GPS運(yùn)用坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)

1、GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(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)2.1 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2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換2.4 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用本章首先介紹本章首先介紹GPSGPS兩大類坐標(biāo)系兩大類坐標(biāo)系( (即即: :天球坐標(biāo)系和地球天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系坐標(biāo)系) )的定義和建立方法，然后介紹的定義和建立方法，然后介紹WGS-84WGS-84坐標(biāo)系和我坐標(biāo)系和我國大地坐標(biāo)系的建立，再討論各種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換國大地坐標(biāo)系的建立，再討論各種坐標(biāo)

2、系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換問題，最后簡要闡述問題，最后簡要闡述GPSGPS測量中涉及的幾種主要的時間系測量中涉及的幾種主要的時間系統(tǒng)。為了更好地理解這些內(nèi)容，在這一過程中，穿插了統(tǒng)。為了更好地理解這些內(nèi)容，在這一過程中，穿插了對相應(yīng)知識點(diǎn)的回顧。對相應(yīng)知識點(diǎn)的回顧。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用1了解 GPS 定位中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)，理解天軸、天極、天球赤道面、天球赤道、天球子午面、子午圈、時圈、黃道、黃極、春分點(diǎn)、歲差與章動等基本概念。2理解坐標(biāo)系的兩種定義方式與協(xié)議坐標(biāo)系的定義，包括地球赤道、地球橢球、地球自轉(zhuǎn)軸、地極、橢球子午面、橢球法線、橢球赤道面、國際協(xié)議原點(diǎn)、大地子午面及大地經(jīng)緯度和大地高等概

3、念，理解極移概念；3掌握 GPS 應(yīng)用中常用的地球坐標(biāo)表示式，理解地球參心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系、高斯平面直角坐標(biāo)系的概念。 4了解有關(guān)時間的基本概念，掌握 GPS 定位中的主要時間系統(tǒng)類型，理解世界時間系統(tǒng)、原子時和協(xié)調(diào)世界時及GPS 時間系統(tǒng)的概念和作用及相關(guān)的表達(dá)式，各種時間系統(tǒng)之間的關(guān)系，了解各種時間系統(tǒng)在 GPS 應(yīng)用研究和定位中的作用。知識點(diǎn)及學(xué)習(xí)要求知識點(diǎn)及學(xué)習(xí)要求 難點(diǎn)難點(diǎn) 1. 1. 怎樣理解各種坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)；怎樣理解各種坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)；2. 2. 為什么要建立坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)；為什么要建立坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)；3. 3. 各種坐標(biāo)系統(tǒng)如何相互轉(zhuǎn)換。各種坐標(biāo)系統(tǒng)如何相互

4、轉(zhuǎn)換。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系和基準(zhǔn)兩方面要素構(gòu)成了完整的坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系和基準(zhǔn)兩方面要素構(gòu)成了完整的坐標(biāo)系統(tǒng)!所謂基準(zhǔn)是指為描述空間位置而定義的點(diǎn)、線、所謂基準(zhǔn)是指為描述空間位置而定義的點(diǎn)、線、面，在大地測量中，面，在大地測量中，基準(zhǔn)基準(zhǔn)是指用以描述地球形狀的是指用以描述地球形狀的地球橢球的參數(shù)，如：地球橢球的參數(shù)，如：地球橢球的長短半軸和物理特征的有關(guān)參數(shù)、地地球橢球的長短半軸和物理特征的有關(guān)參數(shù)、地球橢球在空間中的定位及定向，還有在描述這些位球橢球在空間中的定位及定向，還有在描述這些位置時所采用的單位長度的定

5、義等。置時所采用的單位長度的定義等。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)地球橢球的基本參數(shù)地球橢球的基本參數(shù)國際大地測量學(xué)會（國際大地測量學(xué)會（IAG）于）于1967年推薦了以下年推薦了以下4個量：個量：GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系坐標(biāo)系:描述空間位置的表達(dá)形式描述空間位置的表達(dá)形式 按坐標(biāo)原點(diǎn)的不同分類按坐標(biāo)原點(diǎn)的不同分類 地心坐標(biāo)系統(tǒng)（地心空間直角坐標(biāo)系、地心大地坐標(biāo)系）地心坐標(biāo)系統(tǒng)（地心空間直角坐

6、標(biāo)系、地心大地坐標(biāo)系） 參心坐標(biāo)系統(tǒng)（參心空間直角坐標(biāo)系、參心大地坐標(biāo)系）參心坐標(biāo)系統(tǒng)（參心空間直角坐標(biāo)系、參心大地坐標(biāo)系） 站心坐標(biāo)系統(tǒng)（站心直角坐標(biāo)系、站心極坐標(biāo)系）站心坐標(biāo)系統(tǒng)（站心直角坐標(biāo)系、站心極坐標(biāo)系） 按坐標(biāo)的表達(dá)形式分類按坐標(biāo)的表達(dá)形式分類 笛卡兒坐標(biāo)笛卡兒坐標(biāo) 曲線坐標(biāo)曲線坐標(biāo) 平面直角坐標(biāo)平面直角坐標(biāo)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)的類型坐標(biāo)系統(tǒng)的類型以參考橢球為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，叫以參考橢球為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，叫參心坐標(biāo)系參心坐標(biāo)系。以總地球橢球。以總地球橢球為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，叫為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，叫地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系，它們

