GPS測量原理與數(shù)據(jù)處理(本)第二章龍泉

1、o 天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系o WGS-84世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系o 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換o 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)o 天球的概述天球的概述o 兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型o 極移與國際協(xié)議原點極移與國際協(xié)議原點o 兩種地球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型兩種地球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型o 瞬時極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時（真）地球瞬時極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時（真）地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型o WGS-84世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系2.1天球坐標(biāo)系統(tǒng)與地球坐標(biāo)系 1. 1. 天球的基本概念天球的基本概念 天球：天球：指以地球

2、質(zhì)心為中心，半徑指以地球質(zhì)心為中心，半徑r 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)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點P Pn n( (北天極北天極)P)Ps s( (南天極南天極) )稱為天極稱為天極。 2.1天球坐標(biāo)系統(tǒng)與地球坐標(biāo)系2.1.1 天球坐標(biāo)系 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與平面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。天球相交的大圓為天球赤道。 天球子午面與天球子午天球子午面與天球子午圈圈：包含天軸

3、并經(jīng)過地球上：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點的平面為天球子午面，任一點的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓為天該面與天球相交的大圓為天球子午圈球子午圈。天球的概念天球的概念2.1 天球坐標(biāo)系時間系統(tǒng)黃道：黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的運動軌公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太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，約跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約23.5023.50。黃極：黃極：通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點?？客ㄟ^天球中心，垂直于黃道面的直線

4、與天球的交點。靠近北天極的交點近北天極的交點 n n稱北黃極，靠近南天極的交點稱北黃極，靠近南天極的交點 s s稱南黃稱南黃極。極。春分點：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與天球赤道的交點 。2.1 天球坐標(biāo)系與時間系統(tǒng)2.1 天球坐標(biāo)系與時間系統(tǒng)2.2.兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型 （1）天球坐標(biāo)系的定義）天球坐標(biāo)系的定義天球空間直角坐標(biāo)系的定義天球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點位于地球的質(zhì)心，原點位于地球的質(zhì)心，z軸指向軸指向天球的北極天球的北極Pn，x軸指向春分點軸指向春分點 ，y軸與

5、軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。系。天球球面坐標(biāo)系的定義：天球球面坐標(biāo)系的定義：原點位于地球的質(zhì)心，原點位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)赤經(jīng) 為含天為含天軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過天體軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過天體s的天球子午面之間的交的天球子午面之間的交角，角，赤緯赤緯 為原點至天體的連線與天球赤道面的夾角，為原點至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑向徑r為為原點至天體的距離原點至天體的距離。2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系sinsincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr（2）天球空間直角坐

6、標(biāo)系與天球大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換）天球空間直角坐標(biāo)系與天球大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在日月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，在日月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使使春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢西移春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為為歲差歲差。 3. 3. 歲差與章動歲差與章動2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運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，北天極行軌道以及月地之間的距離在不斷

7、變化，北天極繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測繞北黃極順時針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測時的北天極稱為時的北天極稱為瞬時北天極（或真北天極），相瞬時北天極（或真北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點稱為瞬時天球赤道和瞬時應(yīng)的天球赤道和春分點稱為瞬時天球赤道和瞬時春分點（或真天球赤道和真春分點）。春分點（或真天球赤道和真春分點）。2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)瞬時天極運動分解2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在天球上，這種順時針規(guī)律運動的北天極稱在天球上，這種順時針規(guī)律運動的北天極稱為為瞬時平北天極（簡稱平北天極）瞬時平北天極（簡稱平北天極），相應(yīng)的，相應(yīng)的天球赤道和春分點稱為

8、天球赤道和春分點稱為瞬時天球平赤道和瞬瞬時天球平赤道和瞬時平春分點時平春分點。2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極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)象稱為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動章動。2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)天球坐標(biāo)系n 瞬時（真）天球坐標(biāo)系n 瞬時（平）天球坐標(biāo)系2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)2.1.2 大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系1、地球坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系 由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，導(dǎo)致地球上由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，導(dǎo)致地球上一固定點在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)而變化，一固定點

9、在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)而變化，應(yīng)用不方便。為了描述地面觀測點的位置，有必要建應(yīng)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(biāo)系立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系（有時稱地地球坐標(biāo)系（有時稱地固坐標(biāo)系）。固坐標(biāo)系）。 地球坐標(biāo)系有兩種表達方式，即地球坐標(biāo)系有兩種表達方式，即空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。和大地坐標(biāo)系。 地心空間直角坐標(biāo)系的定義地心空間直角坐標(biāo)系的定義:原點與地球質(zhì)心重合，原點與地球質(zhì)心重合，z軸軸指向地球北極，指向地球北極，x軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點E，y軸垂直于軸垂直于xoz平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

