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

1、衛(wèi)星定位原理與應(yīng)用劉智敏劉智敏山東科技大學(xué)山東科技大學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng) 描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 是是 處理觀測(cè)數(shù)據(jù)處理觀測(cè)數(shù)據(jù) 的的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ) 表達(dá)觀測(cè)站位置表達(dá)觀測(cè)站位置主要內(nèi)容1 1 坐標(biāo)系統(tǒng)的類型坐標(biāo)系統(tǒng)的類型2 2 協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系3 3 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系4 4 地球坐標(biāo)系的其它表現(xiàn)形式地球坐標(biāo)系的其它表現(xiàn)形式5 5 大地測(cè)量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換大地測(cè)量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換6 6 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)在在GPS定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)：定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)：一類是一類是空間固定的坐標(biāo)系空間固定的坐標(biāo)系 ECI , ECSF Earth

2、-Centred Inential Coordinate System;Earth-Centred Space-Fixed Coordinate System 描述衛(wèi)星（天體）的運(yùn)行位置和狀態(tài)描述衛(wèi)星（天體）的運(yùn)行位置和狀態(tài) 極其方便極其方便 根據(jù)牛頓引力定律根據(jù)牛頓引力定律 慣性參考坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)慣性參考坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān) 另一類是與另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng) ECEFEarth-Centred Earth-fixed Coordinate System 表達(dá)地面觀測(cè)站的位置表達(dá)地面觀測(cè)站的位置 處理處理GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù) 2.1坐標(biāo)系統(tǒng)的類型坐標(biāo)

3、系統(tǒng)的類型坐標(biāo)系統(tǒng)是坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向和尺度所定義的。由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向和尺度所定義的。在在GPS定位中，定位中， 坐標(biāo)系原點(diǎn)一般取地球質(zhì)心，坐標(biāo)系原點(diǎn)一般取地球質(zhì)心， 而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性 為了使用上的方便，國(guó)際上都通過(guò)協(xié)議來(lái)確定某為了使用上的方便，國(guó)際上都通過(guò)協(xié)議來(lái)確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系稱為的坐標(biāo)系稱為協(xié)議坐標(biāo)系協(xié)議坐標(biāo)系。Conventional International Coordinate system協(xié)議坐標(biāo)系協(xié)議坐標(biāo)系 原點(diǎn)、軸向、尺度原

4、點(diǎn)、軸向、尺度2.1坐標(biāo)系統(tǒng)的類型坐標(biāo)系統(tǒng)的類型1.天球的基本概念天球的基本概念 天球天球：指以地球質(zhì)心為中心，半徑：指以地球質(zhì)心為中心，半徑r為任意長(zhǎng)度的一個(gè)假想球體。為任意長(zhǎng)度的一個(gè)假想球體。 天軸與天極天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)Pn(北天極北天極)Ps(南天極南天極)稱為天極。稱為天極。 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道：通過(guò)地球：通過(guò)地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。赤道。 天球子午面與天球子午圈天球子午面與

5、天球子午圈：包含天：包含天軸并經(jīng)過(guò)天球上任一點(diǎn)的平面為天軸并經(jīng)過(guò)天球上任一點(diǎn)的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓球子午面，該面與天球相交的大圓為天球子午圈。為天球子午圈。 2.2協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系（ECI, ECSF）時(shí)圈時(shí)圈：通過(guò)天軸的平面與天球相交：通過(guò)天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓。的半個(gè)大圓。黃道黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相：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(yáng)公轉(zhuǎn)交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測(cè)者所見(jiàn)到的太時(shí)，地球上的觀測(cè)者所見(jiàn)到的太陽(yáng)在天球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面陽(yáng)在天球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，與赤道面的夾角稱為黃赤交角，

