第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
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第五章 GPS定位基本原理
第五章 GPS定位基本原理
8
2)、相对定位
• 确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对 位臵的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、 卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较高。但其 缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。
• 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内 得到广泛的应用。
j为卫星数，j=1,2,3,…
第五章 GPS定位基本原理
27
三、用测距码来测定伪距的特点
• 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
（1）易于将微弱的卫星信号提取出来。
卫星信号的强度一般只有噪声强度的万分之一或更低。 只有依据测距码的独特结构，才能将它从噪声的汪洋大海中 提取出来；
第五章 GPS定位基本原理
接收机钟差
t tk t tk (G) t (G) tk t
j j
j
信号真正传播时 间
第五章 GPS定位基本原理 22
如果不考虑大气折射的影响，则有：
' ct c[tk t ]
j
c tk (G ) t (G ) c(tk t )
j j
ρ = τ*C= △t*C 上式求得的距离ρ并不等于卫星至地面测站的真正距 离，称之为伪距。
第五章 GPS定位基本原理 19
二、伪距测量的观测方程
• 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星钟和接 收机钟是完全同步的。
• 但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max 的情况下求得的时延τ就不严格等于卫星信号的传播时间 Δt，它还包含了两台钟不同步的影响在内。
第五章 GPS定位基本原理 17
第五章GPS卫星定位基本原理
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测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
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测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的
λ·No取平均值后才能获得正确的整波段数。
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法
❖ 将整周未知数当做平差中的待定参数
一) 整数解 二) 实数解
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法—整数解
1. 短基线定位时一般采用这种方法。
2 具体步骤：
1)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测 值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。
五
Fast ambiguity resolution approach
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5.3.3.1静态方法 一 伪距法
1.
k j ( N k j) ( N 0 j I( n ) ) P t
所以，得 N0j PInt)(
2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)
减去伪距实际观测值后即可得到λ·No。
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模 糊度）的辅助资料。
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5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
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测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的
λ·No取平均值后才能获得正确的整波段数。
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法
❖ 将整周未知数当做平差中的待定参数
一) 整数解 二) 实数解
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法—整数解
1. 短基线定位时一般采用这种方法。
2 具体步骤：
1)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测 值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。
五
Fast ambiguity resolution approach
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5.3.3.1静态方法 一 伪距法
1.
k j ( N k j) ( N 0 j I( n ) ) P t
所以，得 N0j PInt)(
2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)
减去伪距实际观测值后即可得到λ·No。
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模 糊度）的辅助资料。
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5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
四 坐标系统之间的转换
不同空间直角坐标系统之间的转换
z5 4 / 8 0 ωz z8 4 y 54/80
) Δ z20 y2 + +Δ 0 2 Δ x0
O
ω y
sqr
(
ω x M x5 4 / 8 0 x 84 y 84
图 5-9 空 间 直 角 坐 标 系 的 转 换
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
不同空间直角坐标系统转换公式
X 2 X 1 ∆X 0 Y = (1 + m) R (ε ) R (ε ) R (ε ) Y + ∆Y 1 x 2 y 3 z 1 0 2 Z 2 Z1 ∆Z 0 X 1 ∆X 0 = (1 + m) R0 Y1 + ∆Y0 Z1 ∆Z 0
GPS时间系统 时间系统GPST （6） GPS时间系统GPST
GPST属于原子时系统，它的 秒长即为原子时秒长，GPST的 原点与国际原子时IAT相差19s。 有关系式： IAT-GPST=19（s） （2-18） GPS时间系统与各种时间系统 的关系见图2-6所示：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
协议地球坐标系： 协议地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤 道面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系 统而成的坐标系统称为协议地球坐标系。 协议地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式： ：
