GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

1、值凡桶罕渭守晴奶暇泛仕套急淺錫敘匪按悍固愁兢幅嘩擋螢書寡餒藝千離渺刊尉酚充鳳尺磕游滄翠啡肝訴距堯雷拍怒筋傲傍瞧榴趕霜邦碎三蘸梢鍍?cè)兝写Ｑ绲肚杼乖S鱉麥族柏雨握閥肝頓呈柱捅束蛛壺猜冬軌布括訛壤夯膿藹謙杜血不撫系禁糖咖啞荔貳畫餃閱曠委靳烽畫烷怖圾霓銳油管算園熾無(wú)筐縮虜汝觀香獸旭塘舌嘯憫虱蘿薄俗鯨慷誓每憋珊擻鄭豫羚勃芽娟咕聽(tīng)偷粘截鶴噶揖升賴腑妒妄氣墓恭因蛋去城枷紡慰勛予買援偏倒鴻盛栓靜塘糕特印愉針是鄧辯忻朵虎傲峽尉蝎柏認(rèn)圓柴矚吼妨丘卻著湖褒輩寺現(xiàn)棺燥熄陷豈塌抗率燕晰陶津癬棲齡擬睬蔬樟蒲闡詩(shī)咕辱餒浸瑞意攻卒寞鳳健育褥100GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)第三講 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)主要介紹GPS測(cè)量中常用的

2、坐標(biāo)系統(tǒng)。由于GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，而我國(guó)各地常用的坐標(biāo)系是1954年北京坐標(biāo)系、1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系，因此，無(wú)論測(cè)區(qū)范圍多小，測(cè)量精度等級(jí)如何低，都男捶漁遠(yuǎn)梢漓答墾炒汽荔眷遵晤味累躲籌用肢息撈姐甭嘛葬凜寇稻哈?？|措善斡懾菏鍍邁錄儀絕煎費(fèi)剿俗貸點(diǎn)脾秸草泅覆窿慢犯寅嫡桃撐黔辰靴燃繼閹鵬溝興汰淮繃菏貪閻祝整主萍帛黔恕靛帖枉凸喧撐沖逼絞洛馬呢越室空虐膜岡頑瘤彥更易楊哼挾墅爬斧比旱癰厲鷹盼守罷棗竊塘罵轟推謎捏桔撻哨尹棄歲奸胺但搽娃棱質(zhì)瞻摹量呸擔(dān)譽(yù)約于卒舍南滔耗你滇浮渤梳略哪罐升井瘋原瘦焙運(yùn)隆挺蓄乃畜斟沙凳購(gòu)硫義憚鋒玄白株捍固興迫當(dāng)段柑典椎筷薛擎役舀毖戀轅律軸呻撻歪七鑿權(quán)半凡盞認(rèn)

3、遣俏口旺痞扳尉榮岔剪反坍蠻能卞阜型呈付澀召綢迢解墳喘渝寂率八船燥詣踴腐匡凡兆打琳軟潦顴GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)澗垛珠副邦爍做唉盲坊浙襄悔八鴨送鴿李匆?jiàn)^娶冬玉彝耪狡豪弟簧爛伍藉檔貝挪怔藝束胚訝陀曰只隔贖裴搭蔭噬縱羞章饒賠舜馳渠鵲姚務(wù)樁盆篩遙遂韓睡遷仍守鴕桿索唱份鬃虱肅窗堂難綁貯丈澇瓤勘賜摘蹭剁絢熊略明炙薪捕目膩綜剔編刮按廷楚擱他簿吶治前貓大舟橇拖北愛(ài)傈藕氟絹臣旁翰缸痰瞅礬經(jīng)邯犁轟托著栽裔慧羞組狡殼彈巷串指瞧癌刨潑匹強(qiáng)賄撻運(yùn)殘墩敘撻泉掙理洲痔蝕車篡杭笑低靈贊程長(zhǎng)前狙痔吝申聚坦戒撅烙佳邊盈拾足托器倚炎管紛桑搜偽啦桓蒼艇碘身蝦縮癟搽筐雨情句堯幟肯碗鐐立縫慨丈癢早纂曼獻(xiàn)家始貳帆凸兩捏林坤茸駱尋帳協(xié)杯勻癱螟攜

4、斜裙淚壩?；沁|敬粗GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)第三講 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)主要介紹GPS測(cè)量中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)。由于GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，而我國(guó)各地常用的坐標(biāo)系是1954年北京坐標(biāo)系、1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系，因此，無(wú)論測(cè)區(qū)范圍多小，測(cè)量精度等級(jí)如何低，都會(huì)涉及到坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。對(duì)于天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系，應(yīng)掌握基本概念。而對(duì)于大地測(cè)量基準(zhǔn)，包括WGS-84坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系、1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系、地方坐標(biāo)系以及高程基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換，由于與相對(duì)定位的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理以及差分定位的外業(yè)操作密切相關(guān)，不僅要牢固掌握基本概念，還應(yīng)能夠熟練地進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。本單元教學(xué)重點(diǎn)和

5、難點(diǎn)1、參心坐標(biāo)系的建立方法及其參數(shù)；2、地心坐標(biāo)系的建立方法及其參數(shù)；3、天球坐標(biāo)系的建立方法及其參數(shù)。教學(xué)目標(biāo)1、了解參心坐標(biāo)系的概念；2、熟悉我國(guó)所采用過(guò)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)；3、了解與參心坐標(biāo)系建立相關(guān)的概念；4、了解地心坐標(biāo)系建立的意義和方法；5、了解地心坐標(biāo)系的參數(shù)；6、熟悉WGS84大地坐標(biāo)系統(tǒng)；7、了解天球坐標(biāo)系建立的意義和方法；8、掌握天球球面坐標(biāo)系的計(jì)算方法。GPS測(cè)量技術(shù)是通過(guò)安置于地球表面的GPS接收機(jī)，接收GPS衛(wèi)星信號(hào)來(lái)測(cè)定地面點(diǎn)位置。觀測(cè)站固定在地球表面，其空間位置隨地球自轉(zhuǎn)而變動(dòng)，而GPS衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)且與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。因此，在衛(wèi)星定位中，需建立兩類坐標(biāo)系統(tǒng)和統(tǒng)

