第六次課,衛(wèi)星定位的坐標(biāo)20171022

1、第二節(jié)第二節(jié) 衛(wèi)星坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)衛(wèi)星坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)u描述衛(wèi)星的位置天球坐標(biāo)系u描述地球上的點的位置地球坐標(biāo)系Slide 1目錄目錄u1、天球坐標(biāo)系、天球坐標(biāo)系u2、地球坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系u3、GPS坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)u4、時間系統(tǒng)、時間系統(tǒng) 為什么提出坐標(biāo)系？ 描述物體運動，必須有參照物,為描述物體運動而選擇的所有參照物叫參照系（參考系）。參照系是粗略的，不精確的，必須建立坐標(biāo)系。準(zhǔn)確和完善的描述物體的運動，觀測的結(jié)果模擬及 表示或解釋需要建立一個坐標(biāo)系統(tǒng)。 怎樣定義一個坐標(biāo)系？ 坐標(biāo)系固連在參照系上，且與參照系同步運動。要完全定義一個三維空間直角坐標(biāo)系必須明確指出： 坐標(biāo)原點的位置。

2、三個坐標(biāo)軸的指向。 長度單位。Przxyo左手坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系符合右手法則或左手法則：xyzo右手坐標(biāo)系注： 一經(jīng)定義坐標(biāo)系，空間一點對應(yīng)一組坐標(biāo)，坐 標(biāo)系不同，坐標(biāo)值也不同。 為什么選用空間直角坐標(biāo)系？ 任一點的空 間位置可由該點在三個坐標(biāo)面的投影（X，Y，Z）唯一地確定，通過坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換，可以將一個點的位置方便的從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至另一個坐標(biāo)系。與某一空間直角坐標(biāo)系所相應(yīng)的大地坐標(biāo)系（B，L，H），只是坐標(biāo)表現(xiàn)形式不同，實質(zhì)上是完全等價的，兩者之間可相互轉(zhuǎn)化。 GPS定位采用坐標(biāo)系： 在GPS定位測量中，采用兩類坐標(biāo)系，即天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點均在地球的質(zhì)

3、心，而坐標(biāo)軸指向不同。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運行位置和狀態(tài)。地球坐標(biāo)系隨同地球自轉(zhuǎn)，可看作固定在地球上的坐標(biāo)系，用于描述地面觀測站的位置。 在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運動。1 天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系天球：指以地球質(zhì)心M為中心，半徑r為任意長度 的一個假想的球體 。一、天球坐標(biāo)系M黃道黃道Pnsn天球天球赤道赤道Ps天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸；天軸與天球的交點Pn和Ps稱為天極，其中Pn為北天極，為Ps南天極。天球赤道面與天球赤道： 通過地球質(zhì)心M與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。天球赤道面與天球相交的大圓，

4、稱為天球赤道。 黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面 與天球相交的大圓。黃赤交角：黃道與赤道的 夾角。黃極：通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點。其中靠近北天極的交點為北黃極，靠近南天極的交點為南黃極。 春分點：當(dāng)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。注：春分點和天球道赤 面，是建立參考系的重要的基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)面。近日點遠(yuǎn)日點地球太陽春分點秋分點一、天球和天球坐標(biāo)系一、天球和天球坐標(biāo)系天球以地球質(zhì)心為中心，半徑為任意長度的一個假想球體。Slide 101 1、天球、天球天軸:地球自轉(zhuǎn)軸的延伸線u天極:天軸與天球的交點u天球赤道面：通過地球質(zhì)心，與天軸垂直的平面u天球子午面：包

5、含天軸,并通過天球上任何一點的平面Slide 11黃道和春分點黃道和春分點u黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即地球公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的軌道u春分點：當(dāng)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Slide 122 2、天球坐標(biāo)系的兩種表示方法、天球坐標(biāo)系的兩種表示方法u天球球面坐標(biāo)系 (赤經(jīng)，赤緯，向徑)u天球空間直角坐標(biāo)系 (X,Y,Z)p11Slide 13M黃道黃道Pnsn 原點地球質(zhì)心M Z軸指向天球北極Pn X軸指向春分點 Y軸垂直于XMZ平面， 與X軸和Z軸構(gòu)成右 手坐標(biāo)系統(tǒng)。 ZXY天球空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）的定義：MzPs天球天

