電信行業(yè)--《GPS原理及應(yīng)用》-GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)( 51頁)ppt課件

1、第二章 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)主要內(nèi)容2.1 天球及天球坐標(biāo)系2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系2.3 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)2.4 時(shí)間系統(tǒng)2.1.1天球主要點(diǎn)、線、圈2.1 天球及天球坐標(biāo)系定義：以空間某一點(diǎn)為中心、半徑為無窮大的一個(gè)圓球。作用：天文學(xué)中通常把參考坐標(biāo)建立在天球上分類：站心天球、地心天球、日心天球天頂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(diǎn)Q和下赤道點(diǎn)Q天球上的主要點(diǎn)、線、圈 子午線和東西南北點(diǎn)E、W、S、N 時(shí)圈 春分點(diǎn)和秋分點(diǎn) 春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面

2、 赤道 坐標(biāo)軸指向表示坐標(biāo)的參數(shù)2.1.2 天球坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線圈為根底所建立的坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的定義 依天球中心的不同來劃分日心坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的分類依所根據(jù)的天球上的點(diǎn)線圈的不同來劃分時(shí)角赤道坐標(biāo)系以天球赤道、子午面和上赤道點(diǎn)為根據(jù)用赤緯和時(shí)角t表示赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系以天球赤道、過春分點(diǎn)的時(shí)圈和春分點(diǎn)為根據(jù)用赤經(jīng)和赤緯表示黃道坐標(biāo)系以天球黃道、過春分點(diǎn)的黃經(jīng)圈和春分點(diǎn)為根據(jù)用黃經(jīng)l和黃維表示視差由于觀測(cè)者所處位置不同，而使觀測(cè)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、周日視差等之分。地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系視差地

3、心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系 恒星：采用赤經(jīng)和赤緯表示 人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng)、赤緯和間隔r表示不同天體坐標(biāo)表示方法的不同 天球赤道坐標(biāo)系( , r) 和天球直角坐標(biāo)系(x,y,z)天球赤道坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換關(guān)系歲差和章動(dòng)瞬時(shí)平天極、瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)僅思索歲差歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響歲差、章動(dòng)導(dǎo)致春分點(diǎn)位置發(fā)生變化瞬時(shí)真天極、瞬時(shí)天球真赤道和瞬時(shí)真春分點(diǎn)思索歲差和章動(dòng)的綜合影響歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時(shí)辰的平天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系CIS(1)當(dāng)前，國(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系國(guó)際大地丈量協(xié)會(huì)和國(guó)際天文協(xié)議結(jié)合會(huì)確定從1984

4、年1月1日起采用為2000年1月15日12hJ2000.0的平天球坐標(biāo)系Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)當(dāng)前，國(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系國(guó)際大地丈量協(xié)會(huì)和國(guó)際天文協(xié)議結(jié)合會(huì)確定從1984年1月1日起采用為2000年1月15日12hJ2000.0的平天球坐標(biāo)系Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系進(jìn)展歲差和章動(dòng)矯正協(xié)議天球坐標(biāo)系CIS(2)特定時(shí)辰的真天球坐標(biāo)章動(dòng)矯正特定時(shí)辰的平天球坐標(biāo)J2000.0的平天球坐標(biāo)協(xié)議天球坐標(biāo)歲差矯正1.地球直

5、角坐標(biāo)系的定義 原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系2.地球大地坐標(biāo)系的定義地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。空間點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為L(zhǎng)，B，H。 地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖2-2表示： 對(duì)同一空間點(diǎn)，直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：3. 直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換地心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系參心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)不位于地球質(zhì)心地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn)地心坐標(biāo)系適宜于全球用途的