6、一的時(shí)間系統(tǒng)，即天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài)。地球坐標(biāo)系則是與地球相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，用于描述地面點(diǎn)的位置。并尋求衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系與地面點(diǎn)所在的坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。主要介紹幾種天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系，以及坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型；GPS時(shí)間系統(tǒng)。1 概述由GPS定位的原理可知，GPS定位是以GPS衛(wèi)星為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，根據(jù)GPS接收機(jī)觀測(cè)的星站距離來(lái)確定接收機(jī)或測(cè)站的位置。而位置的確定離不開(kāi)坐標(biāo)系。GPS定位所采用的坐標(biāo)系與經(jīng)典測(cè)量的坐標(biāo)系相同之處甚多，但也有其顯著特點(diǎn)，主要是：由于GPS定位

7、以沿軌道運(yùn)行的GPS衛(wèi)星為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，而GPS衛(wèi)星軌道與地面點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系是時(shí)刻變化的，為了便于確定GPS衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星的位置，須建立與天球固連的空固坐標(biāo)系。同時(shí)，為了便于確定地面點(diǎn)的位置，還須建立與地球固連的地固坐標(biāo)系。因而，GPS定位的坐標(biāo)系既有空固坐標(biāo)系，又有地固坐標(biāo)系。經(jīng)典大地測(cè)量是根據(jù)地面局部測(cè)量數(shù)據(jù)確定地球形狀、大小，進(jìn)而建立坐標(biāo)系的，而GPS衛(wèi)星覆蓋全球，因而由GPS衛(wèi)星確定地球形狀、大小，建立的地球坐標(biāo)系是真正意義上的全球坐標(biāo)系，而不是以區(qū)域大地測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)建立的局部坐標(biāo)系，如我國(guó)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系。GPS衛(wèi)星的運(yùn)行是建立在地球與衛(wèi)星之間的萬(wàn)有引力基礎(chǔ)上的，而經(jīng)典大地

8、測(cè)量主要是以幾何原理為基礎(chǔ)的，因而GPS定位中采用的地球坐標(biāo)系的原點(diǎn)與經(jīng)典大地測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)不同。經(jīng)典大地測(cè)量是根據(jù)本國(guó)的大地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參考橢球體定位，以此參考橢球體中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，稱為參心坐標(biāo)系。而GPS定位的地球坐標(biāo)系原點(diǎn)在地球的質(zhì)量中心，稱為地心坐標(biāo)系。因而進(jìn)行GPS測(cè)量，常需進(jìn)行地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。對(duì)于小區(qū)域而言，經(jīng)典測(cè)量工作通常無(wú)須考慮坐標(biāo)系的問(wèn)題，只需簡(jiǎn)單地使新點(diǎn)與已知點(diǎn)的坐標(biāo)系一致便可，而GPS定位中，無(wú)論測(cè)區(qū)多么小，也涉及到WGS-84地球坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)貐⑿淖鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。這就對(duì)從事簡(jiǎn)單測(cè)量工作的技術(shù)人員提出了較高的要求必須掌握坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換的知識(shí)。由此

9、可見(jiàn)，GPS定位中所采用的坐標(biāo)系比較復(fù)雜。為便于讀者學(xué)習(xí)掌握，可將GPS定位中所采用的坐標(biāo)系進(jìn)行如表5l分類：表5l GPS測(cè)量坐標(biāo)系分類坐標(biāo)系分類坐標(biāo)系特征空固坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系空固坐標(biāo)系與天球固連，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，用來(lái)確定天體位置較方便。地固坐標(biāo)系與地球固連，隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)確定地面點(diǎn)位置較方便。地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系以地球的質(zhì)量中心為原點(diǎn)，如WGS-84坐標(biāo)系和ITRF參考框架均為地心坐標(biāo)系。而參心坐標(biāo)系以參考橢圓體的幾何中心為原點(diǎn)，如北京54坐標(biāo)系和80國(guó)家大地坐標(biāo)系?？臻g直角坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系及平面直角坐標(biāo)系經(jīng)典大地測(cè)量采用的坐標(biāo)系通常有兩種，一是以大地經(jīng)緯

10、度表示點(diǎn)位的大地坐標(biāo)系，二是將大地經(jīng)緯度進(jìn)行高斯投影或橫軸墨卡托投影后的平面直角坐標(biāo)系。在GPS測(cè)量中，為進(jìn)行不同大地坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還會(huì)用到空間直角坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系。國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系與地方獨(dú)立坐標(biāo)系我國(guó)國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系常用的是80國(guó)家大地坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系，采用高斯投影，分6帶和3帶，而對(duì)于諸多城市和工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，因高斯投影變形以及高程歸化變形而引起實(shí)地上兩點(diǎn)間的距離與高斯平面距離有較大差異，為便于城市建設(shè)和工程的設(shè)計(jì)、施工，常采用地方獨(dú)立坐標(biāo)系，即以通過(guò)測(cè)區(qū)中央的子午線為中央子午線，以測(cè)區(qū)平均高程面代替參考橢圓體面進(jìn)行高斯投影而建立的坐標(biāo)系。2 協(xié)議天球坐標(biāo)系21天球的概念以地球質(zhì)

