第二章-坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) (1)

1、1GPS定位原理及應(yīng)用第二章第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.1 天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPSGPS）的最基本任務(wù)是確定用戶在空間）的最基本任務(wù)是確定用戶在空間的位置。而所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定的位置。而所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)，位置是相對于參考坐標(biāo)系而言的，坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)，位置是相對于參考坐標(biāo)系而言的，為此，首先要設(shè)立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是由原點位為此，首先要設(shè)立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是由原點位置、置、3 3個坐標(biāo)軸的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標(biāo)軸指向的個坐標(biāo)軸

2、的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標(biāo)系：不同，可劃分為兩大類坐標(biāo)系：天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系和和地球坐標(biāo)地球坐標(biāo)系系。天球坐標(biāo)系：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，描述人造地球衛(wèi)星的位天球坐標(biāo)系：與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，描述人造地球衛(wèi)星的位置；置；地球坐標(biāo)系：隨地球自轉(zhuǎn)，描述地面觀測站的空間位置。地球坐標(biāo)系：隨地球自轉(zhuǎn)，描述地面觀測站的空間位置。3坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.1.1 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系l什么是天球什么是天球l天球天球：指以地球為中心，無限：指以地球為中心，無限的向天空伸展的一個球體。地的向天空伸展的一個球體。地軸延伸與天球有兩個交點，北軸延伸與天球有兩個交點，北交點稱為交點稱為天北極天北

3、極，南交點稱為，南交點稱為天南極天南極。l通過地心與黃道面（通過地心與黃道面（地球繞太地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面陽公轉(zhuǎn)的軌道平面 ）垂直的軸）垂直的軸線為線為黃軸黃軸，黃軸與天球的兩個，黃軸與天球的兩個交點分別是交點分別是北黃極北黃極和和南黃極南黃極。l春分點：即黃道與赤道的交點春分點：即黃道與赤道的交點之一。之一。4坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l天球天球空間直角空間直角坐標(biāo)系的定義坐標(biāo)系的定義l地球質(zhì)心地球質(zhì)心O為坐標(biāo)原點，為坐標(biāo)原點，Z軸指向天球北極，軸指向天球北極，X軸指向軸指向春分點，春分點，Y軸垂直于軸垂直于XOZ平面，與平面，與X軸和軸和Z軸構(gòu)成右手軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。則在此坐標(biāo)系下，空間點的位

4、置由坐標(biāo)（坐標(biāo)系。則在此坐標(biāo)系下，空間點的位置由坐標(biāo)（X，Y，Z）來描述。）來描述。l天球天球球面球面坐標(biāo)系的定義坐標(biāo)系的定義l地球質(zhì)心地球質(zhì)心O為坐標(biāo)原點，春分點軸與天軸所在平面為為坐標(biāo)原點，春分點軸與天軸所在平面為天天球經(jīng)度球經(jīng)度（赤經(jīng)）測量基準(zhǔn)（赤經(jīng)）測量基準(zhǔn)基準(zhǔn)子午面，赤道為基準(zhǔn)子午面，赤道為天球天球緯度緯度測量基準(zhǔn)，而建立的球面坐標(biāo)?？臻g點的位置在天測量基準(zhǔn)，而建立的球面坐標(biāo)?？臻g點的位置在天球坐標(biāo)系下的表述為（球坐標(biāo)系下的表述為（r r，）。）。5坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系的關(guān)系如圖天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2-12-1所所示：示：圖圖

5、2-1 直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系 6坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間的直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 對同一空間點，天球空間直角坐標(biāo)系與其等效的天球?qū)ν豢臻g點，天球空間直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：球面坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：sincossincoscosrZrYrX22222/arctan()/arctan(YXZXYZYXr(2-1)(2-2)7坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.1.2 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系l地球地球直角直角坐標(biāo)系的定義坐標(biāo)系的定義l原點原點O與地球質(zhì)心重合，與地球質(zhì)心重合，Z Z軸指向

6、地球北極，軸指向地球北極，X X軸指向軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y Y軸在赤道平面軸在赤道平面里與里與XOZXOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系。l地球地球大地大地坐標(biāo)系的定義坐標(biāo)系的定義l地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球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點位置在該坐標(biāo)系中表述為（自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點位置在該坐標(biāo)系中表述為（L，B，H）。）。8坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖2-22-2表表示：示：圖圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系和大地