6、約約23.50。黃極黃極：通過(guò)天球中心，垂直于黃道：通過(guò)天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)?？拷泵娴闹本€與天球的交點(diǎn)?？拷碧鞓O的交點(diǎn)天極的交點(diǎn) n稱北黃極，靠近稱北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)南天極的交點(diǎn) s稱南黃極。稱南黃極。春分點(diǎn)春分點(diǎn)：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)球赤道的交點(diǎn) 。在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)中，在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)中，春春分點(diǎn)和天球赤道面是建立參考系分點(diǎn)和天球赤道面是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。u天球的概念天球的概念2.天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 在天球坐標(biāo)系中，

7、任一天體的位置可用天球空間直角坐在天球坐標(biāo)系中，任一天體的位置可用天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系來(lái)描述。標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系來(lái)描述。天球空間直角坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系的定義：的定義： 原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極軸指向天球的北極Pn，x軸指向軸指向春分點(diǎn)春分點(diǎn) ，y軸與軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系的定義：的定義： 原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng) 為含天軸和春分點(diǎn)的天球?yàn)楹燧S和春分點(diǎn)的天球子午面與經(jīng)過(guò)天體子午面與經(jīng)過(guò)天體s的天球子午面之間的交角，赤緯的天球子午面之間的交角，赤緯 為為原點(diǎn)至天體的

8、連線與天球赤道面的夾角，向徑原點(diǎn)至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑r為原點(diǎn)為原點(diǎn)至天體的距離至天體的距離。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u天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系在表達(dá)同一天體的位置時(shí)是等價(jià)的，二者可相互轉(zhuǎn)換。sinsincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr3. 3. 歲差與章動(dòng)歲差與章動(dòng) 上述天球坐標(biāo)系的建立是上述天球坐標(biāo)系的建立是假定假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向上是固定的，春分點(diǎn)在天球上的位置保持不變。向上是固定的，春分點(diǎn)在天球上的位置保持不變。 慣性坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系 實(shí)際實(shí)際上地

9、球接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體，在日月和其上地球接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體，在日月和其它天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽(yáng)運(yùn)它天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變 從而使從而使春分點(diǎn)在黃春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢西移道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為歲差歲差。precessionprecession 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極順時(shí)針旋在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 在天球上，這種

10、順時(shí)針規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱為在天球上，這種順時(shí)針規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱為瞬時(shí)平北天瞬時(shí)平北天極極（簡(jiǎn)稱平北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為（簡(jiǎn)稱平北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。 在太陽(yáng)和其它行星引力的影響下，月球的運(yùn)行軌道以及在太陽(yáng)和其它行星引力的影響下，月球的運(yùn)行軌道以及月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測(cè)時(shí)的北天極稱為的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測(cè)時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極（瞬時(shí)北天極（或真北天極）或真北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為，相應(yīng)的天球赤

11、道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球赤瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分點(diǎn)（或真天球赤道和真春分點(diǎn)）道和瞬時(shí)春分點(diǎn)（或真天球赤道和真春分點(diǎn)）。 在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌跡大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌跡大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)章動(dòng)。NutationNutation4. 協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和轉(zhuǎn)換協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和轉(zhuǎn)換 由于歲差和章動(dòng)的影響，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)由于歲差和章動(dòng)的影響，瞬時(shí)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)牛頓力學(xué)定律研究衛(wèi)星

12、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 為建立一個(gè)與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，通常選為建立一個(gè)與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，通常選擇某一時(shí)刻擇某一時(shí)刻t t0 0作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)過(guò)該瞬時(shí)歲差和章動(dòng)改正后，作為經(jīng)過(guò)該瞬時(shí)歲差和章動(dòng)改正后，作為z z軸和軸和x x軸。軸。 構(gòu)成的空固坐標(biāo)系構(gòu)成的空固坐標(biāo)系稱為稱為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天球坐標(biāo)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（系，或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議慣性坐標(biāo)系（Conv

13、entional Inertial SystemCISConventional Inertial SystemCIS）J2000.0J2000.0的赤道和春分點(diǎn)定義的（的赤道和春分點(diǎn)定義的（2000.1.15.TDB2000.1.15.TDB）儒略日儒略日2451545.02451545.0 為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為觀測(cè)歷元t的瞬時(shí)天球坐標(biāo)系，通常分兩步進(jìn)行。協(xié)議天球坐標(biāo)系瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系瞬時(shí)天球坐標(biāo)系歲差旋轉(zhuǎn)歲差旋轉(zhuǎn)章動(dòng)旋轉(zhuǎn)章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 2.3 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系(ECEF,CTS) Conventional Terrestrial System1.地球坐標(biāo)系 由于天球坐

