第2部分GPS坐系統(tǒng)和時間系統(tǒng)

1、第第2章章gps坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)主講老師：主講老師： 黃海軍黃海軍 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)22.1 概述概述gpsgps的的最主要功能最主要功能: :定位定位 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)32.1 概述（續(xù)概述（續(xù)1）gpsgps在定位過程中的在定位過程中的兩類主體兩類主體：衛(wèi)星衛(wèi)星和和接收機接收機 如何建立gps坐標系統(tǒng)？中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)42.1 概述（續(xù)概述（續(xù)2）gpsgps定位采用定位采用兩類坐標系統(tǒng)兩類坐標系統(tǒng)：天球坐標系天球坐標系和和地球坐標系地球坐標系坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng)定義：定義：坐標原點、坐標軸指向坐標原點

2、、坐標軸指向和和單位尺度單位尺度 子午面協(xié)議坐標協(xié)議坐標: :協(xié)議慣性（天球）坐標系協(xié)議慣性（天球）坐標系（ciscisconventional inertial systemconventional inertial system） 協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系（ctsctsconventional terrestrial systemconventional terrestrial system） 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)52.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系一、天球的基本念一、天球的基本念天球（天球（celestial spherecelestial sphere） 天

3、軸（天軸（celestial axiscelestial axis）天極（天極（celestial polescelestial poles）天球赤道（天球赤道（celestial equatorcelestial equator）天球子午線（天球子午線（celestial celestial meridianmeridian）。）。時圈（時圈（hour circlehour circle）黃道（黃道（eclipticecliptic）黃赤交角（黃赤交角（obliquity of the obliquity of the eclipticecliptic） 黃極（黃極（ecliptic pol

4、esecliptic poles）春分點（春分點（vernal equinoxvernal equinox）秋分點（秋分點（autumnal equinoxautumnal equinox） 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)62.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)1）地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)軸（天軸）指向不變 地球質(zhì)心地球質(zhì)心位置不變不變春分點位置不變 天球黃道平面空間方向穩(wěn)定不變 天球赤道平面空間方向不變 春分點軸空間春分點軸空間指向穩(wěn)定不變穩(wěn)定不變 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)72.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)2） 春分點軸春分

5、點軸 o 天軸天軸 zxy地球自轉(zhuǎn)軸地球自轉(zhuǎn)軸（天軸天軸）空間指向）空間指向穩(wěn)定不變穩(wěn)定不變 春分點軸春分點軸空間指向穩(wěn)定不變空間指向穩(wěn)定不變 與兩軸垂直并位于天球赤道平與兩軸垂直并位于天球赤道平面內(nèi)的面內(nèi)的第三軸第三軸空間指向穩(wěn)定不空間指向穩(wěn)定不變變 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)82.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)3）天球球面坐標系天球球面坐標系 ：天球空間直角坐標系天球空間直角坐標系（x，y，z)： 天球坐標系天球坐標系 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)92.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)3）z s y x o 22222arctgarctg

6、zyxryxzxyrzyxsinsincoscoscos空間直角坐標與球面坐標等價空間直角坐標與球面坐標等價 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)102.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)4）思考思考：實際上實際上地球自轉(zhuǎn)軸地球自轉(zhuǎn)軸（天軸）的空間指向、地球（天球）（天軸）的空間指向、地球（天球）赤道赤道面面和地球（天球）和地球（天球）黃道面黃道面的夾角（黃赤交角）和的夾角（黃赤交角）和春分點春分點在天球上的在天球上的位置是否永遠保持穩(wěn)定不變？位置是否永遠保持穩(wěn)定不變？中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)112.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)5）地球運動狀態(tài)變化

7、彈性液態(tài)外核液態(tài)外核 非勻質(zhì)非勻質(zhì)天體攝動力天體攝動力 非標準橢球非標準橢球歲差和章動中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)12v 歲差歲差 歲差是由于日月行星引力共同作用的結(jié)果，使地球自轉(zhuǎn)軸在空間歲差是由于日月行星引力共同作用的結(jié)果，使地球自轉(zhuǎn)軸在空間的方向發(fā)生周期性變化。在日月引力的共同影響下，使北天極繞的方向發(fā)生周期性變化。在日月引力的共同影響下，使北天極繞黃北極以順時針方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，從而使春分點在黃道上每年西黃北極以順時針方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，從而使春分點在黃道上每年西移約移約50.3750.37秒，其漂移周期大約為秒，其漂移周期大約為2580025800年。年。2.1.1協(xié)議天球坐標系

