第二章、GPS坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

1、GPS原理及應用原理及應用 第二章第二章 GPSGPS坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 主要內容主要內容 天球及天球坐標系天球及天球坐標系 2.2 2.2 協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系 2.3 GPS2.3 GPS坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng) 2.4 2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 2.1.12.1.1天球主要點、線、圈天球主要點、線、圈 2.1 2.1 天球及天球坐標系天球及天球坐標系 北天極 南天極 黃道 天球赤道 赤經 赤緯 太陽 星體 地球 地球赤道 本初子午圈 定義：以空間某一點為中心、半徑為無窮大的 一個圓球。 作用：天文學中通常把參考坐標建立在天球上 分類：站心天球、地心天球、日心天球 天頂（

2、Z）和天底（Z） 天軸（PP）和天極（南、北天極） 天球赤道面和天球赤道 天球子午面和天球子午圈 上子午圈和下子午圈 上赤道點Q和下赤道點Q 天球上的主要點、線、圈天球上的主要點、線、圈 子午線和東西南北點（E、W、S、N） 時圈 春分點和秋分點 春分點和秋分點 v坐標原點 坐標系統(tǒng)建立的三要素坐標系統(tǒng)建立的三要素 A (B,L,H ) B L H 0 起 始 子 午 面 赤 道 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面 赤道 v坐標軸指向 v表示坐標的參數(shù) 2.1.2 2.1.2 天球坐標系天球坐標系 天球坐標系是以天球及天球上的點線 圈為基礎所建立的坐標系 天球坐標系的定義

3、天球坐標系的定義 v 依天球中心的不同來劃分依天球中心的不同來劃分 日心坐標系、地心坐標系、站心坐標系 天球坐標系的分類天球坐標系的分類 v依所依據(jù)的天球上的點線圈的不同來劃分依所依據(jù)的天球上的點線圈的不同來劃分 時角赤道坐標系 以天球赤道、子午面和上赤道點為依據(jù) 用赤緯和時角t表示 v赤經赤道坐標系赤經赤道坐標系 以天球赤道、過春分點的時圈和春分點 為依據(jù) 用赤經和赤緯表示 v黃道坐標系黃道坐標系 以天球黃道、過春分點的黃經圈和春分 點為依據(jù) 用黃經l和黃維表示 v視差視差 由于觀測者所處位置不同，而使觀 測同一天體的方向發(fā)生變化，這種 變化稱為視差。視差又有周年視差 （恒星視差）、周日視差

4、等之分。 地心、站心與日心天球坐標系的關系地心、站心與日心天球坐標系的關系 恒星的周年視差地心坐標日心坐標 周日視差改正站心坐標地心坐標 視差視差 v地心、站心與日心天球坐標系的關系地心、站心與日心天球坐標系的關系 v 恒星：采用赤經恒星：采用赤經 和赤緯和赤緯 表示表示 v 人造地球衛(wèi)星：采用赤經人造地球衛(wèi)星：采用赤經 、赤緯、赤緯 和距離和距離r r表示表示 不同天體坐標表示方法的不同不同天體坐標表示方法的不同 v 天球赤道坐標系天球赤道坐標系( ( , , , , r)r) 和天球直角坐標系和天球直角坐標系 (x,y,z)(x,y,z) 天球赤道坐標系和天球直角坐標系天球赤道坐標系和天球

5、直角坐標系 sin coscos coscos r z y x 22 222 yx x arctg x y arctg zyxr v 轉換關系轉換關系 歲差和章動 瞬時平天極、瞬時天球平赤道和瞬時 平春分點（僅考慮歲差） 歲差章動對天球坐標的影響歲差章動對天球坐標的影響 歲差、章動導致春分點位置發(fā)生變化 瞬時真天極、瞬時天球真赤道和 瞬時真春分點（考慮歲差和章 動的綜合影響） 歲差章動對天球坐標的影響 協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 經協(xié)商指定的某一特定時刻的平天球坐標系 協(xié)議天球坐標系（協(xié)議天球坐標系（CISCIS）(1)(1) 當前，國際上所采用的天球坐標系當前，

6、國際上所采用的天球坐標系 國際大地測量協(xié)會和國際天文協(xié)議聯(lián)合會確定 從1984年1月1日起采用 為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐 標系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點 當前，國際上所采用的天球坐標系當前，國際上所采用的天球坐標系 國際大地測量協(xié)會和國際天文協(xié)議聯(lián)合會確 定從1984年1月1日起采用 為為20002000年年1 1月月1515日日12h12h（J2000.0J2000.0）的平天球）的平天球 坐標系坐標系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J20

7、00.0的平春分點 協(xié)議天球坐標系與真天球坐標系間的關系協(xié)議天球坐標系與真天球坐標系間的關系 進行歲差和章動改正 協(xié)議天球坐標系（協(xié)議天球坐標系（CISCIS）(2)(2) 特定時刻的特定時刻的 真天球坐標真天球坐標 章動改正章動改正 特定時刻的特定時刻的 平天球坐標平天球坐標 J2000.0的平天球坐標的平天球坐標 （協(xié)議天球坐標）（協(xié)議天球坐標） 歲差改歲差改 正正 。為瞬時真天球坐 ；章動態(tài)系數(shù) 為歲差改正矩陣； 協(xié)議天球坐標； 其中 標 陣為 0 0 X N P X NPXX 1.1.地球直角坐標系的定義地球直角坐標系的定義 原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X 軸指向地球赤道面