7、坐標(biāo)系9坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l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 對同一空間點，直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間有如下對同一空間點，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：轉(zhuǎn)換關(guān)系：BHeNZLBHNYLBHNXsin)1 (sincos)(coscos)(2)1 (sin/)1 (/)(arctan)/arctan(2222eNBZHHeNYXHNZBXYL式中，式中， ,N,N為該點的為該點的卯酉圈曲率半徑卯酉圈曲率半徑； 分別為該大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球的長半徑和第一偏心率。分別為該大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球的長半徑和第一偏心率。BeaN22sin1/2222/ )(a

8、baeea,10坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.1.3 站心赤道直角坐標(biāo)系與站站心赤道直角坐標(biāo)系與站 心地平直角坐標(biāo)系心地平直角坐標(biāo)系l站心站心赤道赤道直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系 如圖如圖2-32-3，P1 P1 是測站點，是測站點，O O為球心。以為球心。以O(shè) O為原點建立為原點建立球心球心空間空間直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系O-XYZO-XYZ。以。以P P1 1為原點建立與為原點建立與O-XYZO-XYZ相應(yīng)坐標(biāo)相應(yīng)坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)系軸平行的坐標(biāo)系 , ,叫叫 站心赤道直角坐標(biāo)系。站心赤道直角坐標(biāo)系。 顯然，顯然， 同同O-XYZO-XYZ坐標(biāo)系坐標(biāo)系 有簡單的平移關(guān)系：有簡單的平移關(guān)系： ( (2-5) _1

9、ZYXP BHeNLBHNLBHNZYXZYXsin)1 (sincos)(coscos)(2_1ZYXP 11坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l站心地平直角坐標(biāo)系站心地平直角坐標(biāo)系 以以P1P1為原點，以為原點，以P1P1點的法線為點的法線為z z軸（指向天頂為正），軸（指向天頂為正），以子午線方向為以子午線方向為x x軸（向北為正），軸（向北為正），y y軸與軸與x x，z z垂直（向東垂直（向東為正）建立的坐標(biāo)系叫站心地平直角坐標(biāo)系。站心地平直為正）建立的坐標(biāo)系叫站心地平直角坐標(biāo)系。站心地平直角坐標(biāo)系與站心赤道直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：角坐標(biāo)系與站心赤道直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：地平站赤）（zyxZY

10、Xyyz_PB-90RL180R地平zyxBBLBLLBLBLLBsin0cossincoscossinsincoscossincossin-（2-6）12坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)地平球zyxBBLBLLBLBLLBZYX心sin0cossincoscossinsincoscossincossin代入公式（代入公式（2-52-5）可得出站心左手地平直角坐標(biāo)系與球心空）可得出站心左手地平直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：BHeNLBHNLBHNsin)1 (sincos)(coscos)(2-（2-7）13坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標(biāo)系衛(wèi)星測量中

11、常用坐標(biāo)系l瞬時極天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系瞬時極天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系l瞬時極天球坐標(biāo)系瞬時極天球坐標(biāo)系：原點位于地球質(zhì)心，：原點位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），x軸指向瞬時春分點（真春軸指向瞬時春分點（真春分點），分點），y軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。l 瞬時極地球坐標(biāo)系瞬時極地球坐標(biāo)系：原點位于：原點位于地球質(zhì)心，地球質(zhì)心，z z軸指向瞬時地球自軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸方向，轉(zhuǎn)軸方向，x x軸指向瞬時赤道面軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺赤道參考點的子午面的交點，文臺赤道參考點的子

12、午面的交點，y y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向, ,如圖如圖2-2-4 4所示。所示。14坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 瞬時極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：瞬時極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：ctGzetzyxRzyx)(（2-10）下標(biāo)下標(biāo)etet表示對應(yīng)表示對應(yīng)t t時刻的瞬時極時刻的瞬時極地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系，ctct表示對應(yīng)表示對應(yīng)t t時刻的瞬時極時刻的瞬時極天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系。G G為對應(yīng)平格林尼治子午為對應(yīng)平格林尼治子午面的面的真春分點時角。真春分點時角。15坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l日月歲差與章動日月歲差與章動 由于地球本身不均勻以及日、月對地球的影響，使

