第二章坐標與時間系統(tǒng)

1、 1第二章 坐標與時間主要內(nèi)容主要內(nèi)容 地球的運動地球的運動 天球及天球坐標系天球及天球坐標系 協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系 GPS坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng) 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 21.1 1.1 地球的運動地球的運動p極半徑：極半徑：6357kmp赤道半徑：赤道半徑：6378kmp地球是一個赤道略鼓、兩極地球是一個赤道略鼓、兩極稍扁、不很規(guī)則的球體。稍扁、不很規(guī)則的球體。地球的形狀地球的形狀 3經(jīng) 線p經(jīng)線：在地球儀上，人為經(jīng)線：在地球儀上，人為劃定的連接南、北兩極的劃定的連接南、北兩極的線，即子午線。線，即子午線。p經(jīng)度：國際上規(guī)定，通過經(jīng)度：國際上規(guī)定，通過英國倫敦格林尼治天文臺英國倫敦格林尼治天文

2、臺附近的經(jīng)線為附近的經(jīng)線為0經(jīng)線（經(jīng)線（本初子午線）本初子午線）p從從0經(jīng)線向東、向西各經(jīng)線向東、向西各劃分為劃分為180，分別為東，分別為東經(jīng)和西經(jīng)。經(jīng)和西經(jīng)。 4緯 線p緯線：在地球儀上，人為緯線：在地球儀上，人為劃定的與經(jīng)線垂直的線圈劃定的與經(jīng)線垂直的線圈。p緯度：緯度： 將赤道定為將赤道定為0，向北、向南各劃分為向北、向南各劃分為90，分別為北緯和南緯。，分別為北緯和南緯。p南北半球的分界線是赤道南北半球的分界線是赤道。兩個極點的緯度分別是。兩個極點的緯度分別是90N和和90S。 5經(jīng) 緯 網(wǎng)p經(jīng)線和緯線相交，就經(jīng)線和緯線相交，就可以確定一點的位置?？梢源_定一點的位置。p在同一條經(jīng)線上

3、，每隔在同一條經(jīng)線上，每隔緯度緯度1，距離大約是，距離大約是_km。p在赤道上，每隔經(jīng)度在赤道上，每隔經(jīng)度1，距離大約是，距離大約是_km。 61.2 1.2 地球的自轉(zhuǎn)地球的自轉(zhuǎn)p方向：自西向東方向：自西向東繞地軸繞地軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。p地軸北端始終指地軸北端始終指向北極星。向北極星。 7自 轉(zhuǎn) 周 期p 恒星距地球非常遙遠，恒星距地球非常遙遠， “三顆三顆恒星恒星”實際上是同一顆恒星。實際上是同一顆恒星。p 地球自轉(zhuǎn)同時，繞太陽公轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)同時，繞太陽公轉(zhuǎn)。p 計時的開始與結(jié)束都是計時的開始與結(jié)束都是“三點三點一線一線”。p 恒星日（恒星日（E1E2）：）： 360 23h56m4sp 太陽日

4、（太陽日（E1E3）：）： 36059 24h 8恒星日和太陽日p真正的自轉(zhuǎn)周期是恒星日真正的自轉(zhuǎn)周期是恒星日p常說的常說的1天是太陽日天是太陽日p恒星日恒星日23時時56分分4秒，是地球自轉(zhuǎn)的秒，是地球自轉(zhuǎn)的真正周期真正周期p太陽日太陽日24時，是地球自轉(zhuǎn)時，是地球自轉(zhuǎn)36059 的的時間時間 參照物不同，結(jié)果不同 9自轉(zhuǎn)角速度p地球表面除南北極點外，地球表面除南北極點外，任何地方角速度都一樣任何地方角速度都一樣。p地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速度=地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)角度角度/自轉(zhuǎn)時間自轉(zhuǎn)時間p 360/周期周期 15/hp自轉(zhuǎn)角速度兩極點為零，自轉(zhuǎn)角速度兩極點為零，其余均約為其余均約為15/h。