8、協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)6）中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)13中國地質(zhì)大學(xué) e e c ncp nep o c 18.6 年 瞬時平北天極：瞬時平北天極：繞北黃極均勻移繞北黃極均勻移 動的北天極動的北天極瞬時北天極瞬時北天極：觀測瞬間的北天極：觀測瞬間的北天極章動章動：瞬時北天極圍繞：瞬時北天極圍繞瞬時瞬時平北平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形其天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形其軌跡，其長半軸約軌跡，其長半軸約9.29.2，主周，主周期約期約18.618.6年。年。歲差歲差：北天極（：北天極（ncpncp）繞北黃極（）繞北黃極（nepnep）順時針轉(zhuǎn)動，自轉(zhuǎn)軸圍繞北黃極畫順時針轉(zhuǎn)動，自轉(zhuǎn)軸圍繞

9、北黃極畫出一個圓錐，錐角等于黃赤交角出一個圓錐，錐角等于黃赤交角23.523.5，周期約為，周期約為2580025800年。年。2.1. 協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)7）中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)142.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)8）瞬時真北天極瞬時真北天極 瞬時真春分點瞬時真春分點 瞬時真天球赤道瞬時真天球赤道 瞬時平北天極瞬時平北天極 瞬時平天球赤道瞬時平天球赤道 瞬時平春分點瞬時平春分點 非慣性坐標非慣性坐標瞬時平天球坐標系瞬時平天球坐標系 瞬時真天球坐標系瞬時真天球坐標系 1.1.非慣性坐標非慣性坐標中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)15

10、2.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)9）19801980年，國際大地測量學(xué)會（年，國際大地測量學(xué)會（iagiag）和國際天文聯(lián)合會（）和國際天文聯(lián)合會（iauiau）決定，自決定，自19841984年年1 1月月1 1日后啟用新標準歷元的協(xié)議天球坐標系，日后啟用新標準歷元的協(xié)議天球坐標系，以儒略日以儒略日jdjd2451545.02451545.0為標準歷元，記為為標準歷元，記為j2000.0j2000.0，公歷為，公歷為20002000年年1 1月月1 1日日12h00m00s12h00m00s。協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系：選擇某一時刻：選擇某一時刻t t。作為標準歷元（。作為

11、標準歷元（standard standard epochepoch），此刻的瞬時北天極、瞬時春分點和瞬時天球赤道經(jīng)該時刻），此刻的瞬時北天極、瞬時春分點和瞬時天球赤道經(jīng)該時刻歲差和章動改正后，可構(gòu)成一個天球坐標系。稱為歲差和章動改正后，可構(gòu)成一個天球坐標系。稱為標準歷元標準歷元t t。的平。的平天球坐標系天球坐標系，也叫，也叫協(xié)議慣性坐標系協(xié)議慣性坐標系（ciscis）。）。中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)16中國地質(zhì)大學(xué)2010.32.1.1協(xié)議天球坐標系協(xié)議天球坐標系 （續(xù)（續(xù)10）三種天球坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換三種天球坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)17

12、2.2gps使用的坐標系統(tǒng)使用的坐標系統(tǒng)一、協(xié)議地球坐標系的提出一、協(xié)議地球坐標系的提出二、地球的形狀二、地球的形狀 天圓地方（最早）球形（古希臘畢達哥拉斯公元前天圓地方（最早）球形（古希臘畢達哥拉斯公元前6 6世紀）世紀）200200年后亞里士多德證明地圓說年后亞里士多德證明地圓說- -公元前公元前3 3世紀埃拉托色尼推算出地球子世紀埃拉托色尼推算出地球子午圈的周長公元午圈的周長公元8 8世紀一行實地測量子午弧長世紀一行實地測量子午弧長1717世紀末牛頓（英世紀末牛頓（英國）和惠更斯（荷蘭）應(yīng)用力學(xué)原理提出地扁說國）和惠更斯（荷蘭）應(yīng)用力學(xué)原理提出地扁說18731873利斯廷（德利斯廷（德國

13、）提出大地水準面國）提出大地水準面19451945莫洛堅斯基創(chuàng)立用地面重力測量數(shù)據(jù)研莫洛堅斯基創(chuàng)立用地面重力測量數(shù)據(jù)研究真實地球自然表面究真實地球自然表面2.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts）中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)182.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)1） p h e b l 赤 道 起始大 地 子 午 線 地球自轉(zhuǎn)軸 o x y z 三、地心空間直角坐標系和大地坐標系三、地心空間直角坐標系和大地坐標系 地心空間直角坐標系（地心空間直角坐標系（geocentric geocentric space rectangular coordina

14、te space rectangular coordinate systemsystem）和地心大地坐標系）和地心大地坐標系（geocentric geodetic coordinate geocentric geodetic coordinate systemsystem）是）是gpsgps定位常用的坐標系統(tǒng)。定位常用的坐標系統(tǒng)。地心空間直角坐標系與地球橢球無關(guān)，地心空間直角坐標系與地球橢球無關(guān)，而地心大地坐標系則是一種以橢球面而地心大地坐標系則是一種以橢球面和法線（和法線（normalnormal）為基準的地球坐標）為基準的地球坐標系。系。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)192.