13、地軸由于地球本身不均勻以及日、月對地球的影響，使地軸在空間不斷地抖動，這樣導(dǎo)致天軸繞著黃極在天球上緩慢在空間不斷地抖動，這樣導(dǎo)致天軸繞著黃極在天球上緩慢的運動。該運動可分解為長周期和短周期運動。長周期運的運動。該運動可分解為長周期和短周期運動。長周期運動是動是25800年繞黃極一周，使春分點產(chǎn)生每年約年繞黃極一周，使春分點產(chǎn)生每年約50.2秒的長秒的長期變化，稱之為期變化，稱之為日月歲差日月歲差；一系列短周期變化中幅值最大；一系列短周期變化中幅值最大為為9秒，周期為秒，周期為18.6年，短周期變化稱為年，短周期變化稱為章動章動。16坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l固定極天球坐標(biāo)系固定極天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)

14、系平天球坐標(biāo)系 選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點方選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點方向分別扣除此瞬間的章動值作為向分別扣除此瞬間的章動值作為z z軸和軸和x x軸指向，軸指向，y y軸按構(gòu)軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向，建立天球坐標(biāo)系成右手坐標(biāo)系取向，建立天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)系，平天球坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點與真天球坐標(biāo)系相同。瞬時極天球坐標(biāo)系與歷坐標(biāo)系原點與真天球坐標(biāo)系相同。瞬時極天球坐標(biāo)系與歷元平天球坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換通過下面兩次變換來實現(xiàn)。元平天球坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換通過下面兩次變換來實現(xiàn)。l歲差旋轉(zhuǎn)變換歲差旋轉(zhuǎn)變換 ZMZM（t t0 0) )表示歷元表示歷元J2000

15、.0J2000.0年平天球坐標(biāo)系年平天球坐標(biāo)系z z軸指向，軸指向，ZMZM（t t）表示所論歷元時刻）表示所論歷元時刻t t真天球坐標(biāo)系真天球坐標(biāo)系z z軸指向。兩軸指向。兩個坐標(biāo)系間的變換式為：個坐標(biāo)系間的變換式為：17坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng))()(0)()()(tMAzAyAztMzyxRRZRzyx式中：式中：A A，A A，Z ZA A為歲差參數(shù)。為歲差參數(shù)。 (2-11)l章動旋轉(zhuǎn)變換章動旋轉(zhuǎn)變換 類似地有章動旋轉(zhuǎn)變換式：類似地有章動旋轉(zhuǎn)變換式：)()()()()(tMxzxtczyxRRRzyx式中：式中：為所論歷元的平黃赤交角，為所論歷元的平黃赤交角，分別為黃經(jīng)分別為黃經(jīng)章動和交角

16、章動參數(shù)。章動和交角章動參數(shù)。（2-12）18坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 取地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點，取地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點，z z軸指向軸指向CIOCIO，x x軸指向協(xié)定赤軸指向協(xié)定赤道面與格林尼治子午線的交點，道面與格林尼治子午線的交點，y y軸在協(xié)定赤道面里，與軸在協(xié)定赤道面里，與xozxoz構(gòu)成右手坐標(biāo)系，構(gòu)成平地球坐標(biāo)系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系，構(gòu)成平地球坐標(biāo)系。l固定極地球坐標(biāo)系固定極地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系l極移極移：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時間而變，稱為地：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱極移。極移動，簡稱極移。l國際協(xié)定原點國際協(xié)定原點CIO

17、CIO：采用國際上：采用國際上5 5個緯度服務(wù)站的資料，個緯度服務(wù)站的資料，以以1900.001900.00至至1905.051905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIOCIO。19坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 平地球坐標(biāo)系與瞬時地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式：平地球坐標(biāo)系與瞬時地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式：etpxpyemzyxyRxRzyx )()(（2-17）下標(biāo)下標(biāo)emem表示平地球坐標(biāo)系，表示平地球坐標(biāo)系，etet表示表示t t時的瞬時地球坐時的瞬時地球坐標(biāo)系，標(biāo)系， 為為t t時刻以角度表示的極移值。時刻以角度

18、表示的極移值。ppyx , 由此我們可知天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系時刻互相轉(zhuǎn)換其過由此我們可知天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系時刻互相轉(zhuǎn)換其過程為：程為：固定極地球坐標(biāo)系瞬時極地球坐標(biāo)系瞬時極天球坐標(biāo)系固定極天球坐標(biāo)系20坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l兩種坐標(biāo)系的定義方式和協(xié)定坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系的定義方式和協(xié)定坐標(biāo)系 理論上定義坐標(biāo)系的過程是先選定一個尺度單位，再理論上定義坐標(biāo)系的過程是先選定一個尺度單位，再定義坐標(biāo)原點和坐標(biāo)軸的指向。已經(jīng)定義在其內(nèi)的任何定義坐標(biāo)原點和坐標(biāo)軸的指向。已經(jīng)定義在其內(nèi)的任何幾何點都具有一組在坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。幾何點都具有一組在坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。 反之亦然。在實際應(yīng)用中，在已知若干點的坐標(biāo)值

