遙感GPS-第2章GNSS導航定位時空基準

1、衛(wèi)星定位原理與應用劉智敏劉智敏山東科技大學山東科技大學坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng) 描述衛(wèi)星運動描述衛(wèi)星運動時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 是是 處理觀測數(shù)據(jù)處理觀測數(shù)據(jù) 的的數(shù)學與物理基礎數(shù)學與物理基礎 表達觀測站位置表達觀測站位置uGNSSGNSS時空基準時空基準是GNSS的坐標基準和時間基準，是由相應的GNSS的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)及其參考框架實現(xiàn)的知識點主要內(nèi)容1 1 坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng)協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系我國大地坐標系我國大地坐標系2 2 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時世界時原子時原子時力學時力學時在在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)：一類是一類是空間固

2、定的坐標系空間固定的坐標系 ECI , ECSF Earth-Centred Inential Coordinate System;Earth-Centred Space-Fixed Coordinate System 描述衛(wèi)星（天體）的運行位置和狀態(tài)描述衛(wèi)星（天體）的運行位置和狀態(tài) 極其方便極其方便 根據(jù)牛頓引力定律根據(jù)牛頓引力定律 慣性參考坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關慣性參考坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關 另一類是與另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng) ECEFEarth-Centred Earth-fixed Coordinate System 表達地面觀測站的位置表達地面觀測站的位

3、置 處理處理GPS觀測數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù) 2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)知識點坐標系統(tǒng)是坐標系統(tǒng)是由坐標原點位置、坐標軸指向和尺度所定義的。由坐標原點位置、坐標軸指向和尺度所定義的。在在GPS定位中，定位中， 坐標系原點一般取地球質(zhì)心，坐標系原點一般取地球質(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 為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標系統(tǒng)的坐標軸指向，這種共同確認些全球性坐標系統(tǒng)的坐標軸指向，這種共同確認的坐標系稱為的坐標系稱為協(xié)議坐標系協(xié)議坐標系。Conventional Internation

4、al Coordinate system協(xié)議坐標系協(xié)議坐標系 原點、軸向、尺度原點、軸向、尺度2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)知識點1.天球的基本概念天球的基本概念 天球天球：指以地球質(zhì)心為中心，半徑：指以地球質(zhì)心為中心，半徑r為任意長度的一個假想球體。為任意長度的一個假想球體。 天軸與天極天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點線為天軸，天軸與天球的交點Pn(北天極北天極)Ps(南天極南天極)稱為天極。稱為天極。 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道：通過地球：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面

5、與天球相交的大圓為天球面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。赤道。 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：包含天軸并經(jīng)過天球上任一點的平面為天軸并經(jīng)過天球上任一點的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓球子午面，該面與天球相交的大圓為天球子午圈。為天球子午圈。2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)時圈時圈：通過天軸的平面與天球相交：通過天軸的平面與天球相交的半個大圓。的半個大圓。黃道黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)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時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的運動軌跡。

6、黃道面陽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，與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約約23.50。黃極黃極：通過天球中心，垂直于黃道：通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點?？拷泵娴闹本€與天球的交點?？拷碧鞓O的交點天極的交點 n稱北黃極，靠近稱北黃極，靠近南天極的交點南天極的交點 s稱南黃極。稱南黃極。春分點春分點：當太陽在黃道上從天球南：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時，黃道與天半球向北半球運行時，黃道與天球赤道的交點球赤道的交點 。在天文學和衛(wèi)星大地測量學中，在天文學和衛(wèi)星大地測量學中，春春分點和天球赤道面是建立參考系分點和天球赤道面是建立參考系的重要基準點和基準

7、面。的重要基準點和基準面。u天球的概念天球的概念天球坐標系天球坐標系 在天球坐標系中，任一天體的位置可用天球空間直角坐在天球坐標系中，任一天體的位置可用天球空間直角坐標系和天球球面坐標系來描述。標系和天球球面坐標系來描述。天球空間直角坐標系天球空間直角坐標系的定義：的定義： 原點位于地球的質(zhì)心，原點位于地球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極軸指向天球的北極Pn，x軸指向軸指向春分點春分點 ，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。天球球面坐標系天球球面坐標系的定義：的定義： 原點位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)原點位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng) 為含天軸和春分點的天球為含天軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過天體子午面