x x y = R (− x′′ ) R ( y′′ ) y y p x p z em z et
坐标系统与时间系统
可推得GALILEO系统与GPS系统间的转换系数为:
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二
时间系统
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1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
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3
1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
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7
5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
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二
时间系统
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1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
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1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
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5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
GPS卫星定位坐标计算及程序设计
Ai X i li 0
(3-5)
对式（3-5）求解，便得到接收机地心坐标的唯一
解
X i Ai1li
4.程序设计
• 1、GPS时间转换程序 • 2、利用广播星历计算卫星坐标程序 • 3、地面点近似坐标计算程序
5.实例计算和精度分析
• 以2009年5月7日南京工业大学江浦校区控 制网20号控制点观测数据为例，来说明如 何利用该程序计算卫星坐标和地面点的近 似坐标。该数据利用华测GPS接收机观测， 观测时间为2小时。
• 3.新儒略日（Modified Julian Day-MJD）：从儒略 日中减去2400000.5天来得到，给出的是从1858年11 月17日子夜开始的天数。特点是数值比儒略日小。
• 4.年积日（Day Of Year-DOY）：从当前1月1日开始 的天数。
• 5.GPS时（GPS Time）：以1980年1月6日子夜为起点， 用周数和周内秒数来表示，为GPS系统内部计时法。
2.3GPS卫星的信号
• 导航电文 导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态 时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大 气折射改正和C/A码捕获P码等导航信息的数据码 （或D码），是利用GPS进行定位的数据基础。 导航电文的内容包括遥测码（TLW）、转换码 （HOW）、第一数据块、第二数据块和第三数据块 5部分。
RINEX数据格式
目前，RINEX格式已成为各厂商、学校、研究单 位在编制软件时采用的标准输入格式。RINEX格式 是纯ASCII码文本文件，共包含4个文件：
（1）观测数据文件：ssssdddf.yyo （2）导航文件：ssssdddf.yyn （3）气象数据文件：ssssdddf.yym （4）GLONASS数据文件：ssssdddf.yyg 其中：ssss——4个字母的测站名；
坐标系统与时间系统
坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统和时间系统是人类社会中不可或缺的重要概念，它们在我们的日常生活和科学研究中都扮演着关键角色。
坐标系统用于确定位置和距离，而时间系统用于测量和记录时间。
本文将分别探讨坐标系统和时间系统的原理、种类以及应用。
首先，让我们来了解坐标系统。
坐标系统是一种用于描述和定位点在空间中位置的数学和逻辑系统。
它由一组数值或符号组成，用于标识和表示各个点的位置。
坐标系统可以是一维、二维或三维的，分别用于描述一条直线、一个平面或一个立体。
常见的三维坐标系统是笛卡尔坐标系，它以直角坐标的形式描述点在三个互相垂直的轴上的位置坐标。
笛卡尔坐标系以坐标原点为基准，通过三个轴分别表示X、Y和Z轴。
点的位置由三个坐标值表示，分别对应X、Y和Z轴上的距离。
这种坐标系统非常常见，广泛应用于几何、物理和工程学中，用于定位和描述三维空间中的对象和位置。
除了笛卡尔坐标系，还有其他种类的坐标系统，如极坐标系、球坐标系和地理坐标系。
极坐标系使用半径和角度来描述点在平面上的位置，球坐标系使用半径、纬度和经度来描述点在球体上的位置，地理坐标系使用经度和纬度来定位地球上的地点。
不同的坐标系统适用于不同的应用领域，能够更准确地描述和定位物体和地点。
接下来，我们将关注时间系统。
时间系统是一种用于测量和记录时间的系统，用于确定事件发生的先后顺序和持续时间的长短。
时间系统可以是相对的或绝对的。
相对时间系统是以某个事件为基准，将其他事件与之进行比较和计算。
绝对时间系统则是以一个不变的基准来测量时间，如地球自转的周期。
最常见的时间系统是格林威治时间（GMT）和协调世界时（UTC）。
GMT是以伦敦格林威治天文台的时间为基准，被广泛应用于世界各地。
UTC是一种更精确的时间系统，使用原子钟来测量时间，并通过闰秒进行校正。
UTC作为国际标准时间，被广泛应用于科学、航空和通信领域。
除了GMT和UTC，还有其他种类的时间系统，如地方时、夏令时和万年历。
四种卫星定位导航系统的坐标系统与时间系统以及他们的转换关系 ppt课件
-16-
■模板简要说明
-17-
■模板简要说明
-18-
演示完毕 感谢聆听
◎中国风系列作品之“虚竹”
-2-
定义
GPST规定它的起点在1980年1月6日UTC的0点, 它的秒长始终与主控站的原子钟同步,启动之后不 采用跳秒调整。根据对GPS时间系统起点的规定, 知道GPST与国际原子时有固定19秒的常数差,而 且在1980年之后与UTC另外还有随时间不断变化 的常数差。如1985年12月,常数差为4秒。 GPST=UTC十4秒 总结 原点:1980年1月6日UTC零时 秒长：原子时秒长 不跳秒
定义
Galileo的时间系统(Galileo system time，GST)：由周数 和周秒组成，也是一个连续计数的时间系统。起算时刻 为UTC时间的1999-08-22 T00：00：00。GST比UTC快 13s。因此，GST和GPST之间相差1024周和一个很小的 偏差(GPS to GalileO time offset，GGTO)。值得注意的 是在RINEX文件中习惯将Galileo周数设为与GPS周数相 同。
四种时间转换关系
+33S
BDT
GPST
+19S
#43;19S
俄罗斯国家参考时
GST
-12-
转换关系
转换关系
转换关系
Geodetic datum transformation
PZ90-WGS84
俄罗斯 MCC（Russian Mission Control Center）给出的 WGS84 与 PZ90 之 间国际上公认精度最高的坐标转换七参数。
COMPASS
坐标系统名：CGCS2000 时 间 系 统 名 ： 北 斗 时 （ BDT ）
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定义