19、后，反之亦然。在實際應(yīng)用中，在已知若干點的坐標(biāo)值后，通過觀測又可反過來定義該坐標(biāo)系。通過觀測又可反過來定義該坐標(biāo)系。 前一種方式稱為坐標(biāo)系的理論定義；后一種定義的坐前一種方式稱為坐標(biāo)系的理論定義；后一種定義的坐標(biāo)系稱為協(xié)定坐標(biāo)系。不存在誤差的情況下，兩種方式標(biāo)系稱為協(xié)定坐標(biāo)系。不存在誤差的情況下，兩種方式對坐標(biāo)的定義是一致的。對坐標(biāo)的定義是一致的。21坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 實際中通過點位的坐標(biāo)值定義坐標(biāo)系時，因為測量的誤實際中通過點位的坐標(biāo)值定義坐標(biāo)系時，因為測量的誤差，使協(xié)定坐標(biāo)系與理論定義的坐標(biāo)系會有所不同，協(xié)定差，使協(xié)定坐標(biāo)系與理論定義的坐標(biāo)系會有所不同，協(xié)定坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系存在一定的偏

20、差。因此凡依據(jù)這些已坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系存在一定的偏差。因此凡依據(jù)這些已知點測定其它點的坐標(biāo)值均屬于協(xié)定坐標(biāo)系而不是理論坐知點測定其它點的坐標(biāo)值均屬于協(xié)定坐標(biāo)系而不是理論坐標(biāo)系。標(biāo)系。 GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是測軌跟蹤站及其坐標(biāo)值所定義所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是測軌跟蹤站及其坐標(biāo)值所定義的協(xié)定坐標(biāo)系。的協(xié)定坐標(biāo)系。 GPS衛(wèi)星位置采用衛(wèi)星位置采用WGS-84大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系。22坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.2 WGS-84坐標(biāo)系和我國大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系和我國大地坐標(biāo)系2.2.1 WGS-84大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系 WGS（World Geodetic System）-84的定義的定義：原點在地：原點在地球質(zhì)心

21、，球質(zhì)心，Z軸指向軸指向BIH（國際時間局）（國際時間局）1984.0定義的協(xié)議定義的協(xié)議地球極（地球極（CTP-Conventional Terrestrial Pole）方向，）方向，X軸軸指向指向BIH1984.0的零度子午面的零度子午面 和和CTP赤道的交點，赤道的交點，Y軸和軸和Z、 X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一 個地固坐標(biāo)系。個地固坐標(biāo)系。23坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)：橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第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)屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基

22、本參數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù): 長半徑、地球引力常數(shù)、長半徑、地球引力常數(shù)、 正正?；A帶諧系數(shù)、地球自轉(zhuǎn)角速度。?；A帶諧系數(shù)、地球自轉(zhuǎn)角速度。 WGS-84坐標(biāo)系（協(xié)議地球參考系）建于坐標(biāo)系（協(xié)議地球參考系）建于1987年，最初年，最初用于子午衛(wèi)星系統(tǒng)（用于子午衛(wèi)星系統(tǒng)（TRANSIT），到第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系），到第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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)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)和大地高存在偏差。之后，根據(jù)GPS在全球的跟蹤網(wǎng)站在全球的跟蹤網(wǎng)站的觀測結(jié)果，對的觀測結(jié)果，對WGS-84進行修正，使得進行修正，使得WGS

23、-84框架的框架的站坐標(biāo)精度有了進一步提高。站坐標(biāo)精度有了進一步提高。24坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.2.2 國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系l1954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系l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。l參考橢球參考橢球：克拉索夫斯基橢球。：克拉索夫斯基橢球。l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。l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 2）參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向）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。東明顯的系統(tǒng)性傾斜。 （3 3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面）幾