5、 10自轉(zhuǎn)線速度p 地球自轉(zhuǎn)線速度隨緯度升地球自轉(zhuǎn)線速度隨緯度升高而降低高而降低。赤道最大，極赤道最大，極點為零。點為零。 p線速度線速度v緯線圈周長緯線圈周長周期周期赤道周長赤道周長cos24h1670cos（km/h）p南北兩極點的自轉(zhuǎn)角速度南北兩極點的自轉(zhuǎn)角速度和線速度都為零。和線速度都為零。 11 地球自轉(zhuǎn)的意義地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生晝夜更替晝夜更替現(xiàn)象：現(xiàn)象：p 地球是一個不發(fā)光、也不透明的地球是一個不發(fā)光、也不透明的球體。球體。p 太陽是一個點光源，平行照射的太陽是一個點光源，平行照射的太陽光，只能使地球的一半被照太陽光，只能使地球的一半被照亮，形成晝半球，而另一半則形亮，形成晝

6、半球，而另一半則形成夜半球。成夜半球。p 晝夜半球的分界線叫晨昏線。晝夜半球的分界線叫晨昏線。 12晨 昏 線APB晨線晨線昏線昏線晨昏線晨昏線晨線晨線黑夜轉(zhuǎn)向白天的交界線黑夜轉(zhuǎn)向白天的交界線昏線昏線白天轉(zhuǎn)向黑夜的交界線白天轉(zhuǎn)向黑夜的交界線 13 地 方 時不同地方產(chǎn)生不同不同地方產(chǎn)生不同地方時地方時： 由于地球的自轉(zhuǎn)，在地球上同一緯線上的兩由于地球的自轉(zhuǎn)，在地球上同一緯線上的兩點，東邊的時刻總是早于西邊。每點，東邊的時刻總是早于西邊。每24小時自小時自轉(zhuǎn)一周，所以地球上經(jīng)度相差轉(zhuǎn)一周，所以地球上經(jīng)度相差15度的地方，度的地方，時間相差時間相差1小時。小時。 14時 區(qū)國際上將不同的地方時統(tǒng)一

7、劃分為國際上將不同的地方時統(tǒng)一劃分為24個時區(qū)個時區(qū)。 151.3 地球的公轉(zhuǎn)p地球運動是自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)這兩種運動的疊加地球運動是自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)這兩種運動的疊加。p公轉(zhuǎn)方向：自西向東（同自轉(zhuǎn)方向）公轉(zhuǎn)方向：自西向東（同自轉(zhuǎn)方向）p公轉(zhuǎn)周期：公轉(zhuǎn)周期：1年年 365d6h9m10s 恒星年（以恒星為參照系）恒星年（以恒星為參照系）p公轉(zhuǎn)軌道：近似正圓的橢圓（太陽位于其公轉(zhuǎn)軌道：近似正圓的橢圓（太陽位于其一焦點）一焦點） 16公轉(zhuǎn)速度R1.5億億km 17自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的比較平均約平均約30km/s平均約平均約1/d近日點處較快近日點處較快遠日點處較慢遠日點處較慢1個恒星年個恒星年365d6h9m10s自自西

8、西向向東東太陽太陽公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)由赤道向兩極遞由赤道向兩極遞減，赤道減，赤道1670km/h，兩極兩極為為0兩極為兩極為0，其余各地約其余各地約15/h1個恒星日個恒星日23h56m4s自自西西向向東東地軸地軸自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)線速度線速度角速度角速度速速 度度周周 期期方方向向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)中心中心運動運動形式形式 18黃 赤 交 角地球公轉(zhuǎn)有兩個基本特性：地球公轉(zhuǎn)有兩個基本特性：p 黃道與赤道之間的夾角為黃道與赤道之間的夾角為23度度26分，即是分，即是黃赤交角黃赤交角。p 地球在公轉(zhuǎn)時地軸傾斜方地球在公轉(zhuǎn)時地軸傾斜方向不變，始終指向北極星向不變，始終指向北極星。 19黃赤交角的意義 20黃赤交角的意義p 在地

