GPS原理及应用教材
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路漫漫其悠远
参心坐标系也分参心大地坐标系和参心空间 直角坐标系。
路漫漫其悠远
建立一个参心坐标系，必须解决如下问题： 椭球的大小和形状。 椭球中心的位置。 确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标
轴的方向，简称定向。 确定大地原点。
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国家大地原点
路漫漫其悠远
路漫漫其悠远
二、国家大地坐标系 1、1954年北京坐标系
路漫漫其悠远
2、1980年西安坐标系 为了进行全国天文大地网整体平差，采用了
新的椭球元素和进行了新的定位和定向，1978 年以后，建立了1980年国家大地坐标系。
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1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中 部—陕西省泾阳县永乐镇。该坐标系是参心坐 标系。椭球短轴Z轴平行于由地球地心指向 1968.0地极原点（JYD）的方向；大地起始子 午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴 在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度零方 向；Y轴与Z，X轴成右手坐标系。
地表面 大地水准面
椭球 面
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H1 N1 h1
H2
h2
N2
地表面
大地水准面 椭球面
h1
= H1 + N1
h 2 = H2 + N2
(h1- h 2) = (H1 -H2 )+ ( N1- N2)
垂线偏差
垂线偏差
垂直于大地水准面
垂直于椭球面
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地表面
似大地水准面 大地水准面
椭球 面
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2）ITRF参考框架 ITRF是国际地球自转服务局根据分布全球
20世纪50年代，在我国天文大地网建立初 期，鉴于当时的历史条件，采用了克拉索夫斯 基椭球元素（ａ=6378245m, e=1/298.3），并 与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通 过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年 北京坐标系。
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1954年北京坐标系和前苏联1942年普尔科沃 坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一 致）但又不完全是前苏联1942年普尔科沃坐标 系。如大地点高程是以1956年青岛验潮站求出 的黄海平均海水面为基准，高程异常是以前苏 联1955年大地水准面重新平差结果为起算值， 按我国天文水准路线推算出来的。大地水wenku.baidu.com面 自东向西最大差距达67米。
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三、高斯平面直角坐标系与UTM坐标系 高斯投影与全球横轴墨卡托投影（UTM)
高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央 子午线愈远，长度变形愈大，对于6°带，赤道 与边界子午线交点处的投影变形为0.138%。
在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡 托投影，使中央子午线长度缩短为原长度的 0.9996倍（通用横轴墨卡托），以减小长度变 形的绝对值。
站心极坐标系以测站所在的铅垂线为准，以 测站到目标点的空间距离D、天顶距Z和大地方 位角A来表示该目标的位置。
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五、独立坐标系 在工程测量中，当测区高程大于160m时，地面长
度与参考椭球面长度相差太大，需建立地方独立坐标 系。
建立独立坐标系时，先选一点作原点，该点的坐标 与统一坐标一致，其它各点与原点的坐标增量的绝对 值增大D（H/R）倍。方法有彭胀法与平移法两种，彭 胀法是对各点与原点的坐标增量加改正。平移法是将 参考椭圆体中心沿原点法线方向平移H。两种方法计 算结果相差很小。此外，当y坐标大于45km时。还需 以高斯投影正反算或换带计算更换投影带中央子午线 。
GPS原理及应用教材
路漫漫其悠远 2020/4/13
第三讲 坐标和时间系统
协议天球坐标系 协议地球坐标系 协议天球坐标系和协议地球坐标系转换 国家坐标系和地方坐标系 WGS坐标系 时间系统
路漫漫其悠远
地形面、参考椭球面和大地水准面
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正高
H
椭球高
hN
N= 大地水准面差距
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h=N+H
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椭球参数采用1975国际大地测量与地球物理联 合会第16届大会的推荐值，四个基本常数为： a= 6378140
=1/298.257
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椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和 最小为原则求解参数。高程系统基准是1956年 青岛验潮站求出的黄海平均海水面。
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3、新1954年北京坐标系 1980年国家大地坐标系建立后，实施了全
第四节、国家坐标系和地方坐标系
一、地球参心坐标系 所谓参心坐标系的参心，指参考椭球的中心
。经典大地测量中，利用局部测量数据计算的 椭球来代替地球形状，所以该椭球只是与本地 区大地水准面很好的接近，而在别的地区相差 较大，且该椭球中心不在地球质心，因此将该 椭球叫做参考椭球。 为什么要使用参心坐标系？
国天文大地网整体平差。提供了属于1980年国 家大地坐标系的大地点成果。这种成果与原大 地点局部平差成果二者属于两个不同的参心坐 标系。这给实际的使用带来一定的问题。实用 部门和单位大量成果是1954北京坐标系的。而 大地控制点在两坐标系中最大差100米以上。
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因而有的部门和单位将1980年国家大地坐标 系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至 克氏椭球中心，椭球参数保持与1954北京坐标 系相同而建立所谓新1954北京坐标系，这样新 1954北京坐标系与原1954北京坐标系接近，但 其精度和1980年国家大地坐标系完全一样。
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第五节 WGS坐标系
1）WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是美国84年在卫星大地测量
的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量 基准。大小形状参数见后，Z轴指向1984协议地 极，X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点， Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。
由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系 的数据，故GPS测量时，先求得测站点的WGS-84 坐标，再换算为当地使用的坐标。
通用横轴墨卡托投影，对于6°带，在y为± 180km范围内长度缩短，以外长度伸长。
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四、站心坐标系 以测站为原点构成的坐标系叫做测站中心坐
标系，简称站心坐标系。战心坐标系分为站心 地平直角坐标系和站心极坐标系。
站心地平直角坐标系是以测站所在椭球法线 方向为Z轴，以测站所在大地子午线北端与地 平面的交线为X轴，平行圈与地平面的交线为Y 轴，构成左手直角坐标系。
参心坐标系也分参心大地坐标系和参心空间 直角坐标系。