24、何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。不統(tǒng)一。 （4 4）定向不明確。）定向不明確。25坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l1980年國家大地坐標(biāo)系年國家大地坐標(biāo)系l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)。l參考橢球參考橢球：19751975年國際橢球。年國際橢球。l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。l特點特點：（：（1 1）采用）采用19751975年國際橢球。年國際橢球。 （2 2）參心大地坐標(biāo)系是在）參心大地坐標(biāo)系是在19541954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。立起來的。 （3 3）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)最為密合，是）橢球

25、面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)最為密合，是多點定位。多點定位。 （4 4）定向明確。）定向明確。 （5 5）大地原點地處我國中部。）大地原點地處我國中部。 （6 6）大地高程基準(zhǔn)采用）大地高程基準(zhǔn)采用19561956年黃海高程。年黃海高程。26坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l新新1954年北京坐標(biāo)系（年北京坐標(biāo)系（BJ54新）新） 新新1954年北京坐標(biāo)系（年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由新）是由1980年國家大地坐年國家大地坐標(biāo)（標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。原）轉(zhuǎn)換得來的。原1954年北京坐標(biāo)系又稱為年北京坐標(biāo)系又稱為舊舊1954北京坐標(biāo)系（北京坐標(biāo)系（BJ54舊）。由于在全國的以舊）。由于在全國的以GDZ8

26、0為基準(zhǔn)的測繪成果建立之前，為基準(zhǔn)的測繪成果建立之前，BJ54舊的測繪成果仍將存舊的測繪成果仍將存在較長時間，而在較長時間，而BJ54舊與舊與GDZ80之間差距較大，給成果之間差距較大，給成果的使用帶來不便，因此建立的使用帶來不便，因此建立BJ54新作為過渡坐標(biāo)系。新作為過渡坐標(biāo)系。 BJ54新是在新是在GDZ80基礎(chǔ)上，改變基礎(chǔ)上，改變GDZ80相對應(yīng)的相對應(yīng)的IUGG1975橢球幾何參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將橢球幾何參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將坐標(biāo)原點（橢球中心）平移，使坐標(biāo)軸保持平行而建立坐標(biāo)原點（橢球中心）平移，使坐標(biāo)軸保持平行而建立起來的。起來的。27坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 坐

27、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：克拉索夫斯基橢球。：克拉索夫斯基橢球。 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。 BJ54 BJ54新的特點新的特點 ：（：（1 1）采用克拉索夫斯基橢球。）采用克拉索夫斯基橢球。 （2 2）是綜合）是綜合GDZ80GDZ80和和BJ54BJ54舊舊 建立起來的參心坐標(biāo)系。建立起來的參心坐標(biāo)系。 （3 3）定向明確。）定向明確。 （4 4）大地原點與）大地原點與GDZ80GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。 （5 5）大地高程基準(zhǔn)采用）大地高程基準(zhǔn)采用19561956年黃

28、海高程。年黃海高程。 （6 6）與）與BJ54BJ54舊舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向不同。位相近，但定向不同。 （7 7） BJ54BJ54舊與舊與BJ54BJ54新無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能新無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進行局部轉(zhuǎn)換。進行局部轉(zhuǎn)換。28坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 參考：參考：大地測量學(xué)基礎(chǔ)大地測量學(xué)基礎(chǔ)（第二版）（第二版） ，孔祥元等，武漢大學(xué)出版社，孔祥元等，武漢大學(xué)出版社，2010.05 l2000國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系 由由2000國家國家GPS大地控制網(wǎng)、大地控制網(wǎng)、2000國家重力基本網(wǎng)及用常國家重力基本網(wǎng)及用常規(guī)大

29、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標(biāo)系統(tǒng)。維地心坐標(biāo)系統(tǒng)。 原點：包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)心；原點：包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)心； 定向：初始定向由定向：初始定向由1984.0時時BIH（國際時間局）定向給定；（國際時間局）定向給定； 參考橢球采用參考橢球采用2000參考橢球。參考橢球。29坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l布爾沙布爾沙-沃爾夫模型沃爾夫模型：七參數(shù)轉(zhuǎn)換七參數(shù)轉(zhuǎn)換( 7-Parameter Transformation) 在該模型中共采用了在該模型中共采用了7 個參數(shù)個參數(shù),分別是分別是 3 個平移參數(shù)個平移參數(shù) T