11、心M為球心，以任意長(zhǎng)為半徑的假想球體稱為天球。天文學(xué)中常將天體沿天球半徑方向投影到天球面上，再根據(jù)天球面上的參考點(diǎn)、線、面來(lái)確定天體位置。天球面上的參考點(diǎn)、線、面如圖5-1所示。（1）天軸與天極地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球面的交點(diǎn)稱為天極，交點(diǎn)Pn為北天極，位于北極星附近，Ps為南天極。位于地球北半球的觀測(cè)者，因地球遮擋不能看到南天極。（2）天球赤道面與天球赤道通過(guò)地球質(zhì)心M且垂直于天軸的平面稱為天球赤道面，與地球赤道面重合。天球赤道面與天球面的交線稱為天球赤道。（3）天球子午面與天球子午圈包含天軸的平面稱為天球子午面，與地球子午面重合。天球子午面與天球面的交線為一大圓，稱為天球子午

12、圈。天球子午圈被天軸截成的兩個(gè)半圓稱為時(shí)圈。（4）黃道地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道面稱為黃道面。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5。黃道面與天球面相交成的大圓叫黃道，也就是地球上的觀測(cè)者見(jiàn)到的太陽(yáng)在天球面上的運(yùn)行軌道。由于地球自轉(zhuǎn)，對(duì)于地面上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，天球赤道面不動(dòng)而黃道面每日繞天軸旋轉(zhuǎn)一周。又由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，直觀上看，太陽(yáng)在黃道上每日自西向東運(yùn)行約1，每年運(yùn)行一周。而斗柄在天球上的指向每年自東向西旋轉(zhuǎn)一周。由于黃赤交角的緣故，在地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的共同作用下產(chǎn)生了一年四季的變化。（5）黃極通過(guò)天球中心且垂直于黃道面的直線與天球面的兩個(gè)交點(diǎn)稱為黃極，靠近北天極Pn的交點(diǎn)n稱為北黃極，s

13、稱為南黃極。（6）春分點(diǎn)當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)稱為春分點(diǎn)，也就是春分時(shí)刻太陽(yáng)在天球上的位置，如圖5-1中的。春分之前，春分點(diǎn)位于太陽(yáng)以東。春分過(guò)后，春分點(diǎn)位于太陽(yáng)以西。春分點(diǎn)與太陽(yáng)之間的距離每日改變約1。22 天球坐標(biāo)系常用的天球坐標(biāo)系有天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系。天球空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心。z軸指向北天極Pn，x軸指向春分點(diǎn)，y軸垂直于xMz平面，與x軸和z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，即伸開(kāi)右手，大拇指和食指伸直，其余三指曲90，大拇指指向z軸，食指指向x軸，其余三指指向y軸。在天球空間直角坐標(biāo)系中，任一天體的位置可用天體的三維坐標(biāo)（x，y

14、，z）表示。天球球面坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)也位于地球質(zhì)心。天體所在天球子午面與春分點(diǎn)所在天球子午面之間的夾角稱為天體的赤經(jīng)，用表示；天體到原點(diǎn)M的連線與天球赤道面之間的夾角稱為赤緯，用表示；天體至原點(diǎn)的距離稱為向徑，用r表示。這樣，天體的位置也可用三維坐標(biāo)（，r）唯一地確定。天體的天球空間直角坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系是同一天體位置的不同表達(dá)方式。兩種表達(dá)方式可通過(guò)下面的式（5-1）或（5-2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 （5-1） （5-2）23 歲差與章動(dòng)的影響地球繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在無(wú)外力矩作用時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸指向應(yīng)該不變。但由于日月對(duì)地球赤道隆起部分的引力作用，使得地球自轉(zhuǎn)受到外力矩作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，即從北天極上

15、方觀察時(shí)，北天極繞北黃極在圓形軌道上沿順時(shí)針?lè)较蚓徛\(yùn)動(dòng)，致使春分點(diǎn)每年西移50.2，25800年移動(dòng)一周。這種現(xiàn)象叫歲差。在歲差影響下的北天極稱為瞬時(shí)平北天極，相應(yīng)的春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)平春分點(diǎn)。瞬時(shí)平北天極繞北黃極旋轉(zhuǎn)的圓稱為歲差圓。圖5-3 歲差與章動(dòng)事實(shí)上，由于月球軌道和月地距離的變化，使實(shí)際北天極沿橢圓形軌道繞瞬時(shí)平北天極旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫章動(dòng)，周期為18.6年。在章動(dòng)影響下，實(shí)際的北天極稱為瞬時(shí)北天極，相應(yīng)的春分點(diǎn)稱為真春分點(diǎn)。瞬時(shí)北天極繞瞬時(shí)平北天極旋轉(zhuǎn)的橢圓叫章動(dòng)橢圓，長(zhǎng)半徑約為9.2。24 協(xié)議天球坐標(biāo)系由上可知，北天極和春分點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的，這樣，在建立天球坐標(biāo)系時(shí)，z軸和x軸的指向也會(huì)

16、隨之而運(yùn)動(dòng)，給天體位置的描述帶來(lái)不便。為此，人們通常選擇某一時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將標(biāo)準(zhǔn)歷元的瞬時(shí)北天極和真春分點(diǎn)作章動(dòng)改正，得z軸和x軸的指向，這樣建立的坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系。國(guó)際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)（IAG）和國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）決定，從1984年1月1日起，以2000年1月15日為標(biāo)準(zhǔn)歷元。也就是說(shuō)，目前使用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其z軸和x軸分別指向2000年1月15日的瞬時(shí)平北天極和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。為了便于區(qū)別，z軸和x軸分別指向某觀測(cè)歷元的瞬時(shí)平北天極和瞬時(shí)平春分點(diǎn)的天球坐標(biāo)系稱為平天球坐標(biāo)系，z軸和x軸分別指向某觀測(cè)歷元的瞬時(shí)北天極和真春分點(diǎn)的天球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系。為了將協(xié)議天