8、與格林尼治子午圈的交點， Y軸在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系。 2.2 2.2 協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系 圖2-2 直角坐標系和大地坐標系 2.2.地球大地坐標系的定義地球大地坐標系的定義 地球橢球的中心與地球質心重 合橢球的短軸與地球自轉軸重 合?？臻g點位置在該坐標系中 表述為（L，B，H）。 地球直角坐標系和地球大 地坐標系可用圖2-2表示： 對同一空間點，直角坐標系與大地坐標系 參數(shù)間有如下轉換關系： 3. 3. 直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間的轉換直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間的轉換 2 () c o sc o s () c o ss i n (1)s i n XNHBL YNHB

9、L ZNeHB （2 3 ） 222 2 arctan(/) arctan() /(1) / sin(1) LYX BZNHXYNeH HZBNe （ 2 4） 22 2222 / 1sin ()/, NaeBN eabaa e 式中， 為該點的卯酉圈半徑； ，分別為該大地坐標系對應橢球的長半徑和第一扁心率。 v地心坐標系地心坐標系 坐標原點位于地球質心 地心坐標系與參心坐標系地心坐標系與參心坐標系 v參心坐標系參心坐標系 坐標原點不位于地球質心 v地心坐標系和參心坐標系的特點地心坐標系和參心坐標系的特點 地心坐標系適合于全球用途的應用 參心坐標系適合于局部用途的應用 有利于使局部大地水準面與

10、參考橢球面符合更 好 保持國家坐標系的穩(wěn)定 有利于地心坐標的保密 定義：定義：由于地球內部和外部的種種動力學 因素，使得地球體對于自轉軸產生相對運 動，因而引起了地極的移動，這種現(xiàn)象稱 為極移。 極移極移 極移包括極移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量 極移的測定極移的測定 測定極移 通過測定緯度的變化 ILS（后來的IPMS）和BIH 國際協(xié)用原點CIO（1900-1905平均地極） 極原點（JYD）（中國） 歲差、章動和極移歲差、章動和極移 歲差、章動造成天球坐標的變化 極移造成地球坐標的變化 平地球坐標系和瞬時（真）地球坐標系平地球坐標系和瞬時（真）地球坐標系 v瞬時（

11、真）地球坐標系瞬時（真）地球坐標系 Z軸與瞬時地球自轉軸重合或平行 的地球坐標系 z y x XRYR Z Y X PyPx )()( v平地球坐標系平地球坐標系 Z軸指向空間中某一固定點（平極） 的地球坐標系 平地球坐標(X,Y,Z)和瞬時（真）地 球坐標(x,y,z)的轉換關系 瞬時（真）地球坐標系與瞬時天球坐標系的關系瞬時（真）地球坐標系與瞬時天球坐標系的關系 。天 坐標標為瞬時地球坐標系下的 其中 球坐 標坐標系下的為瞬時),( ),( 100 0cossin 0sincos )( ccc c c c GG GG c c c Gz zyx zyx z y x SS SS z y x S

12、R z y x zc xc yc x y (z) O SG SG v早期的經度零點早期的經度零點 1884，美，華盛頓國際經度會議定義：通過英 國Greenwich天文臺Airy儀中心的子午線為全球 統(tǒng)一的起始子午線。起始子午線與赤道的交點稱 為天文經度零點。 受板塊運動、局部地殼運動和極移的影響 經度零點的問題經度零點的問題 v格林尼治平均子午線格林尼治平均子午線 由多個天文臺共同維持 可減少板塊運動、局部地殼運動和觀測誤差的 影響 CIO-BIHCIO-BIH經度零點經度零點 通過CIO和天文經度零點的子午線稱 為起始子午線，其與CIO赤道的交點 稱為赤道參考點或CIO-BIH經度零點 幾

13、種常用坐標系之間的關系幾種常用坐標系之間的關系 觀測瞬間的真 天球坐標系 歲差、章動改正 旋轉SG角 觀測瞬間的真 地球坐標系 平地球坐標系 極移改正 URRRRRRPN TRRRS T U rPNSrUTr )()()()()()( )()()( 323131 312 3333 AAA pp CRFCRFTRF z GASTyx 轉等；轉，包括極移、地球自為非外部力矩造成的旋 ；轉，包括歲差、章動等為由外部力矩造成的旋 某一歷元的平 天球坐標系 vWGS-84WGS-84坐標系坐標系 2.3 GPS2.3 GPS坐標系坐標系 v國際地球參考框架國際地球參考框架(ITRF)(ITRF) v北京