6、球赤道赤道Pnyxsyzxr 天球中心與地球質(zhì)心M重合，赤經(jīng)為含天軸和春分點的天球子午面與過天體s的天球子午面之間的夾角，赤緯為原點M至天體s的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑為原點M至天體s的距離。天球球面坐標(biāo)（，）的定義： 對同一空間點，直角坐標(biāo)系與其等效的球面坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系： coscosXcossinYsinZ222ZYXXYarctan22arctanYXZMzPs天球天球赤道赤道Pnxsyzxry3 3、建立天球坐標(biāo)系的兩個問題、建立天球坐標(biāo)系的兩個問題u實際地球的形狀近似一個赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸的方向

7、不再保持不變而使春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移歲差、章動P14、15Slide 17歲差：地球?qū)嶋H上不是一個理 想的球體，地球自轉(zhuǎn)軸 方向不再保持不變，這 使春分點在黃道上產(chǎn)生 緩慢的西移，這種現(xiàn)象 在天文學(xué)中稱為歲差。 歲差和章動的影響歲差產(chǎn)生的原因： 日月和其他天體對地球赤道隆起部分的吸引。 主要由日月引力引起。太陽的影響為月球影響的0.46。M黃道黃道Pnsn天球天球赤道赤道歲差周期：25800年，每年春分點西移50.371M黃道Pnsn天球赤道章動：在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極 將繞瞬時平北天極旋轉(zhuǎn)，大致呈橢圓，這 種現(xiàn)象稱為章動。 章動產(chǎn)生的主要原因： 月球軌道面（白道）位置的

8、變化。 章動的規(guī)律 章動的周期：18.6年 章動橢圓的長半軸：9.2 abr n章動橢圓歲差、章動疊加Pn 歲差章動的疊加效果M黃道Pnsn天球天球赤道赤道黃極天極 為了研究問題的方便，我們把歲差和章動分開研究，分別研究兩種現(xiàn)象的規(guī)律，然后再綜合疊加。 在歲差和章動的影響下，瞬時天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的指向在不斷的變化，將不能直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運動規(guī)律。 地球的自轉(zhuǎn)軸不僅受日、月引力作用而使其在空間變化，而且還受地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響在地球內(nèi)部運動。前者導(dǎo)致歲差和章動，后者導(dǎo)致極移。 歲差、章動和極移的影響極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的 位置并不是固定的，因而， 地極點在地球表面上的位

9、 置，是隨時間而變化的， 這種現(xiàn)象稱為極移。 研究分析表明，極移周期有兩種：一種周期約為一年，振幅約為0.1的變化；另一種周期約為432天，振幅約為0.2的變化，即張德勒（S.C.Chandler ）周期變化。 地極移動在平面上的投影1971.01975.01CIO-0.2 +0.2 +0.5 瞬時極：隨時間變化的極點。瞬時自轉(zhuǎn)軸：隨時間變化的自轉(zhuǎn)軸。 瞬時天球坐標(biāo)系：原點：地球質(zhì)心坐標(biāo)軸指向：z軸指向瞬時地球自 轉(zhuǎn)軸x軸指向瞬時春分點y軸與x軸、z軸構(gòu)成 右手坐標(biāo)系M黃道黃道PnsnZXY 4、協(xié)議天球坐標(biāo)系： 為了建立一個與慣性坐標(biāo)系統(tǒng)相接近的坐標(biāo)系，人們通常選擇某一時刻，作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并