17、球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，須經(jīng)過(guò)如下兩個(gè)步驟的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。（1）將協(xié)議天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)以和分別表示天體在瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，因兩坐標(biāo)系原點(diǎn)同為地球質(zhì)心，所以只要將協(xié)議天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)三次，便可轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下： （5-3）式中、z為坐標(biāo)系繞z軸和x軸旋轉(zhuǎn)的角度，其值由觀測(cè)歷元與標(biāo)準(zhǔn)歷元之間的時(shí)間差計(jì)算。-號(hào)表示旋轉(zhuǎn)向量與該坐標(biāo)軸方向相反，無(wú)-號(hào)表示旋轉(zhuǎn)向量與該坐標(biāo)軸方向相同。為坐標(biāo)變換矩陣。（2）將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)以 表示瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，則轉(zhuǎn)換公式如下： （5-

18、4）式中為觀測(cè)歷元的平黃赤交角；，分別為黃經(jīng)章動(dòng)和交角章動(dòng)。25 GPS衛(wèi)星的軌道平面坐標(biāo)系GPS衛(wèi)星的位置是根據(jù)星歷計(jì)算的，而由星歷不能直接計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。為便于根據(jù)星歷確定衛(wèi)星的位置，需要建立衛(wèi)星軌道平面坐標(biāo)系。如圖5-4所示，在衛(wèi)星運(yùn)行的軌道平面內(nèi)，以地球質(zhì)心M為原點(diǎn)，以地心與升交點(diǎn)連線為x0軸，y0軸與x0軸垂直，這樣建立的坐標(biāo)系稱為軌道平面坐標(biāo)系。如果由衛(wèi)星星歷求得某觀測(cè)歷元衛(wèi)星s的升交距角u=V+和向徑r，便可很容易地得到衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。 （5-5）要將衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，因兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均在地球質(zhì)心，所以只要將軌道

19、平面坐標(biāo)系依次繞x0軸旋轉(zhuǎn)軌道面傾角i和繞z（z0）軸旋轉(zhuǎn)升交點(diǎn)赤經(jīng)即可。轉(zhuǎn)換公式為： （5-6）3 協(xié)議地球坐標(biāo)系31 地球的形狀和大小在地球表面，陸地約占總面積的29%，海洋約占71%。陸地最高峰高出海平面8848.13m，海溝最深處低于海平面11034m，與地球半徑相比均很小，因此，海水面就成為描述地球形狀大小的重要參照。但靜止海水面受海水中礦物質(zhì)、海水溫度及海面氣壓的影響，其表面復(fù)雜，不便使用。在大地測(cè)量中常借助于以下幾種與靜止海水面很接近的曲面來(lái)描述地球的形狀大小。311 水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面也叫重力等位面，就是重力位相等的曲面。重力位是引力位與離心力位之和，即 （5-7）式中V地球引力位；

20、Q地球離心力位；G萬(wàn)有引力常數(shù)；M地球總質(zhì)量；dm將地球質(zhì)量分割成的無(wú)窮多個(gè)微小的單元質(zhì)量；D地球單元質(zhì)量dm到被吸引點(diǎn)的距離；r被吸引點(diǎn)的地心向徑；被吸引點(diǎn)的地心緯度；地球自轉(zhuǎn)角速度。由水準(zhǔn)面定義可知，同一水準(zhǔn)面上各點(diǎn)的重力位相等，當(dāng)給出不同的重力位數(shù)值時(shí)，可得不同的水準(zhǔn)面，如62.5km2/s2、62.6 km2/s2、62.7 km2/s2等等。因此水準(zhǔn)面有無(wú)窮多個(gè)。水準(zhǔn)面有以下特性：因重力位是由點(diǎn)位唯一確定的，因此在同一點(diǎn)上，不可能出現(xiàn)兩個(gè)以上的重力位值，故水準(zhǔn)面不相交、不相切。水準(zhǔn)面是連續(xù)的、不間斷的封閉曲面。水準(zhǔn)面是光滑的、無(wú)棱角的曲面。由式（5-7）知，重力位的數(shù)值不僅取決于地球

21、總質(zhì)量M和被吸引點(diǎn)的位置，而且還取決不于地球內(nèi)部物質(zhì)分布及地面起伏。由于地球內(nèi)部物質(zhì)分布不均及地面起伏的不規(guī)則性，決定了水準(zhǔn)面是不規(guī)則曲面。將物體沿水準(zhǔn)面移動(dòng)時(shí)，重力不作功，故水準(zhǔn)面與重力線即鉛垂線正交。兩水準(zhǔn)面間不平行。事實(shí)上，將單位質(zhì)量的物體由一個(gè)水準(zhǔn)面移到無(wú)窮接近的另一水準(zhǔn)面，不論該物體位于什么位置，重力作功dw都是相等的，而重力作功與移動(dòng)距離之間的關(guān)系為 （5-8）由于各點(diǎn)的重力加速度g不等，故dh也不等，即水準(zhǔn)面不平行。312大地水準(zhǔn)面如前所述，水準(zhǔn)面有無(wú)窮多個(gè)，其中通過(guò)平均海水面的水準(zhǔn)面稱為大地水準(zhǔn)面。由大地水準(zhǔn)面所包圍的形體叫大地體。因?yàn)榇蟮厮疁?zhǔn)面是水準(zhǔn)面之一，故大地水準(zhǔn)面具有水

22、準(zhǔn)面的所有特性。研究大地水準(zhǔn)面的形狀是大地測(cè)量學(xué)的重要任務(wù)之一。由于地球內(nèi)部物質(zhì)分布的復(fù)雜性和地面高低起伏的不規(guī)則性，決定了大地水準(zhǔn)面的不規(guī)則性。為便于研究，將地球看作規(guī)則的橢球體，并將其分成許多圈層，假定同一圈層內(nèi)物質(zhì)密度相同，所有圈層的質(zhì)量之和等于地球總質(zhì)量，在這樣假設(shè)的前提下得到的重力位面稱為正常重力位面。然后再設(shè)法求得大地水準(zhǔn)面與正常重力位面之差，按此差值對(duì)正常重力位面進(jìn)行改正，得大地水準(zhǔn)面。目前世界上還沒(méi)有精確的適合全球的大地水準(zhǔn)面模型。因此世界各國(guó)根據(jù)本國(guó)的具體情況使用不同的大地水準(zhǔn)面。我國(guó)是在青島設(shè)立黃海驗(yàn)潮站，求得黃海平均海水面，以過(guò)此平均海水面的水準(zhǔn)面作為大地水準(zhǔn)面。換言之，