10、平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 地心大地坐標(biāo)系的定義地心大地坐標(biāo)系的定義：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重：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為過地面點的為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度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為為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。地面點沿橢球法線至橢球面的距離。2.1.2 大地坐標(biāo)系2、地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系、地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系 地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固

11、定的，地極點在地地球自轉(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)象稱為球表面上的位置隨時間而變化的現(xiàn)象稱為極移極移。 國際協(xié)議原點：國際協(xié)議原點：國際天文學(xué)聯(lián)合會和大地測量學(xué)協(xié)會在國際天文學(xué)聯(lián)合會和大地測量學(xué)協(xié)會在1967建議，采用國際上建議，采用國際上5個緯度服務(wù)站，以個緯度服務(wù)站，以1900-1905年的年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點，平極的位置是相應(yīng)平均緯度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點，平極的位置是相應(yīng)上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為（上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為（Conventional International Orig

12、inCIO）。與之相應(yīng)的地球赤道面）。與之相應(yīng)的地球赤道面稱為稱為平赤道面或協(xié)議赤道面平赤道面或協(xié)議赤道面。2.1.2 大地坐標(biāo)系至今仍采用至今仍采用CIO作為協(xié)議地極作為協(xié)議地極（conventional Terrestrial PoleCTP），以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系），以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系稱為稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系（Conventional Terrestrial SystemCTS），而與瞬），而與瞬時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時地球坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系。2.1.2 大地坐標(biāo)系至今仍采用至今仍采用CIO作為協(xié)議地極作為協(xié)議地極（conv

13、entional Terrestrial PoleCTP），以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系），以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系稱為稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系（Conventional Terrestrial SystemCTS），而與瞬），而與瞬時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時地球坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系。2.1.2 大地坐標(biāo)系地球地極運動情況3、歷元平天球坐標(biāo)系的定義、歷元平天球坐標(biāo)系的定義 由于歲差和章動的影響，瞬時天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向由于歲差和章動的影響，瞬時天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向不斷變化，在這種非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中，不能直接根據(jù)牛頓力不斷變化，在這種非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中，

14、不能直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律研究衛(wèi)星的運動規(guī)律。學(xué)定律研究衛(wèi)星的運動規(guī)律。為建立一個與慣性坐標(biāo)系相接為建立一個與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，通常選擇某一時刻近的坐標(biāo)系，通常選擇某一時刻t t0 0作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻作為標(biāo)準(zhǔn)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，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，由此構(gòu)成的軸，由此構(gòu)成的空固坐標(biāo)系稱為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天球坐標(biāo)系，或協(xié)議天球空固坐標(biāo)系稱為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天球坐標(biāo)系，或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議慣性坐標(biāo)系（坐標(biāo)系，也稱協(xié)

15、議慣性坐標(biāo)系（Conventional Inertial Conventional Inertial SystemCISSystemCIS）2.1.2 大地坐標(biāo)系4、瞬時極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時（真）、瞬時極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時（真）地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型2.1.2 大地坐標(biāo)系此外，地球坐標(biāo)系還有其它表示形式：此外，地球坐標(biāo)系還有其它表示形式：（1）地球參心坐標(biāo)系）地球參心坐標(biāo)系（2）天文坐標(biāo)系）天文坐標(biāo)系（3）站心坐標(biāo)系）站心坐標(biāo)系（4）高斯平面直角坐標(biāo)系等）高斯平面直角坐標(biāo)系等2.1.2 大地坐標(biāo)系 在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機

16、的位置，機的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時位置通常應(yīng)化衛(wèi)星的瞬時位置通常應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。 在在GPS試驗階段，衛(wèi)星瞬間位置的計試驗階段，衛(wèi)星瞬間位置的計算采用了算采用了1972年世界大地坐標(biāo)系（年世界大地坐標(biāo)系（World Geodetic System WGS-72），），1987年年1月月10日開始采用改進的大地坐標(biāo)日開始采用改進的大地坐標(biāo)系統(tǒng)系統(tǒng)WGS-84。世界大地坐標(biāo)系。世界大地坐標(biāo)系WGS屬于屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS，WGS可看成可看成CTS的的近似系統(tǒng)。近似系統(tǒng)。2.2. WGS-84世界大地坐標(biāo)系2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)o 時刻時刻是指

