第二章、GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

1、GPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 第二章第二章 GPSGPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 天球及天球坐標(biāo)系天球及天球坐標(biāo)系 2.2 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系 2.3 GPS2.3 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng) 2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 2.1.12.1.1天球主要點(diǎn)、線、圈天球主要點(diǎn)、線、圈 2.1 2.1 天球及天球坐標(biāo)系天球及天球坐標(biāo)系 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 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（

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(diǎn)Q和下赤道點(diǎn)Q 天球上的主要點(diǎn)、線、圈天球上的主要點(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) v坐標(biāo)原點(diǎn) 坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素坐標(biāo)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(biāo)軸指向 v表示坐標(biāo)的參數(shù) 2.1.2 2.1.2 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線 圈為基礎(chǔ)所建立的坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系的定義

3、天球坐標(biāo)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(biāo)系、地心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系的分類天球坐標(biāo)系的分類 v依所依據(jù)的天球上的點(diǎn)線圈的不同來劃分依所依據(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)為依據(jù) 用赤緯和時(shí)角t表示 v赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系赤經(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) 為依據(jù) 用赤經(jīng)和赤緯表示 v黃道坐標(biāo)系黃道坐標(biāo)系 以天球黃道、過春分點(diǎn)的黃經(jīng)圈和春分 點(diǎn)為依據(jù) 用黃經(jīng)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(biāo)系的關(guān)系地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系 恒星的周年視差地心坐標(biāo)日心坐標(biāo) 周日視差改正站心坐標(biāo)地心坐標(biāo) 視差視差 v地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系 v 恒星：采用赤經(jīng)恒星：采用赤經(jīng) 和赤緯和赤緯 表示表示 v 人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng)人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng) 、赤緯、赤緯 和距離和距離r r表示表示 不同天體坐標(biāo)表示方法的不同不同天體坐標(biāo)表示方法的不同 v 天球赤道坐標(biāo)系天球赤道坐標(biāo)系( ( , , , , r)r) 和天球直角坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系 (x,y,z)(x,y,z) 天球赤道坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系天球赤道坐標(biāo)系和天球

5、直角坐標(biāo)系 sin coscos coscos r z y x 22 222 yx x arctg x y arctg zyxr v 轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 歲差和章動 瞬時(shí)平天極、瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí) 平春分點(diǎn)（僅考慮歲差） 歲差章動對天球坐標(biāo)的影響歲差章動對天球坐標(biāo)的影響 歲差、章動導(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)（考慮歲差和章 動的綜合影響） 歲差章動對天球坐標(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)刻的平天球坐標(biāo)系 協(xié)議天球坐標(biāo)系（協(xié)議天球坐標(biāo)系（CISCIS）(1)(1) 當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系當(dāng)前，

6、國際上所采用的天球坐標(biāo)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(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，國際上所采用的天球坐標(biāo)系當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)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(biāo)系坐標(biāo)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(diǎn) 協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系 進(jìn)行歲差和章動改正 協(xié)議天球坐標(biāo)系（協(xié)議天球坐標(biāo)系（CISCIS）(2)(2) 特定時(shí)刻的特定時(shí)刻的 真天球坐標(biāo)真天球坐標(biāo) 章動改正章動改正 特定時(shí)刻的特定時(shí)刻的 平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo) J2000.0的平天球坐標(biāo)的平天球坐標(biāo) （協(xié)議天球坐標(biāo)）（協(xié)議天球坐標(biāo)） 歲差改歲差改 正正 。為瞬時(shí)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(biāo)； 其中 標(biāo) 陣為 0 0 X N P X NPXX 1.1.地球直角坐標(biāo)系的定義地球直角坐標(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

8、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 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系 圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系 2.2.地球大地坐標(biāo)系的定義地球大地坐標(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?？臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中 表述為（L，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. 3. 直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)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(diǎn)的卯酉圈半徑； ，分別為該大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球的長半徑和第一扁心率。 v地心坐標(biāo)系地心坐標(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)系地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系 v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 v地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn)地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn) 地心坐標(biāo)系適合于全球用途的應(yīng)用 參心坐標(biāo)系適合于局部用途的應(yīng)用 有利于使局部大地水準(zhǔn)面與

10、參考橢球面符合更 好 保持國家坐標(biāo)系的穩(wěn)定 有利于地心坐標(biāo)的保密 定義：定義：由于地球內(nèi)部和外部的種種動力學(xué) 因素，使得地球體對于自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對運(yùn) 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(diǎn)CIO（1900-1905平均地極） 極原點(diǎn)（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(biāo)的變化 極移造成地球坐標(biāo)的變化 平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系 v瞬時(shí)（