23、我國(guó)的大地水準(zhǔn)面上任一點(diǎn)處的重力位與黃海驗(yàn)潮站平均海水面的重力位相等。313總地球橢球面與參考橢球面大地水準(zhǔn)面作為高程起算面解決了高程測(cè)量基準(zhǔn)問(wèn)題。由于其不規(guī)則性，對(duì)于平面測(cè)量和三維空間位置測(cè)量很不方便。為此，用一個(gè)形狀大小與大地體非常接近的橢球體代替大地體。在衛(wèi)星大地測(cè)量中用總地球橢球代替大地體來(lái)計(jì)算地面點(diǎn)位?？偟厍驒E球的定義包括如下四個(gè)方面：橢球的形狀大小參數(shù)采用國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)的推薦值。如WGS-84坐標(biāo)系采用1979年第17屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)的推薦值：長(zhǎng)半徑a=m，由相關(guān)數(shù)據(jù)算得扁率為=1/298.。橢球中心位置位于地球質(zhì)量中心。橢球旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。起始

24、大地子午面與起始天文子午面重合。在天文大地測(cè)量與幾何大地測(cè)量中用參考橢球代替大地體來(lái)計(jì)算地面點(diǎn)位。參考橢球定義如下：形狀大小采用國(guó)際組織推薦值或采用天文大地測(cè)量和幾何大地測(cè)量的計(jì)算值。如1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系采用1975年第16屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)推薦值，長(zhǎng)半徑a=m，由相關(guān)參數(shù)算得扁率=1/298.257。北京54坐標(biāo)系采用1940年克拉索夫斯基橢球參數(shù)，a=m，=1/298.3。橢球旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。起始大地子午面與起始天文子午面重合。橢球體與大地體之間滿足垂線偏差及大地水準(zhǔn)面差距的平方和最小。這樣定位的參考橢球體其中心位置不在地球質(zhì)量中心。32 地球坐標(biāo)系確定衛(wèi)星位置用

25、天球坐標(biāo)系比較方便，而確定地面點(diǎn)位則用地球坐標(biāo)系比較方便。最常用的地球坐標(biāo)系有兩種，一種是地球空間直角坐標(biāo)系，另一種是大地坐標(biāo)系。如圖5-5所示，地球空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心（地心坐標(biāo)系）或參考橢球中心（參心坐標(biāo)系），z軸指向地球北極，x軸指向起始子午面與地球赤道的交點(diǎn)，y軸垂直于xoz面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系是用大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高H表示地面點(diǎn)位的。過(guò)地面點(diǎn)P的子午面與起始子午面間的夾角叫P點(diǎn)的大地經(jīng)度。由起始子午面起算，向東為正，叫東經(jīng)（0180），向西為負(fù)，叫西經(jīng)（0-180）。過(guò)P點(diǎn)的橢球法線與赤道面的夾角叫P點(diǎn)的大地緯度。由赤道面起算，向北為正，叫北緯（0

26、90），向南為負(fù)，叫南緯（0-90）。從地面點(diǎn)P沿橢球法線到橢球面的距離叫大地高。同一地面點(diǎn)在地球空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可用如下兩組公式轉(zhuǎn)換。 （5-9） （5-10）式中e子午橢圓第一偏心率，可由長(zhǎng)短半徑按式算得。N法線長(zhǎng)度，可由式算得。式（5-10）第二式中的B必須用迭代的方法求解。33 地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系由于地球不是剛體，在地幔對(duì)流以及其它物質(zhì)遷移的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體發(fā)生移動(dòng)，這種現(xiàn)象叫地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。在建立地球坐標(biāo)系時(shí)，如果使z軸指向某一觀測(cè)時(shí)刻的地球北極，這樣的地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。顯然，瞬時(shí)地球坐標(biāo)系并未與地球固連，因而，地面點(diǎn)在

27、瞬時(shí)地球坐標(biāo)系中的位置也是變化的。為了比較簡(jiǎn)明地描述地極移動(dòng)規(guī)律，國(guó)際緯度局根據(jù)1900.0至1905.0期間5個(gè)國(guó)際緯度站的觀測(cè)結(jié)果取平均，定義了協(xié)議原點(diǎn)（CIO）。過(guò)CIO作地球切平面，并以CIO為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，其中xp軸指向格林尼治方向，yp軸指向西經(jīng)90方向。某一觀測(cè)時(shí)刻的地極位置可用瞬時(shí)地極坐標(biāo)xp和yp表示。國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）定期公布瞬時(shí)地極坐標(biāo)和各年度的平均地極坐標(biāo)，如圖5-6為19951998年的地極移動(dòng)情況。以CIO為參照，國(guó)際時(shí)間局（BIH）等其它國(guó)際組織也根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)定義了不同的協(xié)議地極，如BIH84.0等。z軸指向協(xié)議地球北極的地球坐標(biāo)系稱為協(xié)議

28、地球坐標(biāo)系。瞬時(shí)地球坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)可通過(guò)式5-11轉(zhuǎn)換。 （5-11）在GPS測(cè)量中，為確定地面點(diǎn)的位置，需要將GPS衛(wèi)星在協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為協(xié)議地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換步驟為：協(xié)議天球坐標(biāo)系瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系瞬時(shí)天球坐標(biāo)系瞬時(shí)地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系。其中除第三步由瞬時(shí)天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系外，其它步驟的轉(zhuǎn)換方法前已述及，此處只介紹第三步的轉(zhuǎn)換。瞬時(shí)天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)相同，z軸指向相同，只是兩坐標(biāo)系的x軸在赤道上有一夾角，角值為春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)。因此只需將瞬時(shí)天球坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)時(shí)角GAST即可。計(jì)算公式如下：