10、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，經(jīng)過瞬時的歲差和章動改正后，分別作為X軸和Z軸的指向，由此建立的坐標(biāo)系稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系。在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運動 協(xié)議天球坐標(biāo)系觀測瞬間的平天球坐標(biāo)系瞬時天球坐標(biāo)系歲差章動 協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：二、地球坐標(biāo)系的定義二、地球坐標(biāo)系的定義u地心空間直角坐標(biāo)系u地心大地坐標(biāo)系P12圖2-2思考：和參心坐標(biāo)系統(tǒng)的定義有何區(qū)別？Slide 28 地球空間直角坐標(biāo)系的定義： 原點O：地球質(zhì)心 Z軸：指向地球北極Pn X軸：指格林尼治子午 面與地球赤道的交點E Y軸：垂直于XOZ平面， 與X軸和Y軸構(gòu)成

11、右手坐標(biāo)系。赤道赤道平面平面OPPSPNEZXYYXZ二、地球坐標(biāo)系赤道赤道平面平面OP大地經(jīng)度L大地緯度BnLB起始子午面起始子午面（首子午面）（首子午面） 大地坐標(biāo)系的定義： 地球橢圓的中心與地球質(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。PSPNH 任一地面點P在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，可表示為（X，Y，Z）或（B，L，H），兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換為： LBHNXcoscos)(LBHNYsincos)(BHeNZsin)1 (2XYLarctan)

12、1 (/)(arctan222HeNYXHNZB)1 (sin/2eNBZH式中，BeaN22sin1/ ，N為該點的卯酉圈曲率半徑。 32三、GPS坐標(biāo)系統(tǒng) 在在GPSGPS系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機的位置，系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機的位置，GPSGPS衛(wèi)星的瞬時位置應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)衛(wèi)星的瞬時位置應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系中。系中。333.1 WGS-84大地坐標(biāo)系 WGS（World Geodetic System）-84的定義：原點在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH（國際時間局）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP-Conventional Terrestrial Pole）方向，X軸指

13、向BIH1984.0的零度子午面 和CTP赤道的交點，Y軸和Z、 X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一 個地固坐標(biāo)系。343.1 WGS-84大地坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系（協(xié)議地球參考系）建于1987年，最初用于子午衛(wèi)星系統(tǒng)（TRANSIT），到第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS時仍被采用。由這兩種系統(tǒng)測定的同一點位坐標(biāo)和大地高存在偏差。之后，根據(jù)GPS在全球的跟蹤網(wǎng)站的觀測結(jié)果，對WGS-84進行修正，使得WGS-84框架的站坐標(biāo)精度有了進一步提高。353.2 國家大地坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點坐標(biāo)原點：前蘇聯(lián)的普爾科沃。：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球參考橢球：克拉索夫斯基橢球。：克拉索夫斯基橢球。

14、 平差方法平差方法：分區(qū)分期局部平差。：分區(qū)分期局部平差。 存在問題存在問題：（：（1 1）橢球參數(shù)有較大誤差。）橢球參數(shù)有較大誤差。 （2）參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。 （3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。 （4）定向不明確。36GPS坐標(biāo)系統(tǒng) 1980年國家大地坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點坐標(biāo)原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球參考橢球：19751975年國際橢球。年國際橢球。 平差方法平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點特點：（：（1 1）采用）采用19751975年國際橢球。年國際橢球。 （2）參心大地坐標(biāo)系

15、是在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)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(zhǔn)采用1956年黃海高程。373.2 國家大地坐標(biāo)系 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新） 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由1980年國家大地坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。原1954年北京坐標(biāo)系又稱為舊1954北京坐標(biāo)系（BJ54舊）。由于在全國的以GDZ80為基準(zhǔn)的測繪成果建立之前，BJ54舊的測繪成果仍將存在較長時間，而BJ54舊與GDZ80之間差距較大，給成果的使用帶來不便，因此建立BJ54新作為過渡坐標(biāo)系。 38