GPST规定它的起点在1980年1月6日UTC的0点, 它的秒长始终与主控站的原子钟同步,启动之后不 采用跳秒调整。根据对GPS时间系统起点的规定, 知道GPST与国际原子时有固定19秒的常数差,而 且在1980年之后与UTC另外还有随时间不断变化 的常数差。如1985年12月,常数差为4秒。 GPST=UTC十4秒 总结 原点:1980年1月6日UTC零时 秒长：原子时秒长 不跳秒
定义
Galileo的时间系统(Galileo system time，GST)：由周数 和周秒组成，也是一个连续计数的时间系统。起算时刻 为UTC时间的1999-08-22 T00：00：00。GST比UTC快 13s。因此，GST和GPST之间相差1024周和一个很小的 偏差(GPS to GalileO time offset，GGTO)。值得注意的 是在RINEX文件中习惯将Galileo周数设为与GPS周数相 同。
四种时间转换关系
+33S
BDT
GPST
+19S
#43;19S
俄罗斯国家参考时
GST
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转换关系
转换关系
转换关系
Geodetic datum transformation
PZ90-WGS84
俄罗斯 MCC（Russian Mission Control Center）给出的 WGS84 与 PZ90 之 间国际上公认精度最高的坐标转换七参数。
COMPASS
坐标系统名：CGCS2000 时 间 系 统 名 ： 北 斗 时 （ BDT ）
GPS课件-坐标系统和时间系统
1
3 2
3
1
1
2 1
1
§2.4 WGS84坐標系
1、WGS84坐標系的定義
Z
協議地極
零子午面
協議地球坐標系
原點：地球質心M
M Y
X
Z軸：指向BIH1985.0定義的協議地極
X軸：指向BIH1985.0定義的零子午面與CTP相應的赤道交點
Y軸：垂直於XMZ平面，構成右手直角坐標系
ZCTS
ZT
xp yp
XCTS
M
協議赤道
XT
暫態赤道
YT
YCTS
X
X
Y
Ry
( x p )Rx
(
y p )Y
Z CTS
Z T
1
Ry
(
x
p
)Rx
(
y
p
)
0
0 1
xp yp
x p y p 1
4、協議天球坐標系到協議地球坐標系的轉換
兩坐標系之間的關係：
1）原點相同，均位於地球質心；
2）暫態天球坐標系的z軸和暫態地球坐標系的Z軸指向相同；
Rz
(ζ
)
sin
ζ
cos ζ
0
0
0 1
z 0.6406161T 0.0003041T 2 0.0000051T 3 ζ 0.6406161T 0.0000839T 2 0.0000050T 3 θ 0.6406161T 0.0001185T 2 0.0000116T 3
T (t t0 ) 從標準曆元 t0 到觀測曆元 t 的儒略世紀數
Y
X
x D sin Z cos A
y
D
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第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
1、天球坐标系和地球坐标系
全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在
空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在
特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言 的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原 点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指 向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球
直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效 的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：
X r cos cos Y r sin cos Z r sin
arct an( Y / X) 2 2 arct an( Z / X Y r X 2 Y 2 Z2
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
3、坐标系统之间的转换
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
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。 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。
(2-6)
代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换 关系式：
( N H ) cos B cos L X sin B cos L sin L cos B cos L x Y ( N H ) cos B sin L sin B sin L cos L cos B sin L y 2 0 sin B Z 球空 cos B z 地平 [ N (1 e ) H ]sin B (2-7)
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：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（4） 卫星测量中常用坐标系
瞬时极天球坐标系与地球坐标系 瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方 向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标 系取向。 瞬时极地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地 球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文 台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球 坐标系与瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。 瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的 转换关系为：
2 2 2 B arctan Z ( N H ) /[ X Y ( N (1 e ) H )] （2－4） 2 H Z / sin B N (1 e )
2 Z N (1 e ) H sin B
J2=108263×10-8 地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（2）、国家大地坐标系 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。 存在的问题： （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。
固定极天球坐标系——平天球坐标系
选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的 章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系—— 平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平 天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。 岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时 刻t真天球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为： x x (2-11)