9、球繞日公轉(zhuǎn)時，太陽有時直射北半球，直射的最北界在地球繞日公轉(zhuǎn)時，太陽有時直射北半球，直射的最北界限為北緯限為北緯2323度度2626分，這條緯線被稱為分，這條緯線被稱為北回歸線北回歸線，每年，每年6 6月月2222日前后太陽直射北回歸線這一天為日前后太陽直射北回歸線這一天為夏至日夏至日。p 有時直射南半球，直射的最南界限為南緯有時直射南半球，直射的最南界限為南緯2323度度2626分，這條分，這條緯線被稱為緯線被稱為南回歸線南回歸線。每年。每年1212月月2222日前后太陽直射南回歸日前后太陽直射南回歸線，這一天為線，這一天為冬至日冬至日。p 每年每年3 3月月2121日前后太陽直射赤道，日前

10、后太陽直射赤道，春分春分。 每年每年9 9月月2323日前后太陽直射赤道，日前后太陽直射赤道，秋分秋分。p 地球以一年為周期繞太陽運轉(zhuǎn)，太陽直射點相應地在南北地球以一年為周期繞太陽運轉(zhuǎn)，太陽直射點相應地在南北回歸線之間往返移動?；貧w線之間往返移動。 21地球公轉(zhuǎn)的意義產(chǎn)生晝夜長短變化產(chǎn)生晝夜長短變化p 晨昏線與太陽直射光線的晨昏線與太陽直射光線的關系是相互垂直，由于太關系是相互垂直，由于太陽直射點的位置變化，使陽直射點的位置變化，使得晨昏線把所經(jīng)過的緯線得晨昏線把所經(jīng)過的緯線分割成不同的晝弧和夜弧分割成不同的晝弧和夜弧，從而導致經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)，從而導致經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生不同長度的白晝一周產(chǎn)生不

11、同長度的白晝和黑夜。和黑夜。 太陽直射點的移動太陽直射點的移動 22晝夜長短變化規(guī)律p北半球自春分日至秋分日，太陽直射點在北半球移動，各北半球自春分日至秋分日，太陽直射點在北半球移動，各地晝長于夜，緯度越高晝越長夜越短。南半球相反。地晝長于夜，緯度越高晝越長夜越短。南半球相反。p北半球自秋分到次年春分，太陽直射點在南半球移動，各北半球自秋分到次年春分，太陽直射點在南半球移動，各地晝短夜長，緯度越高夜越長晝越短。南半球相反。地晝短夜長，緯度越高夜越長晝越短。南半球相反。 23極 晝 極 夜p夏至日北半球達到晝最長夜最短，北極圈以內(nèi)出現(xiàn)極晝。夏至日北半球達到晝最長夜最短，北極圈以內(nèi)出現(xiàn)極晝。p冬至

12、日北半球達到晝最短夜最長，北極圈以內(nèi)出現(xiàn)極夜。冬至日北半球達到晝最短夜最長，北極圈以內(nèi)出現(xiàn)極夜。p春分日和秋分日，太陽直射赤道，全球各地晝夜等長，各春分日和秋分日，太陽直射赤道，全球各地晝夜等長，各為為12小時。小時。 24四 季 更 替p由于黃赤交角的存在，地球在以一年為時間由于黃赤交角的存在，地球在以一年為時間的公轉(zhuǎn)中，不同的時間有不同的太陽高度和的公轉(zhuǎn)中，不同的時間有不同的太陽高度和不同的晝夜長短，因此在同一地點不同的時不同的晝夜長短，因此在同一地點不同的時間，地球上有熱量多少的差異。也就出現(xiàn)了間，地球上有熱量多少的差異。也就出現(xiàn)了冷暖的時間差異。冷暖的時間差異。p從天文含義看：夏季就是