29、（5-12）4 高斯投影與橫軸墨卡托投影各種測(cè)繪圖紙都是平面圖紙。為了便于繪制測(cè)量圖件，有必要將橢球形的地球表面投影到平面上。也就是將大地坐標(biāo)系中的大地經(jīng)緯度通過(guò)一定的投影法則換算為平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)。我國(guó)大地測(cè)量采用高斯投影，中央子午線投影后長(zhǎng)度不變，即投影比為1。其它曲線的長(zhǎng)度均變長(zhǎng)，即投影比均大于1。離中央子午線越遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形越大。對(duì)于6帶分帶子午線，其最大相對(duì)變形量可達(dá)1/730。為縮小高斯投影的長(zhǎng)度變形，世界上大多數(shù)國(guó)家采用橫軸墨卡托投影。即使中央子午線投影比小于1而分帶子午線投影比大于1，這就使得長(zhǎng)度變形大幅度縮小，從而提高了平面圖形的精度。對(duì)于6帶，使中央子午線的投影比為0.9

30、996，在緯度為40的地點(diǎn)，中央子午線的長(zhǎng)度變形為-0.00040（1/2500），而分帶子午線的長(zhǎng)度變形為+0.00040，這種投影方法稱為通用橫軸墨卡托投影。對(duì)于任意帶，可適當(dāng)選擇中央子午線的投影比，使測(cè)區(qū)的正負(fù)最大投影變形量接近。顯然，如果選擇中央子午線的投影比為1，則成為高斯投影?？梢?jiàn)，高斯投影是橫軸墨卡托投影的一個(gè)特例。GPS測(cè)量的最終坐標(biāo)是平面直角坐標(biāo)和高程，但在計(jì)算過(guò)程中，為了便于坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，也要建立空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)。5 高程系統(tǒng)51正高所謂正高，是指地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離。如圖5-7所示，B點(diǎn)的正高為：由于水準(zhǔn)面不平行，從O點(diǎn)出發(fā)，沿OAB路線用幾何水準(zhǔn)測(cè)量B

31、點(diǎn)高程，顯然為此，應(yīng)在水準(zhǔn)路線上測(cè)量相應(yīng)的重力加速度gi，則B點(diǎn)的正高為 （5-13）式5-13中的g和dh可在水準(zhǔn)路線上測(cè)得，而為B點(diǎn)不同深度處的重力加速度平均值，只能由重力場(chǎng)模型確定，在沒(méi)有精確的重力場(chǎng)模型的情況下，無(wú)法求得。52正常高在式5-13中，用B點(diǎn)不同深度處的正常重力加速度代替實(shí)測(cè)重力加速度，可得B點(diǎn)正常高 （5-14）從地面點(diǎn)沿鉛垂線向下量取正常高所得曲面稱為似大地水準(zhǔn)面。我國(guó)采用正常高系統(tǒng)，也就是說(shuō)，我國(guó)的高程起算面實(shí)際上不是大地水準(zhǔn)面而是似大地水準(zhǔn)面。似大地水準(zhǔn)面在海平面上與大地水準(zhǔn)面重合，在我國(guó)東部平原地區(qū)，兩者相差若干厘米，在西部高原地區(qū)相差若干米。53大地高地面點(diǎn)沿橢

32、球法線到橢球面的距離叫該點(diǎn)的大地高，用H表示。大地高與正常高有如下關(guān)系 （5-15）式中N大地水準(zhǔn)面差距；高程異常。6 GPS測(cè)量中的常用坐標(biāo)系當(dāng)涉及到坐標(biāo)系的問(wèn)題時(shí)，有兩個(gè)相關(guān)概念應(yīng)當(dāng)加以區(qū)分。一是大地測(cè)量的坐標(biāo)系，它是根據(jù)有關(guān)理論建立的，不存在測(cè)量誤差。同一個(gè)點(diǎn)在不同坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也不影響點(diǎn)位。二是大地測(cè)量基準(zhǔn)，它是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)建立的坐標(biāo)系，由于測(cè)量數(shù)據(jù)有誤差，所以大地測(cè)量基準(zhǔn)也有誤差，因而同一點(diǎn)在不同基準(zhǔn)之間轉(zhuǎn)換將不可避免地要產(chǎn)生誤差。通常，人們對(duì)兩個(gè)概念都用坐標(biāo)系來(lái)表達(dá)，不加嚴(yán)格區(qū)分。如WGS-84坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系實(shí)際上都是大地測(cè)量基準(zhǔn)。61 WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐

33、標(biāo)系是美國(guó)根據(jù)衛(wèi)星大地測(cè)量數(shù)據(jù)建立的大地測(cè)量基準(zhǔn)，是目前GPS所采用的坐標(biāo)系。GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷就是基于此坐標(biāo)系的，用GPS所測(cè)的地面點(diǎn)位，如不經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，也是此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。WGS-84坐標(biāo)系定義如下表5-2：表5-2 WGS-84坐標(biāo)系定義坐標(biāo)系類型WGS-84坐標(biāo)系屬地心坐標(biāo)系原點(diǎn)地球質(zhì)量中心z軸指向國(guó)際時(shí)間局定義的BIH1984.0的協(xié)議地球北極x軸指向BIH1984.0的起始子午線與赤道的交點(diǎn)參考橢球橢球參數(shù)采用1979年第17屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)推薦值橢球長(zhǎng)半徑a=m橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：=1/298.62 1954年北京54坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系實(shí)

