太原理工大学GNSS卫星定位原理及应用-第二章课件

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1、第二章坐标系统和时间系统第一节天球坐标系与地球坐标系统一、坐标系概述坐标系统是描述点空间位置的参照系统，空间任何一点的位置均可用最少3个坐标参数唯一表示，三个参数随着坐标系或坐标系的组合形式不同而不同。常用的点的坐标表示形式：空间直角坐标（3维形式）--（XYZ）大地坐标（曲线坐标、3维形式）-（BLH）极坐标（3维形式）--（rαδ）高斯平面投影坐标+正常高（2维+1维组合）--（xy）、HN，点的高斯坐标由大地坐标（B、L）投影后形成，高程为正常高把一个坐标系统下同时拥有3个坐标参数的坐标系称3维坐标系；把仅有两个坐标参数（一

2、般为B,L）的坐标系称二维坐标系二、GPS定位中常用到的坐标系天球坐标系CIS空间直角坐标系球面坐标系地球坐标系地球地心地固坐标系CTS坐标系、瞬时地球坐标系3维（BLH）（XYZ）地球参心地固坐标系2维（BL）-（x,y）ITRS-WGS84-GPSE2000-GALILEO？PZ90-GLONASSCGCS2000-BDS1954北京坐标系Beijing541980西安坐标系GDZ80地方独立坐标系国际通用，也是各国坐标系的母体坐标地球站心坐标系3维（XYZ）站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系站心极坐标系1.天球坐标系以圆球

3、为坐标基准，用来描述天体位置的坐标系；主要有空间直角坐标和球面坐标两种等效坐标形式以S点的坐标为例两种坐标形式为：两种天球等效坐标形式的转换关系为：由于天轴（地轴的延伸）指向随时间变化，其变化表现为岁差和章动等天文现象，天极随时间变化形成协议极、瞬时平天极、瞬时真天极三种；天球坐标系也随时间分为CIS、CISM、CIST三种时空形式三者之间的关系由岁差矩阵、章动矩阵决定—《大地测量学基础》天球坐标系协议天球坐标（CIS）瞬时平天球坐标（CISM)瞬时真天球坐标（CIST)P---岁差改正矩阵1）CISCISM岁差参数2）瞬时平天球

4、坐标系CISM瞬时真天球坐标系CIST3）综合上两步GISGIST章动参数3.瞬时真天球坐标---瞬时真地球坐标（天地转换）旋转矩阵，其中GAST为格林尼治视恒星时角4.天地坐标转换过程CIS-CISM-CIST-CTST-CTS上述转换过程可用于GNSS卫星（飞行中的已知点）坐标的转换如GPS卫星转换：由卫星星历提供Kepler根数计算卫星的轨道坐标--协议天球坐标系中的坐标---瞬时平天球坐标系---瞬时真天球坐标---瞬时地球坐标---协议地球坐标（美国的WGS84）第二节GNSS系统的大地坐标系及我国大地坐标系一、GPS坐

5、标系-WGS-84WGS-84定义：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP-ConventionalTerrestrialSystem)方向，X轴指向BIHl984.0的零子午面和CIP-Conventionalinternationalpole赤道的交点，Y轴与Z-O-X平面构成右手坐标系。WGS-84椭球参数:长半轴a＝6378137土±2m；地心引力常数(含大气层)GM＝(3986005l±0.6)l08（m3s-2）正常化二阶带谐系数484．16685*10-6±1.3×l0-9地球自转角速度

6、ω＝7292115×10-11土0.1500×10-11(rad·s-1)利用以上4个基本常数，可以计算出其它的椭球常数，如第一、第二偏心率e2、e'2和扁率α二、GLONASS坐标系-PZ-90定义原点位于地球质心，Z轴指向IERS推荐的协议地球极(1900～1905平均极)方向，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午面交点，Y轴与Z-O-X平面构成右手坐标系。PZ-90坐标基准参数地球平均半径Re=6378136m地球自转角速度ω=0.00007292115rad/s地球引力常数GMe=398600.4km3/s-2地球重力场系

7、数-0.00108263三、BDS坐标系-CGCS2000定义原点位于包括和大气的整个地球质心，Z轴指向初始为(IRP)BHI1984.0方向，经推算指向至参考历元为2000.0地球参考极，X轴指向地球赤道与IERS定义的零子午面(IRM)垂直于Z轴的方向，Y轴与Z-O-X平面构成右手坐标系；2008年7月1日启用。两者在空间三维坐标状态下之差为cm级2-1WGS-84/GPS与PZ-90/GLONASS坐标系转换模型：CGCS2000坐标基准参数地球平均半径Re=6378137m地球自转角速度ω=7.292115×10-5rad

8、/s-1地球引力常数GMe=3.986004418×104km3/s-2地球动力形状因子J2=-0.001082629832258正常椭球与参考椭球一致CGCS2000由三个层次的站网与坐标实现与维持第1层次：A级GNSS卫星定位连续运行参考网，用