17、發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱歷元歷元o 時間間隔時間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，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。時間間隔測量是這一過程始末的時間之差。時間間隔測量稱為稱為相對時間測量相對時間測量2.4.1 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且比較均勻。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)是最早建立的時間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運動為基以地球自轉(zhuǎn)運動為基準(zhǔn)的世界時系統(tǒng)準(zhǔn)的世界時系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選取

18、的空間參考點不同，世界時系統(tǒng)包括所選取的空間參考點不同，世界時系統(tǒng)包括恒星時恒星時、平太陽時平太陽時和和世界時世界時。 1、恒星時、恒星時(Sidereal TimeST) 以以春分點春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間稱為定的時間稱為恒星時恒星時。 春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一一恒星日恒星日，含，含24個恒星小時。恒星時以春分點通過個恒星小時。恒星時以春分點通過本地子午圈本地子午圈 時刻為起算原點，在數(shù)值上等于春分點時刻為起算原點，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

19、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，也稱星時不同，具有地方性，也稱地方恒星時。地方恒星時。2.4.1 世界時系統(tǒng)2、太陽時（、太陽時（ Solar TimeST） 假設(shè)一個參考點的視運動速度等于真太陽周年運假設(shè)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，這個假動的平均速度，且在天球赤道上作周年視運動，這個假設(shè)的參考點在天文學(xué)中稱為設(shè)的參考點在天文學(xué)中稱為平太陽平太陽。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一過本地子午圈的時間間隔為一平太陽日平太陽日，包含，包含24個平個平太陽時。平太陽時也具有地方性，常稱為太

20、陽時。平太陽時也具有地方性，常稱為地方平太陽時地方平太陽時或或地方平時地方平時。2.4.1 世界時系統(tǒng)3、世界時（、世界時（Universal TimeUT） 以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時世界時。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。世界時算點不同。世界時UT2UT2不是一個嚴(yán)格均勻的時間系不是一個嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng)。統(tǒng)。STUTUTUTUT12012.4.1 世界時系統(tǒng) 原子時秒長原子時秒長的定義；位于海平面上的銫的定義；位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個超精原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級，在零磁

21、場中躍遷輻射震蕩細(xì)能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間周所持續(xù)的時間為一原子時秒。原子時秒為國際制秒（為一原子時秒。原子時秒為國際制秒（SI）的時間單位。）的時間單位。 原子時的原點原子時的原點為為AT=UT2-0.0039s 不同的地方原子時之間存在差異，為此，國際上大約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)，稱為國國際原子時際原子時（International Atomic TimeIAT）2.4.2原子時（原子時（Atomic Ti

22、meAT）根據(jù)描述運動方程所對應(yīng)的根據(jù)描述運動方程所對應(yīng)的參考點參考點不同，力學(xué)時分為：不同，力學(xué)時分為：太陽系質(zhì)心力學(xué)時太陽系質(zhì)心力學(xué)時（Barycentric Dynamic TimeTDB）是相對于太陽系質(zhì)心的運動方程所采）是相對于太陽系質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)。用的時間參數(shù)。地球質(zhì)心力學(xué)時地球質(zhì)心力學(xué)時（Terrestrial Dynamic TimeTDT）是相對于地球質(zhì)心的運動方程所采用的時間參）是相對于地球質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)。數(shù)。2.4.3力學(xué)時（力學(xué)時（Dynamic TimeDT）TDTTDT的的基本單位基本單位是國際制秒（是國際制秒（SISI），與原子時）

23、，與原子時的尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會（的尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAUIAU）決定，）決定，19771977年年1 1月月1 1日原子時（日原子時（IATIAT）零時與地球質(zhì)心力學(xué)）零時與地球質(zhì)心力學(xué)時的嚴(yán)格關(guān)系如下：時的嚴(yán)格關(guān)系如下： TDT=IAT+32.184STDT=IAT+32.184S若以若以 T T表示地球質(zhì)心力學(xué)時表示地球質(zhì)心力學(xué)時TDTTDT與世界時與世界時UT1UT1之之間的時差，則可得：間的時差，則可得： T=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184ST=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184S2.4.3 力學(xué)時 由于地球自轉(zhuǎn)速度有長期變慢的趨勢，近由于地球自轉(zhuǎn)速度有長期變慢的趨勢，近20年，年，世界時每年比原子時慢約世界時每年比原子時慢約1秒，且兩者之差逐年積累。秒，且兩者之差逐年積累。為避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大偏差，為避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大偏差，從從