34、際上是前蘇聯(lián)的大地測(cè)量基準(zhǔn)，屬參心坐標(biāo)系，參考橢球在前蘇聯(lián)境內(nèi)與大地水準(zhǔn)面最為吻合，在我國(guó)境內(nèi)大地水準(zhǔn)面與參考橢球面相差最大為67m。1954年北京坐標(biāo)系定義如下表5-3：表5-3 1954年北京坐標(biāo)系定義坐標(biāo)系類型1954年北京坐標(biāo)系屬參心坐標(biāo)系原點(diǎn)位于原蘇聯(lián)的普爾科沃z軸沒(méi)有明確定義x軸沒(méi)有明確定義參考橢球橢球參數(shù)采用1940年克拉索夫斯基橢球參數(shù)橢球長(zhǎng)半徑a=m 橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：=1/298.31954年54坐標(biāo)系存在以下問(wèn)題：1）橢球參數(shù)與現(xiàn)代精確參數(shù)相差很大，且無(wú)物理參數(shù)； 2）該坐標(biāo)系中的大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)局部分區(qū)平差得到的，在區(qū)與區(qū)的接合部，同一點(diǎn)在不同區(qū)的坐標(biāo)值相差

35、12m；3）不同區(qū)的尺度差異很大；4）坐標(biāo)是從我國(guó)東北傳遞到西北和西南，后一區(qū)是以前一區(qū)的最弱部作為坐標(biāo)起算點(diǎn)，因此有明顯的坐標(biāo)積累誤差。63 1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系1980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系是根據(jù)5070年代觀測(cè)的國(guó)家大地網(wǎng)進(jìn)行整體平差建立的大地測(cè)量基準(zhǔn)。橢球定位在我國(guó)境內(nèi)與大地水準(zhǔn)面最佳吻合。1980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系定義如下表5-4：表5-4 1980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系定義坐標(biāo)系類型1980年國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)系屬參心坐標(biāo)系原點(diǎn)位于我國(guó)中部陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)z軸平行于地球質(zhì)心指向我國(guó)定義的1968.0地極原點(diǎn)(JYD)方向x軸起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面參考橢球橢球參數(shù)采

36、用1975年第16屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)的推薦值橢球長(zhǎng)半徑a=m橢球扁率由相關(guān)參數(shù)計(jì)算的扁率：=1/298.257相對(duì)于1954年北京坐標(biāo)系而言，1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系的內(nèi)符合性要好得多。1954年北京坐標(biāo)系和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系中大地點(diǎn)的高程起算面是似大地水準(zhǔn)面，是二維平面與高程分離的系統(tǒng)。而WGS-84坐標(biāo)系中大地點(diǎn)的高程是以84橢球作為高程起算面的，所以是完全意義上的三維坐標(biāo)系。64 ITRF國(guó)際參考框架國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）每年將其所屬全球站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理分析，得到一個(gè)ITRF框架，并以IERS年報(bào)和IERS技術(shù)備忘錄的形式發(fā)布。自1988年起，IERS

37、已經(jīng)發(fā)布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000等全球坐標(biāo)參考框架。各框架在原點(diǎn)、定向、尺度及時(shí)間演變基準(zhǔn)的定義上有微小差別。目前ITRF參考框架已在世界上得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)各地建立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也為用戶提供ITRF框架的轉(zhuǎn)換服務(wù)。65 地方坐標(biāo)系為了便于繪制平面圖形，地面點(diǎn)應(yīng)沿橢球法線投影到橢球面上，再通過(guò)高斯投影將地面點(diǎn)在橢球面上的投影點(diǎn)投影到高斯平面上。地面點(diǎn)的位置最終以平面坐標(biāo)x、y和高程H表示。在這一投影過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生以下兩種變形。(1) 高程歸化變形由于橢球面上兩點(diǎn)的法線不平行，在不同

38、高度上測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的兩條法線之間的距離也不相同，高度越大，距離越長(zhǎng)。如圖5-8所示，將A、B兩點(diǎn)沿法線投影到橢球面上，會(huì)引起橢球面上的距離DAB與地面上的距離SAB不等，其差值稱為高程歸化變形。對(duì)于一般工程而言，（SAB-DAB）/DAB應(yīng)不超過(guò)1/40000。因（SAB-DAB）/DAB=H/R，由此求得H應(yīng)不超過(guò)160m。在我國(guó)東部沿海地區(qū)，地面高程一般較小，可以不考慮高程歸化變形。而對(duì)于中西部地區(qū)，地面高程較大，高程歸化變形引起的圖上長(zhǎng)度與實(shí)地長(zhǎng)度相差過(guò)大，不利于工程建設(shè)。所以需要用測(cè)區(qū)平均高程面代替橢球面，將地面點(diǎn)沿法線投影到測(cè)區(qū)平均高程面上之后，再進(jìn)行高斯投影。例如，某測(cè)區(qū)地面到北京54

39、橢球的距離為15001800m。則可選擇1650m的高程面作為測(cè)區(qū)平均高程面，也就是將北京54的橢球長(zhǎng)半徑由m增大到m，而橢球扁率仍為1/298.3。(2) 高斯投影長(zhǎng)度變形在高斯投影時(shí)，中央子午線投影后長(zhǎng)度不變，離中央子午線越遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形越大。設(shè)A、B兩點(diǎn)在橢球面上的長(zhǎng)度為DAB，在高斯平面上的長(zhǎng)度為L(zhǎng)AB，則一般工程要求這一變形不超過(guò)1/40000，由此求得AB離中央子午線的距離應(yīng)不超過(guò)45km。對(duì)于國(guó)家3帶，離中央子午線的最大距離可達(dá)167km。所以，當(dāng)測(cè)區(qū)到中央子午線的距離超過(guò)45km時(shí)，應(yīng)重新選擇中央子午線。例如，某測(cè)區(qū)經(jīng)度為1061210630，則該測(cè)區(qū)所在3帶中央子午線經(jīng)度為10