6、運(yùn)用參心坐標(biāo)系適宜于部分用途的運(yùn)用有利于使部分大地水準(zhǔn)面與參考橢球面符合更好堅(jiān)持國(guó)家坐標(biāo)系的穩(wěn)定有利于地心坐標(biāo)的嚴(yán)密定義：由于地球內(nèi)部和外部的種種動(dòng)力學(xué) 要素，使得地球體對(duì)于自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，因此引起了地極的挪動(dòng)，這種景象稱 為極移。 極移 極移包括 Chandlar分量周期1.2年和周年分量極移的測(cè)定測(cè)定極移 經(jīng)過測(cè)定緯度的變化ILS后來的IPMS和BIH國(guó)際協(xié)用原點(diǎn)CIO1900-1905平均地極極原點(diǎn)JYD中國(guó)歲差、章動(dòng)和極移歲差、章動(dòng)呵斥天球坐標(biāo)的變化極移呵斥地球坐標(biāo)的變化平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)真地球坐標(biāo)系瞬時(shí)真地球坐標(biāo)系 Z軸與瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸重合或平行的地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 Z軸指

7、向空間中某一固定點(diǎn)平極的地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)(X,Y,Z)和瞬時(shí)真地球坐標(biāo)(x,y,z)的轉(zhuǎn)換關(guān)系瞬時(shí)真地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系早期的經(jīng)度零點(diǎn)1884，美，華盛頓國(guó)際經(jīng)度會(huì)議定義：經(jīng)過英國(guó)Greenwich天文臺(tái)Airy儀中心的子午線為全球一致的起始子午線。起始子午線與赤道的交點(diǎn)稱為天文經(jīng)度零點(diǎn)。受板塊運(yùn)動(dòng)、部分地殼運(yùn)動(dòng)和極移的影響經(jīng)度零點(diǎn)的問題格林尼治平均子午線由多個(gè)天文臺(tái)共同維持可減少板塊運(yùn)動(dòng)、部分地殼運(yùn)動(dòng)和觀測(cè)誤差的影響CIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn) 經(jīng)過CIO和天文經(jīng)度零點(diǎn)的子午線稱為起始子午線，其與CIO赤道的交點(diǎn)稱為赤道參考點(diǎn)或CIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn)幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系觀測(cè)瞬間

8、的真天球坐標(biāo)系歲差、章動(dòng)矯正旋轉(zhuǎn)SG角觀測(cè)瞬間的真地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系極移矯正某一歷元的平天球坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系2.3 GPS坐標(biāo)系國(guó)際地球參考框架(ITRF)北京54舊坐標(biāo)系北京54新坐標(biāo)系 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國(guó)際大地丈量與地球物理結(jié)合會(huì)第17屆大會(huì)大地丈量常數(shù)引薦值，其四個(gè)根本參數(shù) WGS-84坐標(biāo)系 WGS-84的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIH定義的零度子午面一致而得到的一個(gè)新參考系，WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極CTP方向，X軸指向BI

9、H1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。 長(zhǎng)半徑： a=63782m；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(zhuǎn)角速度： =729211510-11rads-10.15010-11rads-1國(guó)際地球參考架 ITRF國(guó)際地球參考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球數(shù)百個(gè)SLR、VLBI和GPS站所構(gòu)成IGS精細(xì)星歷

10、 Z軸指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等 技術(shù)維持. 提供站坐標(biāo)及速度場(chǎng)信息 WGS84與ITRF的關(guān)系WGS84地面站坐標(biāo)精度為1m到2m的精度，ITRF那么為厘米級(jí)精度引力常數(shù)不同WGS-84與ITRF的關(guān)系WGS84與ITRF的轉(zhuǎn)換關(guān)系1橢球參數(shù)有較大誤差。1954年北京坐標(biāo)系1. 1954年北京坐標(biāo)系BJ54舊 坐標(biāo)原點(diǎn)：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)分期部分平差。 存在的問題：2參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面存在著自西 向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。4定向不明確。3幾何大地丈量和物理大地丈量運(yùn)用的參考 面不一致。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：

11、1975年國(guó)際橢球。1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系GDZ80平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點(diǎn)：1采用1975年國(guó)際橢球。2參心大地坐標(biāo)系是在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(guó)境內(nèi)最為密 合，是多點(diǎn)定位。4定向明確。5大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部。6大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。 新1954年北京坐標(biāo)系BJ54新是由1980國(guó)家大地坐標(biāo)GDZ80轉(zhuǎn)換得來的。 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。新1954年北京坐標(biāo)系BJ54新 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。BJ54新的特點(diǎn) ：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