15、2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)2）四、天文坐標系四、天文坐標系 天文坐標系天文坐標系是一種以大地水準面和鉛垂線（是一種以大地水準面和鉛垂線（plumb lineplumb line）為基準的地球坐）為基準的地球坐標系標系 天文子午面天文子午面（astronomical meridian planeastronomical meridian plane） 起始天文子午線起始天文子午線（prime meridian prime meridian 起始天文子午面起始天文子午面（initial astronomical meridian planeinitial astron

16、omical meridian plane）中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)202.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)3） p 正h e 赤 道 起始天 文 子 午 線 地球自轉(zhuǎn)軸 o 地面一點地面一點p p的坐標可以表示為的坐標可以表示為p p（ h h正正） 表示天文經(jīng)度，即過表示天文經(jīng)度，即過p p點的天文點的天文子午面與起始天文子午面的夾角。子午面與起始天文子午面的夾角。 表示天文緯度，即表示天文緯度，即p p點的鉛垂線方向點的鉛垂線方向與瞬時赤道面的夾角。與瞬時赤道面的夾角。h h正正表示正高，表示正高，即即p p點沿鉛垂線方向到大地水準面的點沿鉛垂線方

17、向到大地水準面的距離。距離。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)212.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)4） 以大地水準面和鉛垂線為基準以大地水準面和鉛垂線為基準的天文坐標系，其穩(wěn)定依賴于的天文坐標系，其穩(wěn)定依賴于地球自身運動狀態(tài)的穩(wěn)定。由地球自身運動狀態(tài)的穩(wěn)定。由于地球內(nèi)部物質(zhì)運動以及地球于地球內(nèi)部物質(zhì)運動以及地球與其它天體的相互作用都真實與其它天體的相互作用都真實存在，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部存在，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部也在不斷運動，所以地球極點也在不斷運動，所以地球極點在地表的位置隨時間而改變，在地表的位置隨時間而改變，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為極移極移（polar

18、 polar displacementdisplacement）。）。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)222.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)5）五、協(xié)議地球坐標系五、協(xié)議地球坐標系 地球坐標系的建立主要取決于自轉(zhuǎn)軸相對于地球本身的運動和經(jīng)地球坐標系的建立主要取決于自轉(zhuǎn)軸相對于地球本身的運動和經(jīng)度原點度原點e e的穩(wěn)定性。為了固定地極的位置，國際上采用了協(xié)議地極的穩(wěn)定性。為了固定地極的位置，國際上采用了協(xié)議地極（ctpctpconventional terrestrial poleconventional terrestrial pole）來統(tǒng)一地心坐標系。）

19、來統(tǒng)一地心坐標系。 協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系（ctscts：以協(xié)議地極（：以協(xié)議地極（ctpctp）為基準建立的坐標系。）為基準建立的坐標系。 國際協(xié)議原點國際協(xié)議原點（ciocio）：目前普遍采用的協(xié)議地極（）：目前普遍采用的協(xié)議地極（ctpctp） 定義協(xié)議地球坐標系定義協(xié)議地球坐標系：協(xié)議地極和起始天文子午線，確定橢球參：協(xié)議地極和起始天文子午線，確定橢球參數(shù)和橢球的定位、定向。（涉及全球重力場模型、地極運動模型、數(shù)和橢球的定位、定向。（涉及全球重力場模型、地極運動模型、歲差和章動模型、地球自轉(zhuǎn)角速度、地球引力常數(shù)、以及光速等一歲差和章動模型、地球自轉(zhuǎn)角速度、地球引力常數(shù)、以及光速等

20、一系列函數(shù)模型和基本常數(shù)）系列函數(shù)模型和基本常數(shù)）中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)232.2.1協(xié)議地球坐標系（協(xié)議地球坐標系（cts） （續(xù)（續(xù)6） 自自19871987年年1 1月月7 7日起，日起，gpsgps開始采用開始采用wgs-84wgs-84作為其地球坐標系統(tǒng)。作為其地球坐標系統(tǒng)。 wgs-84wgs-84：原點位于地球質(zhì)心，：原點位于地球質(zhì)心，z z軸指向軸指向bih 1984.0bih 1984.0定義的協(xié)議地極定義的協(xié)議地極（ctpctp），），x x軸指向軸指向bih 1984.0bih 1984.0定義的經(jīng)度原點，定義的經(jīng)度原點，y y軸與軸與z z軸、軸、x