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建立一个参心坐标系，必须解决如下问题： 椭球的大小和形状。 椭球中心的位置。 确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标
轴的方向，简称定向。 确定大地原点。
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国家大地原点
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二、国家大地坐标系 1、1954年北京坐标系
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2、1980年西安坐标系 为了进行全国天文大地网整体平差，采用了
新的椭球元素和进行了新的定位和定向，1978 年以后，建立了1980年国家大地坐标系。
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1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中 部—陕西省泾阳县永乐镇。该坐标系是参心坐 标系。椭球短轴Z轴平行于由地球地心指向 1968.0地极原点（JYD）的方向；大地起始子 午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴 在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度零方 向；Y轴与Z，X轴成右手坐标系。
地表面 大地水准面
椭球 面
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H1 N1 h1
H2
h2
N2
地表面
大地水准面 椭球面
h1
= H1 + N1
h 2 = H2 + N2
(h1- h 2) = (H1 -H2 )+ ( N1- N2)
垂线偏差
垂线偏差
垂直于大地水准面
垂直于椭球面
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地表面
似大地水准面 大地水准面
椭球 面
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2）ITRF参考框架 ITRF是国际地球自转服务局根据分布全球
20世纪50年代，在我国天文大地网建立初 期，鉴于当时的历史条件，采用了克拉索夫斯 基椭球元素（ａ=6378245m, e=1/298.3），并 与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通 过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年 北京坐标系。
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1954年北京坐标系和前苏联1942年普尔科沃 坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一 致）但又不完全是前苏联1942年普尔科沃坐标 系。如大地点高程是以1956年青岛验潮站求出 的黄海平均海水面为基准，高程异常是以前苏 联1955年大地水准面重新平差结果为起算值， 按我国天文水准路线推算出来的。大地水wenku.baidu.com面 自东向西最大差距达67米。
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三、高斯平面直角坐标系与UTM坐标系 高斯投影与全球横轴墨卡托投影（UTM)
高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央 子午线愈远，长度变形愈大，对于6°带，赤道 与边界子午线交点处的投影变形为0.138%。
在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡 托投影，使中央子午线长度缩短为原长度的 0.9996倍（通用横轴墨卡托），以减小长度变 形的绝对值。
站心极坐标系以测站所在的铅垂线为准，以 测站到目标点的空间距离D、天顶距Z和大地方 位角A来表示该目标的位置。
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五、独立坐标系 在工程测量中，当测区高程大于160m时，地面长
度与参考椭球面长度相差太大，需建立地方独立坐标 系。
建立独立坐标系时，先选一点作原点，该点的坐标 与统一坐标一致，其它各点与原点的坐标增量的绝对 值增大D（H/R）倍。方法有彭胀法与平移法两种，彭 胀法是对各点与原点的坐标增量加改正。平移法是将 参考椭圆体中心沿原点法线方向平移H。两种方法计 算结果相差很小。此外，当y坐标大于45km时。还需 以高斯投影正反算或换带计算更换投影带中央子午线 。
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第三讲 坐标和时间系统
协议天球坐标系 协议地球坐标系 协议天球坐标系和协议地球坐标系转换 国家坐标系和地方坐标系 WGS坐标系 时间系统
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地形面、参考椭球面和大地水准面
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正高
H
椭球高
hN
N= 大地水准面差距
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h=N+H
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椭球参数采用1975国际大地测量与地球物理联 合会第16届大会的推荐值，四个基本常数为： a= 6378140
=1/298.257
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椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和 最小为原则求解参数。高程系统基准是1956年 青岛验潮站求出的黄海平均海水面。
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3、新1954年北京坐标系 1980年国家大地坐标系建立后，实施了全
第四节、国家坐标系和地方坐标系
一、地球参心坐标系 所谓参心坐标系的参心，指参考椭球的中心
。经典大地测量中，利用局部测量数据计算的 椭球来代替地球形状，所以该椭球只是与本地 区大地水准面很好的接近，而在别的地区相差 较大，且该椭球中心不在地球质心，因此将该 椭球叫做参考椭球。 为什么要使用参心坐标系？
国天文大地网整体平差。提供了属于1980年国 家大地坐标系的大地点成果。这种成果与原大 地点局部平差成果二者属于两个不同的参心坐 标系。这给实际的使用带来一定的问题。实用 部门和单位大量成果是1954北京坐标系的。而 大地控制点在两坐标系中最大差100米以上。
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因而有的部门和单位将1980年国家大地坐标 系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至 克氏椭球中心，椭球参数保持与1954北京坐标 系相同而建立所谓新1954北京坐标系，这样新 1954北京坐标系与原1954北京坐标系接近，但 其精度和1980年国家大地坐标系完全一样。
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第五节 WGS坐标系
1）WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是美国84年在卫星大地测量
的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量 基准。大小形状参数见后，Z轴指向1984协议地 极，X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点， Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。
由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系 的数据，故GPS测量时，先求得测站点的WGS-84 坐标，再换算为当地使用的坐标。
通用横轴墨卡托投影，对于6°带，在y为± 180km范围内长度缩短，以外长度伸长。
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四、站心坐标系 以测站为原点构成的坐标系叫做测站中心坐
标系，简称站心坐标系。战心坐标系分为站心 地平直角坐标系和站心极坐标系。
站心地平直角坐标系是以测站所在椭球法线 方向为Z轴，以测站所在大地子午线北端与地 平面的交线为X轴，平行圈与地平面的交线为Y 轴，构成左手直角坐标系。