12、心坐標(biāo)系。3采用多點(diǎn)定位。但橢球面與大地水準(zhǔn)面在 我國(guó)境內(nèi)不是最正確擬合。4定向明確。5大地原點(diǎn)與GDZ80一樣，但大地起算數(shù)據(jù)不同。6大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。7與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)一樣， 其定位相近，但定向不同。8BJ54舊 與BJ54新 無全國(guó)一致的轉(zhuǎn)換參 數(shù)，只能進(jìn)展部分轉(zhuǎn)換。2.4 時(shí)間系統(tǒng)沙瓶 - Sandglass世界時(shí)時(shí)間系統(tǒng)的分類力學(xué)時(shí)原子時(shí) GPS時(shí)恒星時(shí)參考點(diǎn)：春分點(diǎn)定義：春分點(diǎn)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。并由此派生出“時(shí)、“分、“秒等單位；屬于地方時(shí)。 數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。 有真恒星時(shí)與平恒星時(shí)之分 格林尼治恒

13、星時(shí) 格林尼治真恒星時(shí)GAST - Greenwich Apparent Sidereal Time與格林尼治平恒星時(shí)GMST - Greenwich Mean Sidereal Time太陽時(shí)參考點(diǎn)：太陽定義：太陽中心延續(xù)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時(shí)間間隔為一太陽日。并由此派生出“時(shí)、“分、“秒等單位；屬于地方時(shí)。數(shù)值上等于太陽中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。正午0h與子夜12h 有真太陽時(shí)t與平太陽時(shí)m，真太陽日與平太陽日平太陽 周年視運(yùn)動(dòng)的軌跡在赤道面上；運(yùn)動(dòng)角速度恒定，且等于真太陽的平均角速度。真太陽時(shí)與平太陽時(shí)之間的關(guān)系定義：格林尼治零子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。UT0、UT1與UT2世界時(shí)

14、問題的引出：極移和地球自轉(zhuǎn)的不均勻長(zhǎng)期趨勢(shì)變緩，且存在短周期變化和季節(jié)性變化UT0：未經(jīng)矯正的世界時(shí)UT1：引入極移矯正的世界時(shí)UT2：引入極移矯正和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)矯正 Ts的世界時(shí)定義：根據(jù)行星在太陽系中的運(yùn)動(dòng)所得到的時(shí)間，稱為力學(xué)時(shí)。2.4.2 力學(xué)時(shí)歷事書時(shí)歷書時(shí)是以太陽系內(nèi)的天體公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為根底的時(shí)間系統(tǒng)，其規(guī)定1900年1月1日12h的回歸年長(zhǎng)度的1/31556925.9747為1歷書秒。在該瞬間，歷書時(shí)與世界時(shí)在數(shù)值上一樣，其后關(guān)系如下 地球動(dòng)力學(xué)時(shí)太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDB與TDT的差別是有相對(duì)論效應(yīng)所引起的定義1967年10月，第十三屆國(guó)際度量衡大會(huì)經(jīng)過：位于海平面上的銫133Cs133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所繼續(xù)的時(shí)間為1原子時(shí)秒。原子時(shí)秒長(zhǎng)的定義2.4.3 原子時(shí)本來規(guī)定AT與UT2在1958年1月1日0h時(shí)一樣，但實(shí)踐相差0.0039秒，即：(AT-UT2)1958.0 = -0.0039秒。原子時(shí)時(shí)辰的定義協(xié)調(diào)世界時(shí)Universal Time Coordinated UTC與AT秒長(zhǎng)一樣經(jīng)過跳閏秒Leap Seconds，與UT的差值堅(jiān)持在0.9秒內(nèi)通常在6月30日24h或12月31日24h進(jìn)展跳秒正閏秒添加1秒與負(fù)閏秒去掉1秒國(guó)際原子時(shí)Internatio