球南北极，卫星平均高度1070KM。 定位精度：单点定位几十M，联测定位0.5～1M。 全天侯观测，事后处理 子午卫星导航系统的局限性 1) 卫星少， 不能实时定位 。 子午卫星导线系统一般采用6颗卫星。 两次卫星通过的时间间隔约为0.8～1.6小时。 (2) 轨道低，难以精密定轨。子午卫星飞行高度平均为1070KM，运动速度快，定轨精度低。 (3) 频率低，难以补偿电离层效应的影响。子午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz。难以削弱电离层效应 的高阶项影响 。 1.3.2 GPS技术的特点 （1）观测站之间无需通视。 既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典 测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点 既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。 -6 (2)定位精度高。 现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1~2× 10 ，而在 -6 -7 100km~500km的基线上可达10 ~ 10 。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上， -8 相对定位精度可达到或优于10 。 (3)观测时间短。 目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求 的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过 20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。 (4)提供三维坐标。 GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。 GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物 探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。 (5)操作简便。 GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高， 监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据， 而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻， 体积较小，因此携带和搬运都很方便。