13、一年內(nèi)白晝最長，從天文含義看：夏季就是一年內(nèi)白晝最長，太陽最高的季節(jié)。冬季就是一年內(nèi)白晝最短太陽最高的季節(jié)。冬季就是一年內(nèi)白晝最短，太陽最低的季節(jié)。春、秋季就是冬夏季節(jié)，太陽最低的季節(jié)。春、秋季就是冬夏季節(jié)的過渡季節(jié)。的過渡季節(jié)。 25地球的運動總結(jié)地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn) 平面平面 平面平面晝夜長短的晝夜長短的 變化，變化， 的季節(jié)變化的季節(jié)變化 交角交角太陽直射點的回歸運動太陽直射點的回歸運動 的更替、的更替、 的劃分的劃分赤道赤道黃道黃道黃赤黃赤季節(jié)季節(jié)正午太陽高度正午太陽高度四季四季五帶五帶 262.1 天球及天球坐標系坐標系統(tǒng)的三要素坐標系統(tǒng)的三要素p坐標原點位置坐標原點位置

14、p坐標軸指向坐標軸指向p坐標尺度坐標尺度p在在GPS定位中，坐標系原點一般取定位中，坐標系原點一般取地球質(zhì)心地球質(zhì)心，而坐標軸的指向具有一定的選擇性。而坐標軸的指向具有一定的選擇性。p協(xié)議坐標系：協(xié)議坐標系：國際上都通過協(xié)議來確定全球性國際上都通過協(xié)議來確定全球性坐標系統(tǒng)的坐標軸指向，這種共同確認的坐標坐標系統(tǒng)的坐標軸指向，這種共同確認的坐標系稱為協(xié)議坐標系。系稱為協(xié)議坐標系。 27坐 標 系在在GPS定位中，通常采用兩類坐標系統(tǒng)：定位中，通常采用兩類坐標系統(tǒng)：p天球坐標系：天球坐標系： 在空間固定的坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關，對描述在空間固定的坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關，對描述衛(wèi)星的運行位置和狀態(tài)極

15、其方便。衛(wèi)星的運行位置和狀態(tài)極其方便。p地固坐標系：地固坐標系： 地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，對表達地面觀測站的地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，對表達地面觀測站的位置和處理觀測數(shù)據(jù)尤為方便。位置和處理觀測數(shù)據(jù)尤為方便。 282.2 天 球以地球質(zhì)心為中心，以地球質(zhì)心為中心，半徑半徑r為任意長度的為任意長度的一個假想球體。一個假想球體。 29天 球天球作用：天球作用：天文學中通常把參考坐標建立在天球上天文學中通常把參考坐標建立在天球上北天極南天極黃道天球赤道赤經(jīng)赤緯太陽星體地球地球赤道本初子午圈 30天球上的主要點、線為建立球面坐標系統(tǒng)，必須確為建立球面坐標系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點、線、定球面上的一

16、些參考點、線、面和圈。面和圈。p天軸與天極：天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天延伸直線為天軸，天軸與天球的交點球的交點Pn(北天極北天極)Ps(南天南天極極)稱為天極。稱為天極。p天球赤道面與天球赤道：天球赤道面與天球赤道：通通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與天面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。球相交的大圓為天球赤道。 31天球上的主要點、線p天球子午面與天球子午圈：天球子午面與天球子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上包含天軸并經(jīng)過地球上任一點的平面為天球子午面，該面與天球相交的大任一點的平面為天球子午面，該面與天球相交的大

17、圓為天球子午圈。圓為天球子午圈。p黃道：黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當?shù)厍蚬D(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽地球繞太陽公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的運動軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為在天球上的運動軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角黃赤交角，約，約23.50度。度。p黃極：黃極：通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點?？拷碧鞓O的交點稱北黃極，靠近南天極的交點。靠近北天極的交點稱北黃極，靠近南天極的交點稱南黃極。的交點稱南黃極。p春分點：春分點：當太陽在黃道上從天球南半球向北半

18、球運當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時，黃道與天球赤道的交點行時，黃道與天球赤道的交點。p春分點和天球赤道面春分點和天球赤道面是建立參考系的重要基準點和是建立參考系的重要基準點和基準面。基準面。 322.3 天球坐標系天球坐標系又稱為恒星坐標系天球坐標系又稱為恒星坐標系天球空間直角坐標系：天球空間直角坐標系：p原點位于地球的質(zhì)心原點位于地球的質(zhì)心pz軸指向天球的北極軸指向天球的北極Pnpx軸指向春分點軸指向春分點py軸與軸與x、z軸構(gòu)成右手軸構(gòu)成右手坐標系坐標系 33天球球面坐標系p原點位于地球的質(zhì)心原點位于地球的質(zhì)心p赤經(jīng)赤經(jīng)為含天軸和春分點為含天軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過天體的天球