30、X、 TY、 TZ , 3 個旋轉(zhuǎn)參數(shù)個旋轉(zhuǎn)參數(shù) X、 Y、 Z ( 也被稱為也被稱為 3 個歐個歐拉角拉角) 和和 1 個尺度參數(shù)個尺度參數(shù) m。 2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換30坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 假設(shè)有兩個分別基于不同基準(zhǔn)的空間直角坐標(biāo)系假設(shè)有兩個分別基于不同基準(zhǔn)的空間直角坐標(biāo)系OA-XAYAZA和和 OB -XBYB ZB , 采用布爾沙模型將采用布爾沙模型將 OA-XAYAZA 下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 OB -XBYB ZB下坐標(biāo)的步下坐標(biāo)的步驟是驟是:31坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)( 1 )從從 XA 正向看向原點正向看向原點 OA, 以以 OA 點為固定旋轉(zhuǎn)點點為固定旋

31、轉(zhuǎn)點, 將將 OA-XAYAZA 繞繞 XA 軸逆時軸逆時旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) XA, B 角角,使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的 YA 軸軸與與 OB -XBYB 平面平行平面平行;( 2 )從從 YA 正向看向原點正向看向原點 OA, 以以 OA 點為固定旋轉(zhuǎn)點點為固定旋轉(zhuǎn)點, 將將 OA-XAYAZA 繞繞 YA- 軸逆時軸逆時旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) YA, B 角角, 使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的 XA 軸與軸與 OB -XBYB平面平行。顯然平面平行。顯然, 此時此時 ZA 軸也與軸也與 ZB 平行平行;( 3) 從從 ZA 正向看向原點正向看向原點 OA,以以 OA 點為固定旋轉(zhuǎn)點點為固定旋轉(zhuǎn)點, 將將 OA-

32、XAYAZA繞繞 ZA 軸逆時針旋轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn) ZA, B角角, 使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的 XA 軸與軸與 XB 平行。顯然平行。顯然, 此時此時 OA-XAYAZA 的三個坐標(biāo)軸已與的三個坐標(biāo)軸已與 OB -XBYB ZB 中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行;32坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)( 4 )將將 OA-XAYAZA中的長度單位縮放中的長度單位縮放 1 + m倍倍, 使其與使其與OB -XBYB ZB的長度單位一致的長度單位一致;( 5 )將將 OA-XAYAZA的原點分別沿的原點分別沿 XA、 YA 和和 ZA 軸移動軸移動 T XA, B、- T YA, B和和 T Z A, B,

33、 使其與使其與OB -XBYB ZB的原點重的原點重合?？捎脭?shù)學(xué)公式將該轉(zhuǎn)換過程表達如下合?？捎脭?shù)學(xué)公式將該轉(zhuǎn)換過程表達如下:33坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l時間時間l時間間隔時間間隔l時刻時刻l時間基準(zhǔn)時間基準(zhǔn)l時間測量需要一個公共的標(biāo)準(zhǔn)尺度。一般來說，任何一時間測量需要一個公共的標(biāo)準(zhǔn)尺度。一般來說，任何一個能觀測到的周期性運動，只要能滿足下列條件都可以個能觀測到的周期性運動，只要能滿足下列條件都可以作為時間基準(zhǔn)：作為時間基準(zhǔn)：l（1）能作連續(xù)的周期性運動，且運動周期十分穩(wěn)定；）能作連續(xù)的周期性運動，且運動周期十分穩(wěn)定；l（2）運動周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性，即在不同的時期和）運動周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性，即

34、在不同的時期和地點這種周期性運動都可以通過觀測和實驗來予以實現(xiàn)。地點這種周期性運動都可以通過觀測和實驗來予以實現(xiàn)。2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)34坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l自然界中具有上述特性的運動有很多。迄今為止，實際應(yīng)自然界中具有上述特性的運動有很多。迄今為止，實際應(yīng)用的較為精確的時間基準(zhǔn)主要有下列幾種：用的較為精確的時間基準(zhǔn)主要有下列幾種：l地球自轉(zhuǎn)周期。它是建立世界時所用的時間基準(zhǔn)，其穩(wěn)地球自轉(zhuǎn)周期。它是建立世界時所用的時間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度約為定度約為10-8 。l行星繞日的公轉(zhuǎn)周期及月球繞地球的公轉(zhuǎn)周期，其穩(wěn)定行星繞日的公轉(zhuǎn)周期及月球繞地球的公轉(zhuǎn)周期，其穩(wěn)定度約為度約為10-10 。l原子中的電