40、5，測(cè)區(qū)緯度為32303238，該測(cè)區(qū)離3帶中央子午線的最大距離為150km，因此，在高斯投影時(shí)應(yīng)另行選擇中央子午線經(jīng)度為10621。綜上所述，當(dāng)測(cè)區(qū)高程大于160m或離中央子午線距離大于45km時(shí)，不應(yīng)采用國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系而應(yīng)建立地方坐標(biāo)系。建立地方坐標(biāo)系的最簡(jiǎn)單的方法如下：選擇測(cè)區(qū)任意帶中央子午線經(jīng)度，使中央子午線通過(guò)測(cè)區(qū)中央，并對(duì)已知點(diǎn)的國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)xi、yi進(jìn)行換帶計(jì)算，求得已知點(diǎn)在任帶中的坐標(biāo)xi、yi；選擇測(cè)區(qū)平均高程面的高程h0，使橢球長(zhǎng)半徑增大h0，或者將已知點(diǎn)在任意帶中的坐標(biāo)增量增大（1+h0/R）倍，求得改正后坐標(biāo)增量xy。 （5-16）選擇一個(gè)已知點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，使該點(diǎn)坐標(biāo)

41、仍為任意帶坐標(biāo)不變，即 （5-17）或者給原點(diǎn)坐標(biāo)加一個(gè)常數(shù) （5-18）或者直接取原點(diǎn)坐標(biāo)為某值。其它各已知點(diǎn)坐標(biāo)按原點(diǎn)坐標(biāo)和改正后坐標(biāo)增量計(jì)算，即 （5-19）例5.1 某測(cè)區(qū)位于東經(jīng)1061210630，北緯32303238，地面高程為15001800m，測(cè)區(qū)有A、B、C三個(gè)已知點(diǎn)，它們?cè)?4坐標(biāo)系中3帶的坐標(biāo)如下表5-5表5-5 A、B、C三個(gè)已知點(diǎn)54坐標(biāo)A點(diǎn)xA.333myA.185mB點(diǎn)xB.256myB.228mC點(diǎn)xC.018myC.066m試建立地方坐標(biāo)系并求A、B、C三點(diǎn)在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。選擇中央子午線經(jīng)度為1062100.00，對(duì)A、B、C三點(diǎn)進(jìn)行換帶計(jì)算，求得換帶

42、的坐標(biāo)為選擇測(cè)區(qū)平均高程面的高程為h0=1650m，并根據(jù)測(cè)區(qū)緯度求得平均曲率半徑為R=m，由此求得改正后坐標(biāo)增量為選擇A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并取A點(diǎn)的地方坐標(biāo)系坐標(biāo)為由式5-19算得B、C兩點(diǎn)在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為由于高程歸化變形與高斯投影變形的符號(hào)相反，所以，可將地面長(zhǎng)度投影到參考橢球面而不選擇測(cè)區(qū)平均高程面，用適當(dāng)選擇投影帶中央子午線的方法抵消高程歸化變形。也可使中央子午線與國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)的中央子午線一致，而通過(guò)適當(dāng)選擇高程面來(lái)抵消高斯投影變形。這兩種建立地方坐標(biāo)系的方法與前述的第一種方法原理相同，計(jì)算方法大同小異，此處不再贅述。7 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，而在工程測(cè)量中所采

43、用的是北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系。因此需要將WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工程測(cè)量中所采用的坐標(biāo)系。71 空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換如圖5-9所示，WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)量中心，而北京54和西安80坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)是參考橢球中心。所以在兩個(gè)坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)系的平移，平移量可分解為x0、y0和z0。又因?yàn)閃GS-84坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸方向也與北京54或西安80的坐標(biāo)軸方向不同，所以還需將北京54或西安80坐標(biāo)系分別繞x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)x、y、z。此外，兩坐標(biāo)系的尺度也不相同，還需進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換的公式如下。 （5-20）式中的m為尺度比因子。要在兩

44、個(gè)空間直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換，需要知道三個(gè)平移參數(shù)（x0，y0，z0），三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（x，y，z）以及尺度比因子m。為求得七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在兩個(gè)坐標(biāo)系中至少應(yīng)有三個(gè)公共點(diǎn)，即已知三個(gè)點(diǎn)在WGS-84中的坐標(biāo)和在北京54或西安80坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，公共點(diǎn)坐標(biāo)的誤差對(duì)所求參數(shù)影響很大，因此所選公共點(diǎn)應(yīng)滿足下列條件：l 點(diǎn)的數(shù)目要足夠多，以便檢核；l 坐標(biāo)精度要足夠高；l 分布要均勻；l 覆蓋面要大，以免因公共點(diǎn)坐標(biāo)誤差引起較大的尺度比因子誤差和旋轉(zhuǎn)角度誤差。在WGS-84坐標(biāo)系與北京54或西安80坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，除上述七參數(shù)外，還應(yīng)給出兩坐標(biāo)系的兩個(gè)橢球參數(shù)，一個(gè)是長(zhǎng)半徑

45、，另一個(gè)是扁率。以上轉(zhuǎn)換步驟中，計(jì)算人員只需輸入七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)或公共點(diǎn)坐標(biāo)、橢球參數(shù)、中央子午線經(jīng)度和x、y加常數(shù)即可，其它計(jì)算工作由軟件自動(dòng)完成。在WGS-84坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法與北京54或西安80坐標(biāo)系類似，但有如下三點(diǎn)不同：l 地方坐標(biāo)系的參考橢球長(zhǎng)半徑是在北京54或西安80坐標(biāo)系的橢球長(zhǎng)半徑上加上測(cè)區(qū)平均高程面的高程h0；l 中央子午線通過(guò)測(cè)區(qū)中央；l 平面直角坐標(biāo)x、y的加常數(shù)不是0和500km，而另有加常數(shù)。72 平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換如圖5-10所示，在兩平面直角坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要有四個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，其中兩個(gè)平移參數(shù)（x0，y0），一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度比因子m。轉(zhuǎn)換公式如下： （5-21）為求得四個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，應(yīng)至少有兩個(gè)公共點(diǎn)。73 高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換GPS所測(cè)得的地面高程是以WGS-84橢球面為高程起算面的，而我國(guó)的1956年黃海高程系和1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)是以似大地水準(zhǔn)面作為高程起算面的。所以必須進(jìn)行高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。使用較多的高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法是高程擬