21、x軸構(gòu)成右軸構(gòu)成右手坐標系。手坐標系。 特點特點：更精確的地球重力場模型；更優(yōu)越的單位尺度變化和橢球定向；：更精確的地球重力場模型；更優(yōu)越的單位尺度變化和橢球定向；更廣泛的參心坐標系轉(zhuǎn)換模型以及能獲得更精確的地圖。更廣泛的參心坐標系轉(zhuǎn)換模型以及能獲得更精確的地圖。 協(xié)議地球坐標系與理想的地球坐標系還有很大差距，只能算是一種準協(xié)議地球坐標系與理想的地球坐標系還有很大差距，只能算是一種準地固坐標系（地固坐標系（pseudo body-fixed systempseudo body-fixed system）。）。中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)242.2.2坐標轉(zhuǎn)換坐標轉(zhuǎn)換 一、協(xié)議天球坐

22、標系與協(xié)議地球坐標系的轉(zhuǎn)換一、協(xié)議天球坐標系與協(xié)議地球坐標系的轉(zhuǎn)換 （x y zx y z）cis cis （x y zx y z）mt mt （x y zx y z）ics ics （x, x, y, zy, z）its its （x, y, zx, y, z）cts cts 。它們分別表示衛(wèi)星在。它們分別表示衛(wèi)星在j2000.0j2000.0協(xié)議天球坐標系、觀測歷元協(xié)議天球坐標系、觀測歷元t t的瞬時平天球坐標系、觀測歷元的瞬時平天球坐標系、觀測歷元t t的瞬的瞬時天球坐標系、觀測歷元時天球坐標系、觀測歷元t t的瞬時地球坐標系和協(xié)議地球坐標中的的瞬時地球坐標系和協(xié)議地球坐標中的坐標。坐標

23、。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)252.2.2坐標轉(zhuǎn)換坐標轉(zhuǎn)換 （續(xù)（續(xù)1）步驟步驟作用作用坐標向量坐標向量坐標系坐標系第一步第一步消除歲差的影響消除歲差的影響j2000.0j2000.0協(xié)議天球協(xié)議天球坐標系（坐標系（ciscis）觀測歷元觀測歷元t t的瞬時的瞬時平天球坐標系平天球坐標系（mtmt）第二步第二步消除章動的影響消除章動的影響觀測歷元觀測歷元t t的瞬時的瞬時天球坐標系（天球坐標系（icsics）第三步第三步瞬時天球坐標轉(zhuǎn)換為瞬瞬時天球坐標轉(zhuǎn)換為瞬時地球坐標時地球坐標觀測歷元觀測歷元t t的瞬時的瞬時地球坐標系（地球坐標系（itsits）第四部第四部消除極移的影響消

24、除極移的影響協(xié)議地球坐標系協(xié)議地球坐標系（ctscts）mtciszyxzyxicsmtzyxzyxitsicszyxzyxctsitszyxzyx中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)262.2.2坐標轉(zhuǎn)換坐標轉(zhuǎn)換 （續(xù)（續(xù)2）二、參心坐標系與協(xié)議地球坐標的轉(zhuǎn)換二、參心坐標系與協(xié)議地球坐標的轉(zhuǎn)換 地球橢球用來代表地球形狀其越接近大地水準面越好，大地測量地球橢球用來代表地球形狀其越接近大地水準面越好，大地測量學(xué)中稱之為學(xué)中稱之為“密合密合”。在實踐上，通常先用重力技術(shù)推算出大地水。在實踐上，通常先用重力技術(shù)推算出大地水準面，然后再用數(shù)學(xué)上的最佳擬合方法計算與大地水準面最密合的準面，然后再用數(shù)

25、學(xué)上的最佳擬合方法計算與大地水準面最密合的旋轉(zhuǎn)橢球體，確定它的形狀和大小。擬合的原則是使全球大地水準旋轉(zhuǎn)橢球體，確定它的形狀和大小。擬合的原則是使全球大地水準面差距平方和最小，即面差距平方和最小，即nng gminmin。這樣確定的橢球稱為總地球橢。這樣確定的橢球稱為總地球橢球（球（datum-centered ellipsoiddatum-centered ellipsoid）或平均地球橢球，總橢球在理論）或平均地球橢球，總橢球在理論上是唯一的。上是唯一的。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)272.2.2坐標轉(zhuǎn)換坐標轉(zhuǎn)換 （續(xù)（續(xù)3） 由于總橢球的建立要求全球范圍由于總橢球的建立要求