19、子午面與經(jīng)過天體的天球子午面之間的交角的天球子午面之間的交角p赤緯赤緯為原點至天體的連為原點至天體的連線與天球赤道面的夾角線與天球赤道面的夾角p向徑向徑r為原點至天體的距離為原點至天體的距離 34坐 標 轉(zhuǎn) 換p天球赤道坐標系天球赤道坐標系(, , r)p天球直角坐標系天球直角坐標系(x, y, z)p天球直角坐標系與天球球面天球直角坐標系與天球球面坐標系在表達同一天體的位坐標系在表達同一天體的位置時是等價的，二者可相互置時是等價的，二者可相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。coscoscossinsinxyrz 22222arctanarctanrxyzyxzxy 35歲 差 p天球坐標系的建立是假定地球的自轉(zhuǎn)

20、軸在空間的天球坐標系的建立是假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向上是固定的，春分點在天球上的位置保持不方向上是固定的，春分點在天球上的位置保持不變。變。p實際上地球接近于一個赤道隆起的橢球體，在日實際上地球接近于一個赤道隆起的橢球體，在日月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，使地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生進動力矩球在繞太陽運行時，使地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生進動力矩，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點在黃，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學上稱為道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學上稱為歲差歲差，它使春分點每年沿赤道移動，它使春

21、分點每年沿赤道移動0.13秒。秒。 p歲差主要包括歲差主要包括赤道歲差赤道歲差（日月歲差）和（日月歲差）和黃道歲差黃道歲差（行星歲差）。（行星歲差）。p春分點每年西移春分點每年西移50.2，周期約為，周期約為25800年。年。 36章 動 p在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極順時針旋在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)。在天球上這種順時針規(guī)律運動的北天極稱為天球上這種順時針規(guī)律運動的北天極稱為瞬時平北天極瞬時平北天極（簡稱（簡稱平北天極平北天極），相應的天球赤道和春分點稱為），相應的天

22、球赤道和春分點稱為瞬時瞬時天球平赤道和瞬時平春分點天球平赤道和瞬時平春分點。p在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運動軌道以及在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運動軌道以及月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時針旋月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復雜。如果觀測時的北天極稱為轉(zhuǎn)的軌跡十分復雜。如果觀測時的北天極稱為瞬時北天瞬時北天極極（或（或真北天極真北天極），相應的天球赤道和春分點稱為），相應的天球赤道和春分點稱為瞬時瞬時天球赤道和瞬時春分點天球赤道和瞬時春分點（或（或真天球赤道和真春分點真天球赤道和真春分點）。）。則在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞

23、瞬時平則在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌道大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌道大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動章動。 p章動的周期是章動的周期是18.6年。年。 37歲差和章動 p歲差：北天極沿圓形軌道歲差：北天極沿圓形軌道繞北黃極的運動繞北黃極的運動p章動：北天極沿橢圓形軌章動：北天極沿橢圓形軌道運動道運動 38協(xié)議天球坐標系 p協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系(Conventional Inertial SystemCIS) 經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時刻的平天球坐標系。當前經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時刻的平天球坐標系。當前，國際上所采用的天球坐標系國際大地測量協(xié)會和，

24、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)合會確定國際天文協(xié)議聯(lián)合會確定p2000年年1月月15日日12h（J2000.0）的平天球坐標系）的平天球坐標系u Z軸指向軸指向J2000.0的平北天極的平北天極u X軸指向軸指向J2000.0的平春分點的平春分點 39協(xié)議天球坐標系 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 需要進行需要進行歲差和章動改正歲差和章動改正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）歲差改正歲差改正 40