8、與經(jīng)過天體s的天球子午面之間的交角，赤緯的天球子午面之間的交角，赤緯 為為原點至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑原點至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑r為原點為原點至天體的距離至天體的距離。知識點天球空間直角坐標系與天球球面坐標系天球空間直角坐標系與天球球面坐標系u天球空間直角坐標系與天球球面坐標系在表達同一天體的位置時是等價的，二者可相互轉(zhuǎn)換。sinsincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr2. 2. 歲差與章動歲差與章動 上述天球坐標系的建立是上述天球坐標系的建立是假定假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向上是固定的，春分點在天球上的位

9、置保持不變。向上是固定的，春分點在天球上的位置保持不變。 慣性坐標系慣性坐標系 實際實際上地球接近于一個赤道隆起的橢球體，在日月和其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，地球在繞太陽運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，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變行時，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變 從而使從而使春分點在黃春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢西移道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學上稱為，此現(xiàn)象在天文學上稱為歲差歲差。precessionprecession 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

10、極以同樣方式繞北黃極轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)順時針旋轉(zhuǎn)。歲差影響歲差影響章動影響 在天球上，這種順時針規(guī)律運動的北天極稱為在天球上，這種順時針規(guī)律運動的北天極稱為瞬時平北天瞬時平北天極極（簡稱平北天極），相應的天球赤道和春分點稱為（簡稱平北天極），相應的天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。 在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運行軌道以及在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運行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轉(zhuǎn)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的軌跡十分復

11、雜。如果觀測時的北天極稱為瞬時北天極（瞬時北天極（或真北天極）或真北天極），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天球赤瞬時天球赤道和瞬時春分點（或真天球赤道和真春分點）道和瞬時春分點（或真天球赤道和真春分點）。 在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北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)，軌跡大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌跡大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動章動。NutationNutation協(xié)議天球坐標系的定義和轉(zhuǎn)換協(xié)議天球坐標系的定義和轉(zhuǎn)換 由于歲差和章動的影響，瞬時天球坐標系的坐標由于歲差和章動的影響，瞬時天球坐標系的坐標軸指向

12、不斷變化，在這種非慣性坐標系統(tǒng)中，不能軸指向不斷變化，在這種非慣性坐標系統(tǒng)中，不能直接根據(jù)牛頓力學定律研究衛(wèi)星的運動規(guī)律。直接根據(jù)牛頓力學定律研究衛(wèi)星的運動規(guī)律。 為建立一個與慣性坐標系相接近的坐標系，通常選為建立一個與慣性坐標系相接近的坐標系，通常選擇某一時刻擇某一時刻t t0 0作為標準歷元，并將此刻地球的瞬時作為標準歷元，并將此刻地球的瞬時自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時春分點的方向，自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時春分點的方向，經(jīng)過該瞬時歲差和章動改正后，作為經(jīng)過該瞬時歲差和章動改正后，作為z z軸和軸和x x軸。軸。 構(gòu)成的空固坐標系構(gòu)成的空固坐標系稱為稱為所取標準歷元的平天球坐標所取標

13、準歷元的平天球坐標系，或協(xié)議天球坐標系，也稱協(xié)議慣性坐標系（系，或協(xié)議天球坐標系，也稱協(xié)議慣性坐標系（Conventional Inertial SystemCISConventional Inertial SystemCIS）J2000.0J2000.0的赤道和春分點定義的（的赤道和春分點定義的（2000.1.15.TDB2000.1.15.TDB）儒略日儒略日2451545.02451545.03.地極移動與協(xié)議地球坐標系u極移(Polar Motion) 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變化的現(xiàn)象u地極點作為地球坐標系的重要基準點，極移將使地球坐標

14、地極點作為地球坐標系的重要基準點，極移將使地球坐標系的系的Z軸方向發(fā)生變化，造成實際工作困難。軸方向發(fā)生變化，造成實際工作困難。u觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置,稱為瞬時地球自轉(zhuǎn)軸稱為瞬時地球自轉(zhuǎn)軸;相相應的極點稱為瞬時極應的極點稱為瞬時極u大量資料表明大量資料表明,地極在地球表面上的運動地極在地球表面上的運動,包含包含2種周期性變種周期性變化化,一種周期約為一年一種周期約為一年,振幅約為振幅約為0.1”的變化的變化;另一種周期約另一種周期約為為432天天,振幅約為振幅約為0.2”的變化的變化,又稱又稱Chandler周期變化周期變化地極運動軌跡地極運動軌跡地極坐標系