14、標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，導(dǎo)致地球上一固定點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系,又稱地固坐標(biāo)系 地球空間直角坐標(biāo)系 地心大地坐標(biāo)系地心空間直角坐標(biāo)系地心空間直角坐標(biāo)系 地心大地坐標(biāo)系地心大地坐標(biāo)系 地心空間直角坐標(biāo)系：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于XOY平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 地心大地坐標(biāo)系：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B為過(guò)地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾

15、角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。 任一地面點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中可表示為（X，Y，Z）和（B，L，H），兩者可進(jìn)行互換。u換算關(guān)系如下，其中N為橢球卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的第一偏心率，a、b為橢球的長(zhǎng)短半徑。BHeNZLBHNYLBHNXsin)1 (sincos)(coscos)(222222122)sin1 (/abaeBeWWaNNBRHXyarctgLWBZaetgarctgBcoscossin122/12222/122)(ZYXRYXZarctg2.地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系u極移(Polar Motion) 地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體的位置不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置

16、隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象u地極點(diǎn)作為地球坐標(biāo)系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)，極移將使地球坐標(biāo)地極點(diǎn)作為地球坐標(biāo)系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)，極移將使地球坐標(biāo)系的系的Z軸方向發(fā)生變化，造成實(shí)際工作困難。軸方向發(fā)生變化，造成實(shí)際工作困難。u觀測(cè)瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置觀測(cè)瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置,稱為瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸稱為瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸;相相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極u大量資料表明大量資料表明,地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng),包含包含2種周期性變種周期性變化化,一種周期約為一年一種周期約為一年,振幅約為振幅約為0.1”的變化的變化;另一種周期約另一種周期約為為432天天,振幅約為振幅約為0.2”的變化的變化,又稱

17、又稱Chandler周期變化周期變化2.地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系u國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO 采用國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù)站，以1900-1905年的平均緯度所確定的平均地極平均地極(mean polar)位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，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CIO （Conventional International OriginCIO）。u協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS 與之相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。至今仍采用CIO作為協(xié)議地極（conventional Terrestrial PoleCTP）； 以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系 （Conventional Te

18、rrestrial SystemCTS）；u與瞬時(shí)極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。 根據(jù)協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義可知：（1）兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同（2）瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的z軸與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的Z軸指向相同（3）兩瞬時(shí)坐標(biāo)系x軸與X軸的指向不同，其間夾角為春分點(diǎn)的春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)格林尼治恒星時(shí)。二者的轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：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 2.4 地球坐標(biāo)系的其他表達(dá)

19、形式地球坐標(biāo)系的其他表達(dá)形式地球參心坐標(biāo)系地球參心坐標(biāo)系u處理觀測(cè)成果，傳算地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)u選取一參考橢球面為參考面，大地原點(diǎn)為起算點(diǎn)，天文測(cè)量確定參考橢球與地球的方位關(guān)系，其中心與地球質(zhì)心不重合，只位于地球質(zhì)心附近，被稱為參心坐標(biāo)系u參心空間直角坐標(biāo)系定義：原點(diǎn)位于參考橢球中心，Z軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸，X指向起始大地子午面與參考橢球赤道的交點(diǎn)，Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。u地心空間直角坐標(biāo)系與參心空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向都不同天文坐標(biāo)系u地心大地坐標(biāo)系中，以大地水準(zhǔn)面代替其中的橢球面，相應(yīng)坐標(biāo)系成為天文坐標(biāo)系u垂線u正常高u地心大地坐標(biāo)系與天文坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換u垂線偏差u高程異