35、子從某一能級躍遷至另一能級時所發(fā)出或吸原子中的電子從某一能級躍遷至另一能級時所發(fā)出或吸收的電磁波信號的振蕩頻率（周期）。它是建立原子時收的電磁波信號的振蕩頻率（周期）。它是建立原子時所用的時間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度約為所用的時間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度約為10-14 。l脈沖星的自轉(zhuǎn)周期，最好的毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期的穩(wěn)脈沖星的自轉(zhuǎn)周期，最好的毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期的穩(wěn)定度有可能達到定度有可能達到10-19 或更好?；蚋?。35坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l恒星時恒星時ST (Sidereal Time)定義定義：以春分點為參考點，由它的周日視運動即春分點兩次：以春分點為參考點，由它的周日視運動即春分點兩次經(jīng)過本地子午線的時

36、間間隔所確定的時間稱為一個恒星日。經(jīng)過本地子午線的時間間隔所確定的時間稱為一個恒星日。 恒星時在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。恒星時在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。計量時間單位計量時間單位：恒星日、恒星小時、恒星分、恒星秒；：恒星日、恒星小時、恒星分、恒星秒； 分類分類：真恒星時和平恒星時。：真恒星時和平恒星時。真恒星時：真恒星時：即周日視運動所觀察春分點兩次經(jīng)過本地子午線即周日視運動所觀察春分點兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔。的時間間隔。平恒星時：平恒星時：由于地球自轉(zhuǎn)不均勻從而導(dǎo)致每一個恒星日的長由于地球自轉(zhuǎn)不均勻從而導(dǎo)致每一個恒星日的長短不一，為了確定一個恒星日的大小取

37、一年的恒星日的平短不一，為了確定一個恒星日的大小取一年的恒星日的平均值定義為平恒星時（平春分點）。它是一種地方時。均值定義為平恒星時（平春分點）。它是一種地方時。36坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l真太陽時真太陽時l以太陽中心作為參考點，太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈以太陽中心作為參考點，太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一個真太陽日。的時間間隔為一個真太陽日。l地球繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，其運動角速度不相同，地球繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，其運動角速度不相同，另外，地球公轉(zhuǎn)是位于黃道平面，而時角是在赤道平面另外，地球公轉(zhuǎn)是位于黃道平面，而時角是在赤道平面度量的，故真太陽時的長度是不相同的。也就是說，真度

38、量的，故真太陽時的長度是不相同的。也就是說，真太陽時不具備作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。太陽時不具備作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。37坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l平太陽時平太陽時MT (Mean Solar Time）l設(shè)想用一個假太陽代替真太陽：設(shè)想用一個假太陽代替真太陽：其周年視運動軌跡位于赤道平面而不是黃道平面；它在赤道上其周年視運動軌跡位于赤道平面而不是黃道平面；它在赤道上的運動角速度是恒定的，等于真太陽的平均角速度。的運動角速度是恒定的，等于真太陽的平均角速度。l平太陽時：平太陽時： 以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為平太陽時

39、。平太陽時。 計量時間單位計量時間單位：平太陽日、平太陽小時、平太陽分、平太陽秒；：平太陽日、平太陽小時、平太陽分、平太陽秒； 一個平太陽日一個平太陽日=24=24個平太陽小時個平太陽小時=1440=1440平太陽分平太陽分=86400=86400個平太個平太陽秒。陽秒。 平太陽時與日常生活中使用的時間系統(tǒng)是一致的，它是一種平太陽時與日常生活中使用的時間系統(tǒng)是一致的，它是一種地方時。地方時。38坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l世界時世界時UT (Universal Time)l以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界時時UT（格林尼治起始子午線處的平太陽時）（格林尼治起始子午線處的平太陽時）。它是世。它是世界統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。界統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。l地球自轉(zhuǎn)角速度不均勻，不僅有長期減緩的總趨勢，而地球自轉(zhuǎn)角速度不均勻，不僅有長期減緩的總趨勢，而且也有季節(jié)性的變化及短周期變化，較為復(fù)雜；且也有季節(jié)性的變化及短周期變化，較為復(fù)雜；l地極在地球上的位置不固定，而是在不斷移動，即極移。地極在地球上的位置不固定，而是在不斷移動，即極移。l世界時不再嚴格滿足作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。世界時不再嚴格滿足作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。 39坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)l原子時原子時ATI (International Atomic Time) 當(dāng)