（2-12） 式中：ε为所论历元的平黄赤交角，⊿ψ，⊿ε分别为黄经章动和交角章动参数。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
固定极地球坐标系——平地球坐标系 极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称 极移。 瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地 球极轴，相应的极点称为瞬时极。 国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为 地球的固定极称为国际协定原点CIO。 图2-5为瞬时极与平极关系。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道 面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x x y R ( x ) R ( y ) y y p x p z em z et
Rz ( Z A ) Ry ( A ) Rz ( A ) y y z M (t ) z M ( t0 )
式中：ζA ，θA，ZA为岁差参数。 章动旋转变换 x 类似地有章动旋转变换式：
y z c (t )
x Rx ( ) Rz ( ) Rx ( ) y z M (t )
（2－3）
式中，N a / 1 e2 sin 2 B，N 为该点的卯酉圈半径； e2 (a 2 b 2 ) / a 2，a, e分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一扁心率。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（3）、站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
站心赤道直角坐标系 如图2-3， P1 _ _ _ 是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角 坐标系 P1 X Y Z 。以P1 为原点建立与 O XYZ 相应坐标轴平行的 坐标系 O _ _XYZ 叫站心赤道直角坐标系。 _ 显然， P1 X Y Z同 O XYZ 坐标系有简单 的平移关系：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
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。
_ X X ( N H ) cos B cos L Y _ ( N H ) cos B sin L Y 2 Z _ N (1 e ) H sin B Z
（2-5)
(2-1)
(2-2)
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（2）、地球坐标系 地球直角坐标系的定义 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。 地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是： 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：
（2-13）
, yp 为t时刻 xp 下标em表示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系， 以角度表示的极移值。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
（1）、WGS-84坐标系
WGS-84的定义：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。 WGS84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理 联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 长半径：a=6378137±2（m）； 地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2； 正常化二阶带谐系数：C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9；
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
站心地平直角坐标系
以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x 轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直 角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：
_ X x sin B cos L sin L cos B cos L _ y sin B sin L cos L cos B sin L R z 180 L R（ 90 B ） P Y y y _ 0 sin B z 地平 cos B Z 站赤
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
1、天球坐标系和地球坐标系
全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在
空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在
特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言 的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原 点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指 向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球
直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效 的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：
X r cos cos Y r sin cos Z r sin
arct an( Y / X) 2 2 arct an( Z / X Y r X 2 Y 2 Z2
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
3、坐标系统之间的转换
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
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。 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。
(2-6)
代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换 关系式：
( N H ) cos B cos L X sin B cos L sin L cos B cos L x Y ( N H ) cos B sin L sin B sin L cos L cos B sin L y 2 0 sin B Z 球空 cos B z 地平 [ N (1 e ) H ]sin B (2-7)