20、常 如果測(cè)量工作以測(cè)站為原點(diǎn)，則所構(gòu)成的坐標(biāo)系稱為測(cè)站中心如果測(cè)量工作以測(cè)站為原點(diǎn)，則所構(gòu)成的坐標(biāo)系稱為測(cè)站中心坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱站心坐標(biāo)系）。站心坐標(biāo)系分為坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱站心坐標(biāo)系）。站心坐標(biāo)系分為站心地平直角站心地平直角坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系坐標(biāo)系和站心極坐標(biāo)系。 站心地平直角坐標(biāo)系是以測(cè)站的橢球法線方向?yàn)檎拘牡仄街苯亲鴺?biāo)系是以測(cè)站的橢球法線方向?yàn)閆軸，以測(cè)站軸，以測(cè)站大地子午線北端與大地地平面的交線為大地子午線北端與大地地平面的交線為X軸，大地平行圈（軸，大地平行圈（東方向）與大地地平面的交線為東方向）與大地地平面的交線為Y軸，構(gòu)成軸，構(gòu)成左手坐標(biāo)系左手坐標(biāo)系。 GPS相對(duì)定位確定的是點(diǎn)之間的相對(duì)

21、位置，一般用空間直角相對(duì)定位確定的是點(diǎn)之間的相對(duì)位置，一般用空間直角 坐標(biāo)差坐標(biāo)差 或大地坐標(biāo)差或大地坐標(biāo)差 表示。如果建立以表示。如果建立以已知點(diǎn)為已知點(diǎn)為 為原點(diǎn)的站心地平直角坐標(biāo)系則其他點(diǎn)為原點(diǎn)的站心地平直角坐標(biāo)系則其他點(diǎn)在該坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)在該坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo) 與基線向量的關(guān)系為與基線向量的關(guān)系為ZYX,HLB,000,ZYXzyx,ZYXBLBLBLLBLBLBzyxjjj000000000000sinsincoscoscos0cossincossinsincossin站 站心極坐標(biāo)系是以測(cè)站的鉛垂線為準(zhǔn)，以測(cè)站點(diǎn)到站心的空間距離D，高度角Z和大地方位角A表示j點(diǎn)的位置站心地平直角坐標(biāo)系

22、與站心極坐標(biāo)系之間也可以轉(zhuǎn)換。Z 2.5大地測(cè)量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換大地測(cè)量基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換1.經(jīng)典大地測(cè)量基準(zhǔn)經(jīng)典大地測(cè)量基準(zhǔn)u大地測(cè)量基準(zhǔn)是由一組確定測(cè)量參考面（參考系大地測(cè)量基準(zhǔn)是由一組確定測(cè)量參考面（參考系）在地球內(nèi)部的位置和方向，以及描述參考面形）在地球內(nèi)部的位置和方向，以及描述參考面形狀和大小的參數(shù)來(lái)表示。狀和大小的參數(shù)來(lái)表示。u一般選擇一個(gè)橢球面作為計(jì)算的參考面。同時(shí)地一般選擇一個(gè)橢球面作為計(jì)算的參考面。同時(shí)地球作為宇宙空間的一個(gè)行星，也有重要的物理性球作為宇宙空間的一個(gè)行星，也有重要的物理性質(zhì)質(zhì)u1967年國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（年國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（IAG）推薦如下）推薦如下4個(gè)量個(gè)量來(lái)描述地球

23、橢球的基本特征：來(lái)描述地球橢球的基本特征： a地球橢球長(zhǎng)半徑地球橢球長(zhǎng)半徑m J2地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù) GM地球引力與地球質(zhì)量乘積地球引力與地球質(zhì)量乘積km3s-2 地球自轉(zhuǎn)角速度地球自轉(zhuǎn)角速度rad/su在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機(jī)的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置通常應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。u在GPS試驗(yàn)階段，衛(wèi)星瞬間位置的計(jì)算采用了1972年世界大地坐標(biāo)系（World Geodetic System WGS-72），1987年1月10日開始采用改進(jìn)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-84。世界大地坐標(biāo)系WGS屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS，WGS可看成CTS的近似系統(tǒng)。uWGS