15、 為了將協(xié)議天球坐標系的衛(wèi)星坐標，轉(zhuǎn)換為觀測歷元t的瞬時天球坐標系，通常分兩步進行。協(xié)議天球坐標系瞬時平天球坐標系瞬時天球坐標系歲差旋轉(zhuǎn)歲差旋轉(zhuǎn)章動旋轉(zhuǎn)章動旋轉(zhuǎn)知識點2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系(ECEF,CTS)Conventional Terrestrial System1.地球坐標系 由于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球自轉(zhuǎn)而變化，應用不方便。 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)的坐標系地球坐標系,又稱地固坐標系 地球空間直角坐標系 地心大地坐標系地心空間直角坐標系地心空間直角坐標系 地

16、心大地坐標系地心大地坐標系 地心空間直角坐標系：原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點E，Y軸垂直于XOY平面構(gòu)成右手坐標系。 地心大地坐標系：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，大地緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。 任一地面點在地球坐標系中可表示為（X，Y，Z）和（B，L，H），兩者可進行互換。知識點u換算關系如下，其中N為橢球卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的第一偏心率，a、b為橢球的長短半徑。BHeNZLBHNYLB

17、HNXsin)1 (sincos)(coscos)(222222122)sin1 (/abaeBeWWaNNBRHXyarctgLWBZaetgarctgBcoscossin122/12222/122)(ZYXRYXZarctg地極移動與協(xié)議地球坐標系u國際協(xié)議原點CIO 采用國際上5個緯度服務站，以1900-1905年的平均緯度所確定的平均地極平均地極(mean polar)位置作為基準點，平極的位置是相應上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為CIO （Conventional International OriginCIO）。u協(xié)議地球坐標系CTS 與之相應的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤

18、道面。至今仍采用CIO作為協(xié)議地極（conventional Terrestrial PoleCTP）； 以協(xié)議地極為基準點的地球坐標系稱為協(xié)議地球坐標系 （Conventional Terrestrial SystemCTS）；u與瞬時極相應的地球坐標系稱為瞬時地球坐標系。 根據(jù)協(xié)議地球坐標系和協(xié)議天球坐標系的定義可知：（1）兩坐標系的原點均位于地球的質(zhì)心，故其原點位置相同（2）瞬時天球坐標系的z軸與瞬時地球坐標系的Z軸指向相同（3）兩瞬時坐標系x軸與X軸的指向不同，其間夾角為真春分點春分點的格林尼治恒星時的格林尼治恒星時。二者的轉(zhuǎn)換過程如下：知識點地球坐標系的其他表達形式地球坐標系的其他表

19、達形式此外，地球坐標系還有其它表示形式：此外，地球坐標系還有其它表示形式：（1）地球參心坐標系）地球參心坐標系（2）天文坐標系）天文坐標系（3）站心坐標系）站心坐標系（4）高斯平面直角坐標系等）高斯平面直角坐標系等2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)地球參心坐標系地球參心坐標系u處理觀測成果，傳算地面控制網(wǎng)的坐標u選取一參考橢球面為參考面，大地原點為起算點，天文測量確定參考橢球與地球的方位關系，其中心與地球質(zhì)心不重合，只位于地球質(zhì)心附近，被稱為參心坐標系u參心空間直角坐標系定義：原點位于參考橢球中心，Z軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸，X指向起始大地子午面與參考橢球赤道的交點，Y軸構(gòu)成右手坐標系

20、。u地心空間直角坐標系與參心空間直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換 原點位置、坐標軸指向都不同天文坐標系u地心大地坐標系中，以大地水準面代替其中的橢球面，相應坐標系成為天文坐標系u垂線u正常高u地心大地坐標系與天文坐標系之間的轉(zhuǎn)換u垂線偏差u高程異常 如果測量工作以測站為原點，則所構(gòu)成的坐標系稱為測站中心如果測量工作以測站為原點，則所構(gòu)成的坐標系稱為測站中心坐標系（簡稱站心坐標系）。站心坐標系分為坐標系（簡稱站心坐標系）。站心坐標系分為站心地平直角站心地平直角坐標系和站心極坐標系坐標系和站心極坐標系。 站心地平直角坐標系是以測站的橢球法線方向為站心地平直角坐標系是以測站的橢球法線方向為Z軸，以測站軸，以測站

