[科普中國(guó)]-站心坐標(biāo)系

簡(jiǎn)介

站心坐標(biāo)系是以測(cè)站為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，即用準(zhǔn)備好的基座來定點(diǎn)并進(jìn)行觀察和測(cè)量，一般用于施工工程。也用于需了解以觀察者為中心的其他物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如接收機(jī)可見GPS衛(wèi)星的視角、方位角及距離等，需要用到站心坐標(biāo)系。1

分類站心直角坐標(biāo)系定義：以站心（如GPS接收天線中心）為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，Z軸與橢球法線重合，向上為正（天向），y與橢球短半軸重合（北向），x軸與地球橢球的長(zhǎng)半軸重合（東向）所構(gòu)成的直角坐標(biāo)系，稱為當(dāng)?shù)貣|北天坐標(biāo)系（ENU）。2

站心極坐標(biāo)系定義：以站心為坐標(biāo)極點(diǎn)O，以水平面（即xoy平面）為基準(zhǔn)面，以東向軸（即x軸）為極軸，ρ為衛(wèi)星到站點(diǎn)的距離，az為星視方向角（azimuth angle），el為星視仰角（elevation）。

坐標(biāo)變換方法與空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換空間直角坐標(biāo)變換為站心坐標(biāo)的計(jì)算公式如下3

站心坐標(biāo)變換為空間直角坐標(biāo)的計(jì)算公式如下

與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換站心坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間也可以相互轉(zhuǎn)換。如果用戶從站心坐標(biāo)系的原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn) ，那么這個(gè)位移量可先轉(zhuǎn)換成( )，然后再加上站心坐標(biāo)系原點(diǎn)在地心地固坐標(biāo)系的坐標(biāo)得（x，y，z）最后根據(jù)《ECEF坐標(biāo)系》中的公式得出大地坐標(biāo)值 及其變化量 。

反過來，大地坐標(biāo)變化量 也可借助地心地固坐標(biāo)系而轉(zhuǎn)換成站心坐標(biāo)值 。可見站心坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的變換需要不少的計(jì)算量，考慮到基準(zhǔn)橢球體的偏心率e很小，因而為了減少計(jì)算量，又假設(shè)物體以低速運(yùn)動(dòng)，如果用戶在兩個(gè)測(cè)量時(shí)刻之間只運(yùn)行上百米或上千米，那么在絕大部分地區(qū)， 的值與 值比起來應(yīng)該要小得多，在坐標(biāo)變換過程中也就可以忽略之間的細(xì)微差別。近似運(yùn)算公式為：

注意事項(xiàng)站心坐標(biāo)系在使用過程中經(jīng)常涉及坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，其中有些問題需要注意

1、 坐標(biāo)參照系包括基準(zhǔn)和坐標(biāo)系兩部分。

2、任一特定的基準(zhǔn)和任一特定的坐標(biāo)系的組合都形成特定地一個(gè)坐標(biāo)參照系。

3、 坐標(biāo)系包括空間直角(X,Y,Z)、大地坐標(biāo)系(B,L,H)、站心直角(N,E,U)和站心極坐標(biāo)系（R,A,EL）等。

4、 基準(zhǔn)的作用就是給特定的坐標(biāo)系進(jìn)行特定的定位和定向。因此，一個(gè)坐標(biāo)參照系必須同時(shí)包括基準(zhǔn)和坐標(biāo)系兩個(gè)部分才完整。4

相關(guān)概念大地坐標(biāo)系以大地基準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立的坐標(biāo)系稱為大地坐標(biāo)系，也稱為橢球坐標(biāo)系，用（B,L,H）來表示空間任一點(diǎn)的位置。其中，H是該點(diǎn)沿該點(diǎn)處法線至參考橢球面的距離即是我們通常所說的大地高。一般在工程測(cè)量當(dāng)中我們很少使用大地高，而是使用正高或者正常高。4

正高是空間任一點(diǎn)沿該點(diǎn)處垂線至大地水準(zhǔn)面的距離（與大地高的基準(zhǔn)面不一樣）。

正常高由于高程方向上的重力值很難精確表達(dá)出來，所以引入距離方向上的重力平均值來進(jìn)行確定高程值，相應(yīng)的基準(zhǔn)面就是似大地水準(zhǔn)面，因?yàn)樗c大地水準(zhǔn)面十分接近。

大地水準(zhǔn)面差距指的就是空間任一點(diǎn)大地高與正高的差值-------H（大地高）=H（正高）+N；

高程異常指的就是空間任一點(diǎn)大地高與正常高的差值-------H（大地高）=H（正常高）+sita

空間直角坐標(biāo)系實(shí)質(zhì)上點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)就是該點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)形成的向徑在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影；一般坐標(biāo)系原點(diǎn)選在參考橢球的中心（參考橢球分為地心橢球和參心橢球），X軸指向本初子午線與赤道的交點(diǎn)，Z軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行并指向參考橢球的北極，最終與Y軸形成右手直角坐標(biāo)系。一般用（X,Y,Z）來表示任一點(diǎn)的空間位置。