26、全球范圍nng g最最小，于是有的地方（如海洋）與橢球小，于是有的地方（如海洋）與橢球面非常接近，差距面非常接近，差距n ng g較小；有的地方較小；有的地方（如青藏高原和喜馬拉雅山脈）大地（如青藏高原和喜馬拉雅山脈）大地水準面起伏較大，則差距水準面起伏較大，則差距n ng g較大。后較大。后者給該地區(qū)測繪成果的歸算以及地圖者給該地區(qū)測繪成果的歸算以及地圖投影引來了誤差和不便。為了解決這投影引來了誤差和不便。為了解決這個問題，人們引入了參心橢球個問題，人們引入了參心橢球（local ellipsoidlocal ellipsoid）。參心橢球只）。參心橢球只要求在某一特定范圍內(nèi)的要求在某一特定

27、范圍內(nèi)的nng gminmin。 十九世紀以來，世界上許多國家和地區(qū)十九世紀以來，世界上許多國家和地區(qū)都使用各自的參心大地坐標系。都使用各自的參心大地坐標系。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)282.2.2坐標轉(zhuǎn)換坐標轉(zhuǎn)換 （續(xù)（續(xù)4）80)(czyxzyxts坐標轉(zhuǎn)換19491949年以后，中國使用的參心大地坐標系主要有兩年以后，中國使用的參心大地坐標系主要有兩種：一種是種：一種是19541954年北京坐標系，采用克拉索夫斯年北京坐標系，采用克拉索夫斯基橢球（基橢球（krasovski ellipsoid of 1938krasovski ellipsoid of 1938），橢），

28、橢球參數(shù)為長半軸球參數(shù)為長半軸a=6378245ma=6378245m，扁率，扁率f=1/298.3f=1/298.3； 另一種是另一種是19801980年國家大地坐標系。采用國際大地測年國家大地坐標系。采用國際大地測量與地球物理聯(lián)合會（量與地球物理聯(lián)合會（iuggiugginternational international union of geodesy and geophysicsunion of geodesy and geophysics）19751975年推年推薦的橢球參數(shù)，長半軸薦的橢球參數(shù)，長半軸a=6378140ma=6378140m，扁率，扁率f=1/298.257f=1

29、/298.257。兩者比較，兩者比較，8080坐標系的橢球參數(shù)、橢球定位、橢球坐標系的橢球參數(shù)、橢球定位、橢球面與大地水準面的密合程度以及地心坐標轉(zhuǎn)換參面與大地水準面的密合程度以及地心坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)等均有較大改善。數(shù)等均有較大改善。目前，中國的生產(chǎn)建設(shè)多采用目前，中國的生產(chǎn)建設(shè)多采用19801980年國家大地坐標年國家大地坐標系，所以在系，所以在gpsgps定位時，有必要將地面點的定位時，有必要將地面點的wgs84wgs84坐標轉(zhuǎn)換成坐標轉(zhuǎn)換成8080坐標系下的坐標。坐標系下的坐標。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)292.3 gps使用的時間系統(tǒng)使用的時間系統(tǒng)測量時間需要先定義時間基準

30、（測量時間需要先定義時間基準（temporal datumtemporal datum），也就是定義時間），也就是定義時間的原點和單位尺度。時間的原點也叫起始歷元（的原點和單位尺度。時間的原點也叫起始歷元（initial epochinitial epoch）。）。起始歷元可根據(jù)需要而有所選擇，不同的時間系統(tǒng)可能有不同的時起始歷元可根據(jù)需要而有所選擇，不同的時間系統(tǒng)可能有不同的時間原點，但真正的差異體現(xiàn)在度量時間的工具間原點，但真正的差異體現(xiàn)在度量時間的工具“時鐘時鐘”上。不上。不同的同的“時鐘時鐘”有著不同的度量時間的方式，因此時間單位尺度的定有著不同的度量時間的方式，因此時間單位尺度的定義

31、也有所區(qū)別。義也有所區(qū)別。gpsgps定位對時間度量的精度要求是非常嚴格甚至是苛刻的。這是因為：定位對時間度量的精度要求是非常嚴格甚至是苛刻的。這是因為： gpsgps衛(wèi)星作為高空動態(tài)已知點，其位置是瞬息變化的，時間度衛(wèi)星作為高空動態(tài)已知點，其位置是瞬息變化的，時間度量的精度就意味著空間位置的精度；量的精度就意味著空間位置的精度；gpsgps定位是通過測定電磁波信定位是通過測定電磁波信號傳播時間來確定站星距離的，因此時間測量誤差與站星距離誤差號傳播時間來確定站星距離的，因此時間測量誤差與站星距離誤差之間的關(guān)系是一個線性函數(shù)；慣性系與地固系之間的坐標轉(zhuǎn)換需要之間的關(guān)系是一個線性函數(shù)；慣性系與地固