21、大地子午線北端與大地地平面的交線為大地子午線北端與大地地平面的交線為X軸，大地平行圈（軸，大地平行圈（東方向）與大地地平面的交線為東方向）與大地地平面的交線為Y軸，構(gòu)成軸，構(gòu)成左手坐標系左手坐標系。 GPS相對定位確定的是點之間的相對位置，一般用空間直角相對定位確定的是點之間的相對位置，一般用空間直角 坐標差坐標差 或大地坐標差或大地坐標差 表示。如果建立以表示。如果建立以已知點為已知點為 為原點的站心地平直角坐標系則其他點為原點的站心地平直角坐標系則其他點在該坐標系內(nèi)的坐標在該坐標系內(nèi)的坐標 與基線向量的關系為與基線向量的關系為ZYX,HLB,000,ZYXzyx,ZYXBLBLBLLBLB

22、LBzyxjjj000000000000sinsincoscoscos0cossincossinsincossin站 站心極坐標系是以測站的鉛垂線為準，以測站點到站心的空間距離D，高度角Z和大地方位角A表示j點的位置站心地平直角坐標系與站心極坐標系之間也可以轉(zhuǎn)換。Z2.1 GNSS導航定位坐標系統(tǒng)導航定位坐標系統(tǒng)1.經(jīng)典大地測量基準經(jīng)典大地測量基準u大地測量基準是由一組確定測量參考面（參考系）在地球大地測量基準是由一組確定測量參考面（參考系）在地球內(nèi)部的位置和方向，以及描述參考面形狀和大小的參數(shù)來內(nèi)部的位置和方向，以及描述參考面形狀和大小的參數(shù)來表示。表示。u一般選擇一個橢球面作為計算的參考面

23、。同時地球作為宇一般選擇一個橢球面作為計算的參考面。同時地球作為宇宙空間的一個行星，也有重要的物理性質(zhì)宙空間的一個行星，也有重要的物理性質(zhì)u1967年國際大地測量協(xié)會（年國際大地測量協(xié)會（IAG）推薦如下）推薦如下4個量個量來描述來描述地球橢球的基本特征：地球橢球的基本特征： a地球橢球長半徑地球橢球長半徑m J2地球重力場二階帶諧系數(shù)地球重力場二階帶諧系數(shù) GM地球引力與地球質(zhì)量乘積地球引力與地球質(zhì)量乘積km3s-2 地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速度rad/su在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時位置通常應化算到統(tǒng)一的地球坐標系統(tǒng)。u在GPS試驗階段，衛(wèi)星瞬間位置的計算采

24、用了1972年世界大地坐標系（World Geodetic System WGS-72），1987年1月10日開始采用改進的大地坐標系統(tǒng)WGS-84。世界大地坐標系WGS屬于協(xié)議地球坐標系CTS，WGS可看成CTS的近似系統(tǒng)。uWGS-84WGS-84大地坐標系大地坐標系的幾何意義：原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z，X軸構(gòu)成右手坐標系。 對應WGS-84大地坐標系有WGS-84橢球。2.衛(wèi)星大地測量基準WGS-84世界大地坐標系u幾何意義：原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義

25、的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z，X軸構(gòu)成右手坐標系。知識點 為地球重力場正?；A帶諧系數(shù)，等于-J2/51/2基本大地參數(shù)WGS-72WGS-84a(m)63781356378137 或f-484.160510-61/298.26-484.1668510-61/298.257223563(rad/s)7.292115147 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.50 , 2CWGS-72與與WGS-84的基本大地參數(shù)的基本大地參數(shù)0 , 2C1有關時間的基本概念u現(xiàn)代大地測量學上，空間

26、和時間參考系形成四維大地測量學u在天文學和空間科學技術中，時間系統(tǒng)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準。 2.2 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)1有關時間的基本概念在GPS衛(wèi)星定位中，時間系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)在：GPS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，必須給出相應的瞬間時刻。例如當要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應的時刻誤差應小于2.6 10-6s。（ GPS衛(wèi)星運行速度平均約為3.9km/s）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1cm，則信號傳播時間的測定誤差應小于3 10-11s (光速度約