24、-84WGS-84大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系的幾何意義：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z，X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 對(duì)應(yīng)WGS-84大地坐標(biāo)系有WGS-84橢球。2.衛(wèi)星大地測(cè)量基準(zhǔn)WGS-84世界大地坐標(biāo)系u幾何意義：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z，X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 為地球重力場(chǎng)正?；A帶諧系數(shù)，等于-J2/51/2基本大地參數(shù)WGS-72WGS-84a(m)63781356378

25、137 或f-484.160510-61/298.26-484.1668510-61/298.257223563(rad/s)7.292115147 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.50 , 2CWGS-72與與WGS-84的基本大地參數(shù)的基本大地參數(shù)0 , 2C1有關(guān)時(shí)間的基本概念u現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)上，空間和時(shí)間參考系形成四維大地測(cè)量學(xué)u在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)也是利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)。 2.6時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)1有關(guān)時(shí)間的基本概念在GPS衛(wèi)星定位中，時(shí)間系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)在：GP

26、S衛(wèi)星作為高空觀測(cè)目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。例如當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.6 10-6s。（ GPS衛(wèi)星運(yùn)行速度平均約為3.9km/s）準(zhǔn)確地測(cè)定觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間。若要距離誤差小于1cm，則信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)小于3 10-11s (光速度約為3 108m/s )由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標(biāo)系中地球上點(diǎn)的位置是不斷變化的，若要求赤道上一點(diǎn)的位置誤差不超過(guò)1cm，則時(shí)間測(cè)定誤差要小于2 10-5s。(地球自轉(zhuǎn)平均速度470m/s) 2.6時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 由上可知，利用GPS進(jìn)行

27、精密導(dǎo)航和定位，盡可能獲得高精度的時(shí)間信息是至關(guān)重要的。 時(shí)間的含義：u包含了“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。u時(shí)刻是指發(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(duì)應(yīng)的時(shí)刻也稱歷元。u時(shí)間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過(guò)程，是這一過(guò)程始末的時(shí)間之差。u時(shí)間間隔測(cè)量稱為相對(duì)時(shí)間測(cè)量u而時(shí)刻測(cè)量相應(yīng)稱為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量u測(cè)量時(shí)間必須建立一個(gè)測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間的單位（尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v元）。u其中時(shí)間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。u符合下列要求的任何一個(gè)可觀察的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，都可用作確定時(shí)間的基準(zhǔn)：u運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的、周期性的。u運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性。u運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)

28、現(xiàn)性，即在任何地方和時(shí)間，都可通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)這種周期性運(yùn)動(dòng)。 在實(shí)踐中，因所選擇的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)。在GPS定位中，具有重要意義的時(shí)間系統(tǒng)包括世界時(shí)系統(tǒng)、力學(xué)時(shí)和原子時(shí)三種。時(shí)間系統(tǒng)u世界時(shí)系統(tǒng)u恒星時(shí)STu平太陽(yáng)時(shí)u世界時(shí)UT0, UT1, UT2u力學(xué)時(shí)DTu太陽(yáng)系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDBu地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDTu原子時(shí)u國(guó)際原子時(shí)IATu協(xié)調(diào)世界時(shí)UTCuGPST2.世界時(shí)系統(tǒng) 地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時(shí)間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的世界時(shí)系統(tǒng)的世界時(shí)系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所選取的空間參考點(diǎn)不同，世界時(shí)系統(tǒng)包括恒星時(shí)、平

29、太陽(yáng)時(shí)和世界時(shí)。 恒星時(shí)(Sidereal TimeST) 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為恒星時(shí)。 春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，含24個(gè)恒星小時(shí)。 恒星時(shí)以春分點(diǎn)通過(guò)本地子午圈時(shí)刻為起算原點(diǎn)，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角，同一瞬間不同測(cè)站的恒星時(shí)不同，具有地方性，也稱地方恒星時(shí)。周日視運(yùn)動(dòng)周日視運(yùn)動(dòng)u由于地球每天自西向東自轉(zhuǎn)一周，造成了太陽(yáng)每天早上從東方升起，晚上又從西方落下的自然現(xiàn)象。因?yàn)檫@種現(xiàn)象是地球自轉(zhuǎn)造成的人的視覺(jué)效果，所以天文學(xué)上把太陽(yáng)的這種運(yùn)動(dòng)叫做周日視運(yùn)動(dòng)周日視運(yùn)動(dòng)。u月亮的周日視運(yùn)動(dòng)周日視運(yùn)動(dòng)大家也很熟悉，所不同的是月亮