32、系之間的坐標轉(zhuǎn)換需要精確的時間尺度，地球在不斷地作自轉(zhuǎn)運動，地球上的點位在慣性精確的時間尺度，地球在不斷地作自轉(zhuǎn)運動，地球上的點位在慣性系中的坐標也在以相同速度變化。系中的坐標也在以相同速度變化。中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)302.3gps使用的時間系統(tǒng)使用的時間系統(tǒng) （續(xù)）（續(xù)） 任何可復(fù)制的周期性物質(zhì)運動都可以作為度量時間的單位尺度。任何可復(fù)制的周期性物質(zhì)運動都可以作為度量時間的單位尺度。 如果按照不同物質(zhì)的周期性運動給目前常用的高精度時間系統(tǒng)分類的話，如果按照不同物質(zhì)的周期性運動給目前常用的高精度時間系統(tǒng)分類的話，可以分為三類：可以分為三類：1 1以地球的以地球的為基準的時間

33、系統(tǒng)。如恒星時和真太陽時為基準的時間系統(tǒng)。如恒星時和真太陽時（平太陽時）等。（平太陽時）等。2 2以地球圍繞太陽的以地球圍繞太陽的為基準的時間系統(tǒng)。如歷書時為基準的時間系統(tǒng)。如歷書時3 3以以為基準的時間為基準的時間系統(tǒng)。如原子時。系統(tǒng)。如原子時。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)312.3.1恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時 一、恒星時（一、恒星時（ststsidereal timesidereal time） 恒星時是以地球的周期性自轉(zhuǎn)運動為基準的時間系統(tǒng)。天體的周日恒星時是以地球的周期性自轉(zhuǎn)運動為基準的時間系統(tǒng)。天體的周日視運動是地球自轉(zhuǎn)運動的

34、反映。如果以一個天體或者天球上某個特殊點視運動是地球自轉(zhuǎn)運動的反映。如果以一個天體或者天球上某個特殊點作為參考點，觀察參考點連續(xù)兩次經(jīng)過測站點時圈的時間段，即為地球作為參考點，觀察參考點連續(xù)兩次經(jīng)過測站點時圈的時間段，即為地球的一個自轉(zhuǎn)周期。選取春分點作為參考點，用它的周日視運動周期來描的一個自轉(zhuǎn)周期。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)，稱作恒星時，簡稱恒時，常用述時間的時間計量系統(tǒng)，稱作恒星時，簡稱恒時，常用s s表示。恒星時表示。恒星時在天文學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。由于歲差和章動的影響，春分點有瞬時春分在天文學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。由于歲差和章動的影響，春分點有瞬時春分

35、點和平春分點之分。如果以瞬時春分點作為參考點，稱為真恒星時點和平春分點之分。如果以瞬時春分點作為參考點，稱為真恒星時（true sidereal timetrue sidereal time），或視恒星時。而以平春分點作為參考點，則），或視恒星時。而以平春分點作為參考點，則稱為平恒星時（稱為平恒星時（mean sidereal timemean sidereal time）。）。春分點連續(xù)兩次經(jīng)過測站點上中天所經(jīng)歷的時間段，稱作一個恒星春分點連續(xù)兩次經(jīng)過測站點上中天所經(jīng)歷的時間段，稱作一個恒星日（日（sidereal daysidereal day），它是恒星時系統(tǒng)的基本單位。一個恒星日可等分

36、），它是恒星時系統(tǒng)的基本單位。一個恒星日可等分為為2424個恒時小時（個恒時小時（sidereal hoursidereal hour）；一個恒時小時可以等分為）；一個恒時小時可以等分為6060個恒個恒時分（時分（sidereal minutesidereal minute）；而一個恒時分又可以等分為）；而一個恒時分又可以等分為6060個恒時秒個恒時秒（sideresl secondsideresl second）。當(dāng)春分點恰好經(jīng)過測站子午圈的一瞬間，則有）。當(dāng)春分點恰好經(jīng)過測站子午圈的一瞬間，則有s s0 0h h 00 00m m 0000s s。恒星時的時、分、秒都是恒星時的計量單位。恒