11、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 z y x XRYR Z Y X PyPx )()( v平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 Z軸指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)系瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系 。天 坐標(biāo)標(biāo)為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系下的 其中 球坐 標(biāo)坐標(biāo)系下的為瞬時(shí)),( ),( 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(jīng)度零點(diǎn)早期的經(jīng)度零點(diǎn) 1884，美，華盛頓國際經(jīng)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(diǎn)稱 為天文經(jīng)度零點(diǎn)。 受板塊運(yùn)動、局部地殼運(yùn)動和極移的影響 經(jīng)度零點(diǎn)的問題經(jīng)度零點(diǎn)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(gè)天文臺共同維持 可減少板塊運(yùn)動、局部地殼運(yùn)動和觀測誤差的 影響 CIO-BIHCIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn)經(jīng)度零點(diǎn) 通過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

13、種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系 觀測瞬間的真 天球坐標(biāo)系 歲差、章動改正 旋轉(zhuǎn)SG角 觀測瞬間的真 地球坐標(biāo)系 平地球坐標(biāo)系 極移改正 URRRRRRPN TRRRS T U rPNSrUTr )()()()()()( )()()( 323131 312 3333 AAA pp CRFCRFTRF z GASTyx 轉(zhuǎn)等；轉(zhuǎn)，包括極移、地球自為非外部力矩造成的旋 ；轉(zhuǎn)，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(biāo)系 vWGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 2.3 GPS2.3 GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)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(biāo)系舊坐標(biāo)系 v北京北京5454新坐標(biāo)系新坐標(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(gè)基本參數(shù) WGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(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BIH1984.0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。

15、長半徑： a=63781372（m）； 地球引力常數(shù)： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正常化二階帶諧系數(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(gè)SLR、VLBI 和GPS站所構(gòu)成 IGS精密星歷 Z軸指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等

16、 技術(shù)維持. 提供站坐標(biāo)及速度場信息 WGS84WGS84與與ITRFITRF的關(guān)系的關(guān)系 WGS84地面站坐標(biāo)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(guān)系的關(guān)系 WGS84與ITRF的轉(zhuǎn)換關(guān)系 （1）橢球參數(shù)有較大誤差。 19541954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(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)分期局部平差。 存在的問題： （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。 （4）定向不明確。 （3）幾何大地測量和物理大地測

17、量應(yīng)用的參考 面不統(tǒng)一。 坐標(biāo)原點(diǎn)：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(biāo)系（年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80GDZ80） 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點(diǎn)： （1）采用1975年國際橢球。 （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 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)。 新新19541954

18、年北京坐標(biāo)系（年北京坐標(biāo)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(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 我國境內(nèi)不是最佳擬合。 （4）定向明確。 （5）大地原點(diǎn)與GDZ80相同，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)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(zhuǎn)換參 數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。 2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)

19、沙瓶沙瓶 - Sandglass v世界時(shí)世界時(shí) 時(shí)間系統(tǒng)的分類時(shí)間系統(tǒng)的分類 v力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí) v原子時(shí)原子時(shí) vGPSGPS時(shí)時(shí) 恒星時(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)。 為黃赤交角。為黃經(jīng)章動，;cosLMSTLAST 數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于本地子午圈的時(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

20、） 太陽時(shí)太陽時(shí) 參考點(diǎn)：太陽：太陽 定義：太陽中心連續(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 從天文年歷中查??；mt 平太陽 周年視運(yùn)動的軌跡在赤道面 上；運(yùn)動角速度恒定，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)世界時(shí) 01UTUT s TUTUT12 問題的引出：極移和地球自轉(zhuǎn)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(jīng)改正的世界時(shí) UT1：引入極移改正（）的世界時(shí) UT2：引入極移改正（）和地球自轉(zhuǎn) 速度的季節(jié)改正（ Ts）的世界時(shí) 定義：根據(jù)行星在太陽系中的運(yùn)動所得到的時(shí) 間，稱為力學(xué)時(shí)。 2.4.2 2.4.2 力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí) 來確定。改正，通常由觀測月亮為世界時(shí)化為歷書時(shí)的； gg TTUTET1 歷事（書）時(shí) 歷書時(shí)是以太陽系內(nèi)的天體公轉(zhuǎn)運(yùn)動為基礎(chǔ) 的時(shí)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(shí)與世界時(shí)在數(shù)值上相同，其 后關(guān)系如下 地球動力學(xué)時(shí)太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDB 與TDT的差別是有相對論效應(yīng)所引起的 的差值估值。與）日