1、第二章 坐标系统和时间系统GPS测量原理及应用 概 述 观测站固定在地球表面，其空间位置随地球的自转而运动，而 GPS卫星却总是围绕地球质心旋转，而且与地球自转无关。这样，在地球定位中，需要研究建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，实现坐标系之间的转换。 卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。根据坐标系指向的不同分为两类坐标系：即天球坐标系和地球坐标系。 （ 1）地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标系，便于描述地面观测站的空间位置； （ 2）天球坐标系与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位
2、置。GPS测量原理及应用全球定位系统（ 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 地球坐标系 。 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 天球坐标系和地球坐标系GPS测量原理及应用图 2-1 直
3、角坐标系与球面坐标系 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。 2.1.1 天球坐标系 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， ， ）。 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：GPS测量原理及应用2.1.1 天球坐标系3. 直角坐标系与其等效的天球球面
4、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：(2-1)(2-2) GPS测量原理及应用2.1.2 地球坐标系1地球直角坐标系的定义 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。 图 2-2 直角坐标系和大地坐标系2. 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：GPS测量
5、原理及应用2.1.2 地球坐标系对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系： 3. 直角坐标系与大地坐标系参数间的转换GPS测量原理及应用2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系（ 2-5)GPS测量原理及应用1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 。以 P1 为原点建立与 相应坐标轴平行的坐标系 叫站心赤道直角坐标系。 显然， 同 坐标系有简单 的平移关系：2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系2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：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： GPS测量原理及应用2.1.3 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 3站心地 平极 坐标系 以测站 P1为原点，用测站 P1至卫星 s的距离 r、卫星的方位角 A、卫星的高度角 h为参数建立的与站心地平直角坐标系 P1 xyz相等价的坐标系称为站心地平极坐标系 P1 rAh。GPS测量原理及应用