37、星時的時、分、秒都是恒星時的計量單位。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)322.3.1恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時 （續(xù)（續(xù)1） pn e 赤 道 起始子 線 o xits xics 午 地球自轉(zhuǎn)軸 gast 在瞬時天球坐標系（在瞬時天球坐標系（icsics）中，中，x x軸始終指向瞬時春分點軸始終指向瞬時春分點，而瞬時地球坐標系（而瞬時地球坐標系（itsits）的）的x x軸則指向格林尼治平均天文臺軸則指向格林尼治平均天文臺定義的經(jīng)度原點定義的經(jīng)度原點e e。這樣，如果。這樣，如果以零度經(jīng)線作為測站點子午圈，以零度經(jīng)線作為測站點子午圈，其恒星時

38、正好等于兩個坐標系其恒星時正好等于兩個坐標系x x軸的夾角，這個時間（夾角）軸的夾角，這個時間（夾角）叫做瞬時春分點的格林尼治恒叫做瞬時春分點的格林尼治恒星時（星時（gastgastgreenwich greenwich apparent sidereal timeapparent sidereal time），），也叫格林尼治視恒星時。它是也叫格林尼治視恒星時。它是坐標轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)之一。坐標轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)之一。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)332.3.1恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時 （續(xù)（續(xù)2）二、真太陽時（二、真太陽時（true sol

39、ar timetrue solar time）與平太陽時（）與平太陽時（mean solar timemean solar time） 恒星時是以春分點為參考點的時間系統(tǒng)。如果選取真太陽（視太陽）恒星時是以春分點為參考點的時間系統(tǒng)。如果選取真太陽（視太陽）為參考點，以真太陽的周日視運動為基準建立的時間計量系統(tǒng)，稱為真太為參考點，以真太陽的周日視運動為基準建立的時間計量系統(tǒng)，稱為真太陽時，或者叫視太陽時（陽時，或者叫視太陽時（apparent solar timeapparent solar time），可用），可用t tastast表示。與恒星表示。與恒星時類似，真太陽連續(xù)兩次通過測站上中天所

40、經(jīng)歷的時間段為一個真太陽日時類似，真太陽連續(xù)兩次通過測站上中天所經(jīng)歷的時間段為一個真太陽日（true solar daytrue solar day）。一個真太陽日可以等分為）。一個真太陽日可以等分為2424個真太陽小時，每個真?zhèn)€真太陽小時，每個真太陽小時可以等分為太陽小時可以等分為6060個真太陽分，每個真太陽分又可以等分為個真太陽分，每個真太陽分又可以等分為6060個真太個真太陽秒。陽秒。由于真太陽周年視運動的不均勻，真太陽的周日視運動并不是嚴格等由于真太陽周年視運動的不均勻，真太陽的周日視運動并不是嚴格等于地球自轉(zhuǎn)周期。每個真太陽日長短不一，冬長夏短，最長和最短的真太于地球自轉(zhuǎn)周期。每個

41、真太陽日長短不一，冬長夏短，最長和最短的真太陽日相差約陽日相差約5151秒。因此，真太陽的視運動并不適合用來建立一個時間系統(tǒng)。秒。因此，真太陽的視運動并不適合用來建立一個時間系統(tǒng)。假設(shè)一個參考點的的運動速度等于真太陽周年視運動的平均速度，且該點假設(shè)一個參考點的的運動速度等于真太陽周年視運動的平均速度，且該點在赤道上作周年視運動，這個參考點天文學(xué)上叫赤道平太陽（在赤道上作周年視運動，這個參考點天文學(xué)上叫赤道平太陽（mean mean equatorial sunequatorial sun），簡稱平太陽。以此為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)稱為平太陽），簡稱平太陽。以此為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)稱為平太陽時，簡稱

42、平時。時，簡稱平時。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過測站子午圈的時間間隔，稱為一個平太陽日平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過測站子午圈的時間間隔，稱為一個平太陽日（mean solar daymean solar day），一個平太陽日包含），一個平太陽日包含2424個平太陽小時，每個平太陽小個平太陽小時，每個平太陽小時有時有6060個平太陽分，一個平太陽分又等分為個平太陽分，一個平太陽分又等分為6060個平太陽秒。個平太陽秒。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)342.3.1恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時恒星時、真太陽時、平太陽時與世界時 （續(xù)（續(xù)3）三、世界時（三、世界時（ututuniversal time