25、2.4 協(xié)議地球坐標系(CTS)p 地固坐標系地固坐標系: 天球坐標系與地球自轉(zhuǎn)無關，導天球坐標系與地球自轉(zhuǎn)無關，導致地球上一固定點在天球坐標系中的坐標隨地致地球上一固定點在天球坐標系中的坐標隨地球自轉(zhuǎn)而變化，應用不方便球自轉(zhuǎn)而變化，應用不方便。p 為了描述地面觀測點的位置，有必要建立與地為了描述地面觀測點的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標系球體相固聯(lián)的坐標系。p 地球坐標系有兩種表達方式：地球坐標系有兩種表達方式： 地心空間直角坐標系和大地坐標系。地心空間直角坐標系和大地坐標系。 41地心空間直角坐標系p原點與地球質(zhì)心重合原點與地球質(zhì)心重合pz軸指向地球北極軸指向地球北極px軸指向格林尼

26、治平子午軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點面與赤道的交點Epy軸垂直于軸垂直于xoz平面構(gòu)成右平面構(gòu)成右手坐標系。手坐標系。 42大地坐標系p地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合p大地緯度大地緯度B為過地面點的橢球法為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角線與橢球赤道面的夾角p大地經(jīng)度大地經(jīng)度L為過地面點的橢球子為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角間的夾角p大地高大地高H為地面點沿橢球法線至為地面點沿橢球法線至橢球面的距離橢球面的距離 43地球坐標系的坐標轉(zhuǎn)換 p 任一地面點在地

27、球坐標系任一地面點在地球坐標系中可表示為（中可表示為（X，Y，Z）和（和（B，L，H），兩者可），兩者可進行互換。進行互換。p 空間大地坐標依附于參考空間大地坐標依附于參考橢球。為建立大地坐標與橢球。為建立大地坐標與直角坐標之間的關系，必直角坐標之間的關系，必須首先定義參考橢球。須首先定義參考橢球。 44坐標轉(zhuǎn)換公式設地球參考橢球長半徑為設地球參考橢球長半徑為a，短半徑為短半徑為b，偏心率為，偏心率為e， N為橢球卯酉圈的曲率半徑。為橢球卯酉圈的曲率半徑。地心緯度，即觀測點和地心連線地心緯度，即觀測點和地心連線與赤道面的夾角與赤道面的夾角, tan=Z/（X2+Y2）1/2；R地心向徑，地心向

28、徑，R=（X2+Y2+Z2）1/2。2()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2arctansinarctan tan1coscosYLXaeBBZWRHNB 122222221sinaNeBabea 45極 移p地球自轉(zhuǎn)軸受日月引力作用使其在空間變化地球自轉(zhuǎn)軸受日月引力作用使其在空間變化，導致，導致章動和歲差章動和歲差。而且還受到地球內(nèi)部質(zhì)量。而且還受到地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響，在地球體內(nèi)部運動，導致不均勻影響，在地球體內(nèi)部運動，導致極移極移。p極移：極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固定的，地極點在地球表面上的位置隨時間而

29、固定的，地極點在地球表面上的位置隨時間而變化的現(xiàn)象。極移將使地球坐標系的變化的現(xiàn)象。極移將使地球坐標系的Z軸方向軸方向發(fā)生變化。主要引起地球瞬時坐標系相對協(xié)議發(fā)生變化。主要引起地球瞬時坐標系相對協(xié)議地球坐標系的旋轉(zhuǎn)。地球坐標系的旋轉(zhuǎn)。p地極移動與歲差和章動是不同的概念，歲差地極移動與歲差和章動是不同的概念，歲差和章動是指地球自轉(zhuǎn)軸在空間指向的移動，而和章動是指地球自轉(zhuǎn)軸在空間指向的移動，而地極移動則是指地球北極與地面參照物的相對地極移動則是指地球北極與地面參照物的相對移動。移動。 46極 移p極移現(xiàn)象主要引起地極移現(xiàn)象主要引起地球瞬時坐標系相對協(xié)議球瞬時坐標系相對協(xié)議地球坐標系的旋轉(zhuǎn)。地球坐標