16、3.3 國家大地坐標(biāo)系l2000國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系 由國家由國家GPS大地控制網(wǎng)、國家重力基本網(wǎng)及用常規(guī)大地測大地控制網(wǎng)、國家重力基本網(wǎng)及用常規(guī)大地測量技術(shù)建立的國家天文大地網(wǎng)聯(lián)合平差獲得的三維地心坐量技術(shù)建立的國家天文大地網(wǎng)聯(lián)合平差獲得的三維地心坐標(biāo)系統(tǒng)。標(biāo)系統(tǒng)。 四、時間系統(tǒng)四、時間系統(tǒng)u時間：包含時刻和時間間隔兩種意義時間：包含時刻和時間間隔兩種意義u時間系統(tǒng)：作為測時的基準(zhǔn)，包含時間尺度時間系統(tǒng)：作為測時的基準(zhǔn)，包含時間尺度（單位）和原點（起始?xì)v元），一般來說任（單位）和原點（起始?xì)v元），一般來說任何一個可觀測的周期運動現(xiàn)象，只要滿足：何一個可觀測的周期運動現(xiàn)象，只要滿足：連

17、續(xù)性，穩(wěn)定性，復(fù)現(xiàn)性均可作為時間基準(zhǔn)連續(xù)性，穩(wěn)定性，復(fù)現(xiàn)性均可作為時間基準(zhǔn)Slide 394.1 4.1 常用的時間系統(tǒng)常用的時間系統(tǒng)u世界上現(xiàn)在通用的世界上現(xiàn)在通用的時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)時什么？時什么？時間的單位尺度時間的單位尺度不同；不同；度量時間的時鐘度量時間的時鐘不同不同Slide 401 1、世界時系統(tǒng)、世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)恒星時恒星時春分點春分點太陽時太陽時太陽太陽根據(jù)天體的周日視運根據(jù)天體的周日視運動反映地球的自轉(zhuǎn)；動反映地球的自轉(zhuǎn)；平太陽時平太陽時平太陽平太陽Slide 41恒星時恒星時v恒星時選取春分點作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。參照于遙遠(yuǎn)

18、星體的地球自轉(zhuǎn)周期參考點：一個天體或天球上某個特殊點測站點子午圈參考點連續(xù)兩次經(jīng)過測站點子午圈的時間段Slide 42太陽時太陽時參照于太陽的地球自轉(zhuǎn)周期v太陽時選取太陽作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。Slide 43平太陽時平太陽時v太陽時的問題太陽時的問題真太陽的周日視運動不均勻，并真太陽的周日視運動不均勻，并不嚴(yán)格等于地球自轉(zhuǎn)周期。冬長夏短，最長和最短不嚴(yán)格等于地球自轉(zhuǎn)周期。冬長夏短，最長和最短可相差可相差51秒；秒；v平太陽平太陽假設(shè)一個參考點的運動速度等于真太陽假設(shè)一個參考點的運動速度等于真太陽周年視運動平均速度，且該點在赤道上作周年運動。周年視運動平均速度

19、，且該點在赤道上作周年運動。v平太陽時平太陽時以平太陽的周日視運動為基礎(chǔ)建立的以平太陽的周日視運動為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)。時間系統(tǒng)。Slide 44世界時世界時UTUT世界時世界時以平子夜為零時的格林尼治平太陽時以平子夜為零時的格林尼治平太陽時UTUT極移改正極移改正UT1UT1地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)速度改正速度改正UT2UT2v長期變化：潮汐影響使地球自轉(zhuǎn)速度變慢；v季節(jié)性變化：大氣層中的氣團歲季節(jié)變化；v不規(guī)則變化：地球內(nèi)部的物質(zhì)運動；Slide 454.2 原子時系統(tǒng)原子時系統(tǒng)u1.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對時間系統(tǒng)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對時間系統(tǒng)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度要求的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)世界時系

20、統(tǒng)并不是度要求的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)世界時系統(tǒng)并不是一個嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng)。一個嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng)。u2.物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率具有很高的穩(wěn)定性，所以人們在率具有很高的穩(wěn)定性，所以人們在20世紀(jì)世紀(jì)50年年代建立了以物質(zhì)內(nèi)部原子運動特征為基礎(chǔ)的原子代建立了以物質(zhì)內(nèi)部原子運動特征為基礎(chǔ)的原子時系統(tǒng)。時系統(tǒng)。4.2 4.2 原子時原子時ATIATIv原子時秒長原子時秒長位于海平面的銫位于海平面的銫133133原子基態(tài)兩原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩個超精細(xì)能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩91926317709192631770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。周所