43、 universal time ）世界時是以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時。世界時與世界時是以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時。世界時與平太陽時的單位尺度相同，起算點不同，前者比后者晚平太陽時的單位尺度相同，起算點不同，前者比后者晚1212個小時。個小時。世界時作為一種以地球的周期性自轉(zhuǎn)運動為基準的時間系統(tǒng)，其精世界時作為一種以地球的周期性自轉(zhuǎn)運動為基準的時間系統(tǒng)，其精度主要受地球自轉(zhuǎn)運動速度不均勻和極移的影響。度主要受地球自轉(zhuǎn)運動速度不均勻和極移的影響。 中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)352.3.2歷書時歷書時(etephemeris time )19581958年國際天文聯(lián)

44、合會（年國際天文聯(lián)合會（iauiau）決定，自）決定，自19601960年起各國開始使年起各國開始使用以地球公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時編算天文年歷。用以地球公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時編算天文年歷。歷書時是紐康太陽歷表中均勻變化的時間自變量。歷書時是紐康太陽歷表中均勻變化的時間自變量。歷書時的觀測精度隨著觀測設(shè)備和技術(shù)的提高而逐漸增強，從歷書時的觀測精度隨著觀測設(shè)備和技術(shù)的提高而逐漸增強，從早期的早期的etet。、。、etet1 1發(fā)展到后來的發(fā)展到后來的etet2 2，其精度可達到，其精度可達到10 10 -9-9 10 10 -11-11量量級。精度高于恒星時、世界時等時間系統(tǒng)，但不能實時給出精確的

45、級。精度高于恒星時、世界時等時間系統(tǒng)，但不能實時給出精確的歷書時。歷書時。19761976年國際天文聯(lián)合會決定，自年國際天文聯(lián)合會決定，自19841984年起采用年起采用和太陽系質(zhì)心力學(xué)時取代歷書時。和太陽系質(zhì)心力學(xué)時取代歷書時。中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)362.3.3原子時、協(xié)調(diào)世界時與原子時、協(xié)調(diào)世界時與gps時間時間 一、原子時（一、原子時（atatatomic timeatomic time） 1 1二十世紀二十世紀4040年代末，美國國家標準局制成氨分子鐘，其精度達年代末，美國國家標準局制成氨分子鐘，其精度達1010-8-8左右。左右。2 219551955年，英國皇家

46、實驗室試制成功第一臺銫原子諧振器，其精度為年，英國皇家實驗室試制成功第一臺銫原子諧振器，其精度為1010-9-9。3.3.由銫原子輻射頻率導(dǎo)出的時間單位尺度，其精度遠高于歷書時秒長，且能由銫原子輻射頻率導(dǎo)出的時間單位尺度，其精度遠高于歷書時秒長，且能連續(xù)實時提供精確的時間單位。連續(xù)實時提供精確的時間單位。4 4原子時秒長：位于海平面上的銫原子基態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍原子時秒長：位于海平面上的銫原子基態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射振蕩遷輻射振蕩91626317709162631770周所持續(xù)的時間，為一原子秒（周所持續(xù)的時間，為一原子秒（atomic secondatomic se

47、cond）。）。5 5國際原子時（國際原子時（iatiatinternational atomic timeinternational atomic time）：為了統(tǒng)一世界各國的）：為了統(tǒng)一世界各國的原子時，國際上將原子時，國際上將100100多臺原子鐘，通過相互比對，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)多臺原子鐘，通過相互比對，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)。一的原子時系統(tǒng)。iatiat的穩(wěn)定度大約為的穩(wěn)定度大約為1010-13-13左右。左右。中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)遠程教學(xué)372.3.3原子時、協(xié)調(diào)世界時與原子時、協(xié)調(diào)世界時與gps時間時間 （續(xù)（續(xù)1）二、協(xié)調(diào)世界時二、協(xié)調(diào)世界時utcu

48、tcuniversal coordinated timeuniversal coordinated time） 從從19721972年起國際上開始采用一種以原子時秒長為基準，時刻接近世界年起國際上開始采用一種以原子時秒長為基準，時刻接近世界時的折衷的時間系統(tǒng)，該時間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時（時的折衷的時間系統(tǒng)，該時間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時（utcutc），簡稱），簡稱協(xié)調(diào)時。協(xié)調(diào)時。 具體方法是從具體方法是從19721972年年1 1月月1 1日日0 0時起，協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴格等于原子時起，協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴格等于原子時秒長。當(dāng)協(xié)調(diào)時與世界時相差超過時秒長。當(dāng)協(xié)調(diào)時與世界時相差超過0.9s0.9s時，便在協(xié)調(diào)時中加入時，便在協(xié)調(diào)時中加入一個閏秒（一個閏秒（leap secondleap second）。閏秒（或稱跳秒）可正可負，一般在）。閏秒（或稱跳秒）可正可負，一般在1212月月3131日或日或6 6月月3030日末加入，具體