30、系的旋轉(zhuǎn)。 47地球與天球之間的坐標轉(zhuǎn)換p 根據(jù)協(xié)議地球坐標系和協(xié)議天球坐標系的定義：根據(jù)協(xié)議地球坐標系和協(xié)議天球坐標系的定義：u兩坐標系的原點位置相同；u兩坐標系的z軸指向相同；u兩坐標系x軸的指向不同，其間夾角為春分點的格林尼治恒星時。GAST：春分點的格林尼治恒星時春分點的格林尼治恒星時（Greenwich Apparent Sidereal Time） 48坐標轉(zhuǎn)換過程zTTXxYRGASTyZz zyzxzxyxzCTSCISXxYR RRyZz 兩者的坐標原點一致，只需多次旋轉(zhuǎn)坐標軸即可兩者的坐標原點一致，只需多次旋轉(zhuǎn)坐標軸即可 492.5 GPS坐標系統(tǒng)p在在GPS系統(tǒng)中，為確定

31、用戶接收機的位置，系統(tǒng)中，為確定用戶接收機的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時位置應轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地球坐標系統(tǒng)。衛(wèi)星的瞬時位置應轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地球坐標系統(tǒng)。pGPS試驗階段，衛(wèi)星瞬時位置的計算采用試驗階段，衛(wèi)星瞬時位置的計算采用1972年年世界大地坐標系（世界大地坐標系（WGS-72），），1987年年1月月10日日開始采用改進的大地坐標系統(tǒng)開始采用改進的大地坐標系統(tǒng)WGS-84。p世界大地坐標系（世界大地坐標系（World Geodetic System）WGS屬于協(xié)議地球坐標系屬于協(xié)議地球坐標系CTS，p WGS可看成可看成CTS的近似系統(tǒng)。的近似系統(tǒng)。 50WGS-84坐標系pWGS-84坐標系是美國坐

32、標系是美國84年在衛(wèi)星大地測年在衛(wèi)星大地測量的基礎上建立的以地球質(zhì)心為原點的大地量的基礎上建立的以地球質(zhì)心為原點的大地測量基準。測量基準。u Z軸指向軸指向1984北極北極u X軸指向軸指向1984格林威治子午線與赤道交點格林威治子午線與赤道交點u Y軸與軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標系。軸構(gòu)成右手坐標系。 51WGS-84坐標系p由由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數(shù)是歷參數(shù)是WGS-84坐標坐標系的數(shù)據(jù)，故系的數(shù)據(jù)，故GPS測量測量時，先求得測站點的時，先求得測站點的WGS-84坐標，再換算坐標，再換算為當?shù)厥褂玫淖鴺?。為當?shù)厥褂玫淖鴺恕?52橢 球WGS-72與與WGS-84的基本大地參數(shù)：

33、的基本大地參數(shù)：長半徑、扁率、自轉(zhuǎn)角速度、萬有引力常數(shù)長半徑、扁率、自轉(zhuǎn)角速度、萬有引力常數(shù)基本大地參數(shù)基本大地參數(shù)WGS-72WGS-84長半徑長半徑a(m)63781356378137橢球扁率橢球扁率f1/298.261/298.257 (rad/s)7.292115 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.5 532.6 時間系統(tǒng) p時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運行位置及其相互是精確描述天體和衛(wèi)星運行位置及其相互關系的重要基準，也是利用衛(wèi)星進行定位的重要基關系的重要基準，也是利用衛(wèi)星進行定位的重要基準。準。p時間系統(tǒng)的時間系統(tǒng)的重要性重

34、要性：uGPS衛(wèi)星作為高空觀測目標，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運衛(wèi)星作為高空觀測目標，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運行位置同時，必須給出相應瞬間時刻。例如當要求行位置同時，必須給出相應瞬間時刻。例如當要求GPS衛(wèi)星衛(wèi)星位置誤差小于位置誤差小于1cm，則相應的時刻誤差應小于，則相應的時刻誤差應小于2.6 X10-6s。u準確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳準確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。若要距離誤差小于播時間。若要距離誤差小于1cm，則信號傳播時間的測定誤，則信號傳播時間的測定誤差應小于差應小于3 X10-11s 54時間概念p由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標