14、北京5454舊坐標系舊坐標系 v北京北京5454新坐標系新坐標系 WGS-84橢球及其有關常數(shù)：WGS-84采用的橢球是 國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測 量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù) WGS-84WGS-84坐標系坐標系 WGS-84的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系 的原點和尺度變化，并旋轉其參考子午面與BIH定義 的零度子午面一致而得到的一個新參考系，WGS-84 坐標系的原點在地球質心，Z軸指向BIH1984.0定義 的協(xié)定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零 度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構成右手 坐標系。它是一個地固坐標系。

15、長半徑： a=63781372（m）； 地球引力常數(shù)： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正?；A帶諧系數(shù)： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自轉角速度： =729211510-11rads-10.15010-11rads-1 國際地球參考架國際地球參考架 （ITRFITRF） 國際地球參考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球數(shù)百個SLR、VLBI 和GPS站所構成 IGS精密星歷 Z軸指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等

16、 技術維持. 提供站坐標及速度場信息 WGS84WGS84與與ITRFITRF的關系的關系 WGS84地面站坐標精度為1m到2m的精度， ITRF則為厘米級精度 引力常數(shù)不同 WGS-84WGS-84與與ITRFITRF的關系的關系 WGS84與ITRF的轉換關系 （1）橢球參數(shù)有較大誤差。 19541954年北京坐標系年北京坐標系 1. 1954年北京坐標系（BJ54舊） 坐標原點：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問題： （2）參考橢球面與我國大地水準面存在著自西 向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。 （4）定向不明確。 （3）幾何大地測量和物理大地測

17、量應用的參考 面不統(tǒng)一。 坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球：1975年國際橢球。 19801980年國家大地坐標系（年國家大地坐標系（GDZ80GDZ80） 平差方法：天文大地網整體平差。 特點： （1）采用1975年國際橢球。 （2）參心大地坐標系是在1954年北京坐標系基 礎上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為密 合，是多點定位。 （4）定向明確。 （5）大地原點地處我國中部。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。 新1954年北京坐標系（BJ54新）是由1980國 家大地坐標（GDZ80）轉換得來的。 坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 新新19541954

18、年北京坐標系（年北京坐標系（BJ54BJ54新）新） 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：天文大地網整體平差。 BJ54新的特點 ： （1）采用克拉索夫斯基橢球。 （2）是綜合GDZ80和BJ54舊 建立起來的參心 坐標系。 （3）采用多點定位。但橢球面與大地水準面在 我國境內不是最佳擬合。 （4）定向明確。 （5）大地原點與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。 （7）與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同， 其定位相近，但定向不同。 （8）BJ54舊 與BJ54新 無全國統(tǒng)一的轉換參 數(shù)，只能進行局部轉換。 2.4 2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)

19、沙瓶沙瓶 - Sandglass v世界時世界時 時間系統(tǒng)的分類時間系統(tǒng)的分類 v力學時力學時 v原子時原子時 vGPSGPS時時 恒星時恒星時 參考點：春分點 定義：春分點兩次經過地方上子午圈的時間間隔 為一恒星日。并由此派生出“時”、“分”、 “秒”等單位；屬于地方時。 為黃赤交角。為黃經章動，;cosLMSTLAST 數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。 有真恒星時與平恒星時之分 格林尼治恒星時 格林尼治真恒星時 （GAST - Greenwich Apparent Sidereal Time）與格林尼治平恒星時（GMST - Greenwich Mean Sidereal Time

20、） 太陽時太陽時 參考點：太陽：太陽 定義：太陽中心連續(xù)兩次經過地方上子午 圈的時間間隔為一太陽日。并由此派生 出“時”、“分”、“秒”等單位；屬 于地方時。 數(shù)值上等于太陽中心相對于本地子午圈的 時角。 正午（0h）與子夜（12h） 有真太陽時（t）與平太陽時（m）， 真太陽日與平太陽日 從天文年歷中查??；mt 平太陽 周年視運動的軌跡在赤道面 上；運動角速度恒定，且等于真太陽的平 均角速度。 真太陽時與平太陽時之間的關系 定義：格林尼治零子午線處的民用時稱為世 界時。 UT0、UT1與UT2 世界時世界時 01UTUT s TUTUT12 問題的引出：極移和地球自轉的不均勻 （長期趨勢變緩

21、，且存在短周期變化和 季節(jié)性變化） UT0：未經改正的世界時 UT1：引入極移改正（）的世界時 UT2：引入極移改正（）和地球自轉 速度的季節(jié)改正（ Ts）的世界時 定義：根據(jù)行星在太陽系中的運動所得到的時 間，稱為力學時。 2.4.2 2.4.2 力學時力學時 來確定。改正，通常由觀測月亮為世界時化為歷書時的； gg TTUTET1 歷事（書）時 歷書時是以太陽系內的天體公轉運動為基礎 的時間系統(tǒng)，其規(guī)定1900年1月1日12h的回 歸年長度的1/31556925.9747為1歷書秒。在 該瞬間，歷書時與世界時在數(shù)值上相同，其 后關系如下 地球動力學時太陽系質心力學時TDB 與TDT的差別是有相對論效應所引起的 的差值估值。與）日