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：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（4） 卫星测量中常用坐标系
瞬时极天球坐标系与地球坐标系 瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方 向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标 系取向。 瞬时极地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地 球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文 台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球 坐标系与瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。 瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的 转换关系为：
2 2 2 B arctan Z ( N H ) /[ X Y ( N (1 e ) H )] （2－4） 2 H Z / sin B N (1 e )
2 Z N (1 e ) H sin B
J2=108263×10-8 地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（2）、国家大地坐标系 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。 存在的问题： （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。
固定极天球坐标系——平天球坐标系
选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的 章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系—— 平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平 天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。 岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时 刻t真天球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为： x x (2-11)
（2-12） 式中：ε为所论历元的平黄赤交角，⊿ψ，⊿ε分别为黄经章动和交角章动参数。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
固定极地球坐标系——平地球坐标系 极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称 极移。 瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地 球极轴，相应的极点称为瞬时极。 国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为 地球的固定极称为国际协定原点CIO。 图2-5为瞬时极与平极关系。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道 面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x x y R ( x ) R ( y ) y y p x p z em z et
Rz ( Z A ) Ry ( A ) Rz ( A ) y y z M (t ) z M ( t0 )
式中：ζA ，θA，ZA为岁差参数。 章动旋转变换 x 类似地有章动旋转变换式：
y z c (t )
x Rx ( ) Rz ( ) Rx ( ) y z M (t )
（2－3）
式中，N a / 1 e2 sin 2 B，N 为该点的卯酉圈半径； e2 (a 2 b 2 ) / a 2，a, e分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一扁心率。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（3）、站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系
站心赤道直角坐标系 如图2-3， P1 _ _ _ 是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角 坐标系 P1 X Y Z 。以P1 为原点建立与 O XYZ 相应坐标轴平行的 坐标系 O _ _XYZ 叫站心赤道直角坐标系。 _ 显然， P1 X Y Z同 O XYZ 坐标系有简单 的平移关系：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
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。
_ X X ( N H ) cos B cos L Y _ ( N H ) cos B sin L Y 2 Z _ N (1 e ) H sin B Z
（2-5)
(2-1)
(2-2)
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
（2）、地球坐标系 地球直角坐标系的定义 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。 地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是： 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：
（2-13）
, yp 为t时刻 xp 下标em表示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系， 以角度表示的极移值。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
（1）、WGS-84坐标系
WGS-84的定义：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。 WGS84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理 联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 长半径：a=6378137±2（m）； 地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2； 正常化二阶带谐系数：C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9；
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
站心地平直角坐标系
以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x 轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直 角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：
_ X x sin B cos L sin L cos B cos L _ y sin B sin L cos L cos B sin L R z 180 L R（ 90 B ） P Y y y _ 0 sin B z 地平 cos B Z 站赤