30、每天升起的時(shí)間變化比較大，平均每天比前一天晚升起50分鐘u 像太陽(yáng)和月亮一樣，滿天的繁星也不是每天都固定在星空中某個(gè)地方不動(dòng)，它們也是每天都在作周日視運(yùn)動(dòng)周日視運(yùn)動(dòng)，只不過(guò)很多人都沒(méi)有注意到恒星的這種運(yùn)動(dòng)罷了。 平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)（Mean Solar TimeMTMean Solar TimeMT） 由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的開普勒定律開普勒定律，可知太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，如果以真太陽(yáng)作為觀察可知太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，如果以真太陽(yáng)作為觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，則不符合建立時(shí)間系統(tǒng)的基本要求地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，則不符合建立時(shí)間系

31、統(tǒng)的基本要求。u假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)的視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)的視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度，且在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，這個(gè)假設(shè)的參考點(diǎn)在天度，且在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，這個(gè)假設(shè)的參考點(diǎn)在天文學(xué)中稱為平太陽(yáng)文學(xué)中稱為平太陽(yáng)u平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，包含包含2424個(gè)平太陽(yáng)時(shí)個(gè)平太陽(yáng)時(shí)u平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，常稱為地方平太陽(yáng)時(shí)或地方平時(shí)平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，常稱為地方平太陽(yáng)時(shí)或地方平時(shí)世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的時(shí)間尺度相同，起算點(diǎn)不同。世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的時(shí)間尺度相同，起算點(diǎn)不同。195619

32、56年以前，秒被定義為一個(gè)平太陽(yáng)日的年以前，秒被定義為一個(gè)平太陽(yáng)日的1/864001/86400，是以地球自，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運(yùn)動(dòng)作為基礎(chǔ)的時(shí)間尺度。轉(zhuǎn)這一周期運(yùn)動(dòng)作為基礎(chǔ)的時(shí)間尺度。由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在UTUT中加入極移改正得中加入極移改正得UT1UT1。加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得UT2UT2。雖然經(jīng)過(guò)改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長(zhǎng)期變化和不規(guī)則雖然經(jīng)過(guò)改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長(zhǎng)期變化和不規(guī)則變化的影響，世界時(shí)變化的影響，世界時(shí)UT2UT2不是一個(gè)嚴(yán)格均勻的時(shí)間系統(tǒng)。不是一個(gè)嚴(yán)格均勻的時(shí)間系統(tǒng)。在在GPSGPS測(cè)量中，

33、主要用于天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換計(jì)測(cè)量中，主要用于天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算。算。世界時(shí)（世界時(shí)（Universal TimeUTUniversal TimeUT）以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)稱為世界時(shí)以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)稱為世界時(shí) 3.原子時(shí)（Atomic TimeAT）u物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性，由此建立的原子時(shí)成為最理想的時(shí)間系統(tǒng)。u原子時(shí)秒長(zhǎng)的定義:位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)，在零磁場(chǎng)中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為一原子時(shí)秒。原子時(shí)秒為國(guó)際制秒（SI）的時(shí)間單位。u原子時(shí)的原點(diǎn)為AT=UT2-0.0039su不同的地方原子時(shí)之間存在差異，為此，國(guó)際上大約100座原子鐘，通過(guò)相互比對(duì)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí)系統(tǒng)，稱為國(guó)際原子時(shí)（International Atomic TimeIAT）u在衛(wèi)星測(cè)量中，原子時(shí)作為高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，普遍用于精密測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間。u在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動(dòng)力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程而編算的，其中所采用的獨(dú)立