35、系中地球上由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標系中地球上點的位置是不斷變化的，在地心坐標系中，即點的位置是不斷變化的，在地心坐標系中，即使衛(wèi)星不動，地面點位置與衛(wèi)星的相互位置關使衛(wèi)星不動，地面點位置與衛(wèi)星的相互位置關系也是變化的。系也是變化的。p若要求赤道上一點的位置誤差不超過若要求赤道上一點的位置誤差不超過1cm，則，則時間測定誤差要小于時間測定誤差要小于2 X 10-5s。p時間包含了時間包含了“時刻時刻”和和“時間間隔時間間隔”兩個概念兩個概念。u時刻時刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間，與所獲取數(shù)據(jù)對應的是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間，與所獲取數(shù)據(jù)對應的時刻也稱歷元。時刻也稱歷元。u時間間隔時間間隔是指發(fā)生某

36、一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時間之差。程始末的時間之差。 55時間基準p測量時間必須建立一個測量的基準，即時間的單測量時間必須建立一個測量的基準，即時間的單位（尺度）和原點（起始歷元）。其中時間的尺位（尺度）和原點（起始歷元）。其中時間的尺度是關鍵，而原點可根據(jù)實際應用加以選定。度是關鍵，而原點可根據(jù)實際應用加以選定。p符合下列要求的任何一個可觀察的周期運動現(xiàn)象符合下列要求的任何一個可觀察的周期運動現(xiàn)象，都可用作確定時間的基準：，都可用作確定時間的基準：u 運動是連續(xù)的、周期性的。u 運動的周期應具有充分的穩(wěn)定性。u 運動的周期必須具有復現(xiàn)性，即在

37、任何地方和時間，都可通過觀察和實驗，復現(xiàn)這種周期性運動。 56世界時系統(tǒng)p地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且比較均勻。最地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準早建立的時間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準的世界時系統(tǒng)。的世界時系統(tǒng)。p由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選取的空間參考由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選取的空間參考點不同，世界時系統(tǒng)包括點不同，世界時系統(tǒng)包括:u 恒星時恒星時u 平太陽時平太陽時u 世界時世界時 57恒星時(Siderdal Time, ST) p以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。確定的時間稱為

38、恒星時。p春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一恒星日，即一恒星日，即24個恒星小時。個恒星小時。p恒星時以春分點通過本地子午圈時刻為起算原恒星時以春分點通過本地子午圈時刻為起算原點，在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的點，在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角，同一瞬間不同測站的恒星時不同，具有時角，同一瞬間不同測站的恒星時不同，具有地方性，也稱地方恒星時。地方性，也稱地方恒星時。 58平太陽時(Mean solar Time, MT)p由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運動的開普勒定律由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運動的開普勒定律，可知太陽

39、的視運動速度是不均勻的，如果以真太陽作為，可知太陽的視運動速度是不均勻的，如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)運動的參考點，則不符合建立時間系統(tǒng)的基觀察地球自轉(zhuǎn)運動的參考點，則不符合建立時間系統(tǒng)的基本要求。本要求。p假設一個參考點的視運動速度等于真太陽周年運動的平均假設一個參考點的視運動速度等于真太陽周年運動的平均速度，且在天球赤道上作周年視運動，這個假設的參考點速度，且在天球赤道上作周年視運動，這個假設的參考點在天文學中稱為平太陽。在天文學中稱為平太陽。p平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一平太陽日平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一平太陽日，包含，包含24個平太陽時。平太陽時也具有地方

40、性。個平太陽時。平太陽時也具有地方性。 59世界時(Universal Time, UT) p以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世世界時界時。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。秒定義為一個平太陽日的點不同。秒定義為一個平太陽日的1/86400，是，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運動作為基礎的時間尺度。以地球自轉(zhuǎn)這一周期運動作為基礎的時間尺度。p地球自轉(zhuǎn)存在極移現(xiàn)象，加入極移改正得地球自轉(zhuǎn)存在極移現(xiàn)象，加入極移改正得UT1。加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得UT2。經(jīng)過改。經(jīng)過改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長期變化和不正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長期變化和不規(guī)則變化的影響，世界時規(guī)則變化的影響，世界時UT2不是嚴格均勻的時不是嚴格均勻的時間系統(tǒng)。間系統(tǒng)。 60原子時(Atomic Time-AT)p物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具