27、為3 108m/s )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，若要求赤道上一點的位置誤差不超過1cm，則時間測定誤差要小于2 10-5s。(地球自轉(zhuǎn)平均速度470m/s) 2.2 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 由上可知，利用GPS進行精密導航和定位，盡可能獲得高精度的時間信息是至關重要的。 時間的含義：u包含了“時刻”和“時間間隔”兩個概念。u時刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學和衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應的時刻也稱歷元。u時間間隔是指發(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。u時間間隔測量稱為相對時間測量u而時刻測量相應稱為絕對時間測量知識點u測量時間必須建立一個測量的

28、基準，即時間的單位（尺度）和原點（起始歷元）。u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。u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：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。 在實踐中，因所選擇的周期運動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。在GPS定位中，具有重要意義的時間系統(tǒng)包括世界時系統(tǒng)、力學時和原子時三種。時間系統(tǒng)u世界時系統(tǒng)u恒星時STu平太陽時u世界時UT0, UT1, UT2u力學時DTu太陽系質(zhì)心力學時TDBu地球質(zhì)心力學時TDTu原子時u國

29、際原子時IATu協(xié)調(diào)世界時UTCuGPST2.世界時系統(tǒng) 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)。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)包括恒星時、平太陽時和世界時。 恒星時(Sidereal TimeST) 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。 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，含24個恒星小時。 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。周日視運動周

30、日視運動u由于地球每天自西向東自轉(zhuǎn)一周，造成了太陽每天早上從東方升起，晚上又從西方落下的自然現(xiàn)象。因為這種現(xiàn)象是地球自轉(zhuǎn)造成的人的視覺效果，所以天文學上把太陽的這種運動叫做周日視運動周日視運動。u月亮的周日視運動周日視運動大家也很熟悉，所不同的是月亮每天升起的時間變化比較大，平均每天比前一天晚升起50分鐘u 像太陽和月亮一樣，滿天的繁星也不是每天都固定在星空中某個地方不動，它們也是每天都在作周日視運動周日視運動，只不過很多人都沒有注意到恒星的這種運動罷了。 平太陽時平太陽時（Mean Solar TimeMTMean Solar TimeMT） 由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運動的由于地球

31、公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運動的開普勒定律開普勒定律，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)的基本要求地球自轉(zhuǎn)運動的參考點，則不符合建立時間系統(tǒng)的基本要求。u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，這個假設的參考點在天度，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文學中稱為平太陽u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

32、一平太陽日，包含包含2424個平太陽時個平太陽時u平太陽時也具有地方性，常稱為地方平太陽時或地方平時平太陽時也具有地方性，常稱為地方平太陽時或地方平時世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。19561956年以前，秒被定義為一個平太陽日的年以前，秒被定義為一個平太陽日的1/864001/86400，是以地球自，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運動作為基礎的時間尺度。轉(zhuǎn)這一周期運動作為基礎的時間尺度。由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在UTUT中加入極移改正得中加入極移改正得UT1UT1。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UT

33、2UT2。雖然經(jīng)過改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長期變化和不規(guī)則雖然經(jīng)過改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長期變化和不規(guī)則變化的影響，世界時變化的影響，世界時UT2UT2不是一個嚴格均勻的時間系統(tǒng)。不是一個嚴格均勻的時間系統(tǒng)。在在GPSGPS測量中，主要用于天球坐標系和地球坐標系之間的轉(zhuǎn)換計測量中，主要用于天球坐標系和地球坐標系之間的轉(zhuǎn)換計算。算。世界時（世界時（Universal TimeUTUniversal TimeUT）以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時 3.原子時（Atomic TimeAT）u物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的

34、電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定度和復現(xiàn)性，由此建立的原子時成為最理想的時間系統(tǒng)。u原子時秒長的定義:位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間為一原子時秒。原子時秒為國際制秒（SI）的時間單位。u原子時的原點為AT=UT2-0.0039su不同的地方原子時之間存在差異，為此，國際上大約100座原子鐘，通過相互比對，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時（International Atomic TimeIAT）u在衛(wèi)星測量中，原子時作為高精度的時間基準，普遍用于精密測定衛(wèi)星信號的傳播時間。u在天文學中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學理論建立的運動方程而編算的，其中所采用的獨立變量是時間參數(shù)T，這個數(shù)學變量T定義為力學時。u根據(jù)描述運動方程所對應的參考點不同，力