7、與地球同步運(yùn)動，稱，它們與地球同步運(yùn)動，稱地固坐標(biāo)系地固坐標(biāo)系，以地心為原點(diǎn)的地固坐標(biāo)系則稱為，以地心為原點(diǎn)的地固坐標(biāo)系則稱為地心地固坐地心地固坐標(biāo)系標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的坐標(biāo)系，稱，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的坐標(biāo)系，稱慣性坐標(biāo)系或天球坐標(biāo)慣性坐標(biāo)系或天球坐標(biāo)系系。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2.1 2.1 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)系全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）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

8、在空間的位置。而所謂用戶的位置，實(shí)際上是指該用戶在特定坐的位置。而所謂用戶的位置，實(shí)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，為此，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)是由首先要設(shè)立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是由原點(diǎn)位置、原點(diǎn)位置、3個坐個坐標(biāo)軸的指向和尺度標(biāo)軸的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，可劃所定義，根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標(biāo)系：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)系地球坐標(biāo)系。由于坐標(biāo)系相對于時間的依賴性，每一類坐標(biāo)系又可劃由于坐標(biāo)系相對于時間的依賴性，每一類坐標(biāo)系又可劃分為若干種

9、不同定義的坐標(biāo)系。分為若干種不同定義的坐標(biāo)系。 不管采用什么形式，坐標(biāo)不管采用什么形式，坐標(biāo)系之間通過系之間通過坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換，可以將一個坐標(biāo)，可以將一個坐標(biāo)系變換到另一個坐標(biāo)系去。系變換到另一個坐標(biāo)系去。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系天球、天球坐標(biāo)系天球、天球坐標(biāo)系 為了空間定位需要，確定一個在宇宙空間可視為不變的為了空間定位需要，確定一個在宇宙空間可視為不變的參考系。假設(shè)以地球的質(zhì)心參考系。假設(shè)以地球的質(zhì)心M為球心，半徑為無窮大的球存為球心，半徑為無窮大的球存在于宇宙空間，在

10、于宇宙空間，天文學(xué)天文學(xué)中稱之為天球。中稱之為天球。u 地球質(zhì)心地球質(zhì)心=天球原點(diǎn)天球原點(diǎn)u 地軸與天軸重合地軸與天軸重合u 地球赤道面與天球赤道面重合地球赤道面與天球赤道面重合GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系天球的概念天球的概念GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2.1.1 2.1.1 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系1. 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 地球質(zhì)心地球質(zhì)心O O為坐標(biāo)原點(diǎn)，為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z Z軸指向天球北極，軸指向天球

11、北極，X X軸指向春軸指向春分點(diǎn)，分點(diǎn)，Y Y軸垂直于軸垂直于XOZXOZ平面，與平面，與X X軸和軸和Z Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。則軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。則在此坐標(biāo)系下，空間點(diǎn)的位置由坐標(biāo)（在此坐標(biāo)系下，空間點(diǎn)的位置由坐標(biāo)（X X，Y Y，Z Z）來描述）來描述。2天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系的定義的定義 地球質(zhì)心地球質(zhì)心O O為坐標(biāo)原點(diǎn)，春分點(diǎn)軸為坐標(biāo)原點(diǎn)，春分點(diǎn)軸與天軸所在平面為天球經(jīng)度（赤經(jīng)）與天軸所在平面為天球經(jīng)度（赤經(jīng)）測量基準(zhǔn)測量基準(zhǔn)基準(zhǔn)子午面，赤道為天基準(zhǔn)子午面，赤道為天球緯度測量基準(zhǔn)而建立球面坐標(biāo)?？涨蚓暥葴y量基準(zhǔn)而建立球面坐標(biāo)。空間點(diǎn)的位置在天球坐標(biāo)系下的表述為間點(diǎn)的位置在天球坐標(biāo)

12、系下的表述為（r r，）。）。 天球空間直角坐標(biāo)系與天球球天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系的關(guān)系可用圖面坐標(biāo)系的關(guān)系可用圖2-12-1表示：表示：圖圖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GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系這兩個坐標(biāo)這兩個坐標(biāo)系都可以用系都可以用來描述軌道來描述軌道與地球自轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的天體無關(guān)的天體或者飛行器或者飛行器GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系3. 直角坐標(biāo)系與其等效的天球球

13、面坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換 對同一空間點(diǎn)，天球空間直角坐標(biāo)系與其等效的天球球面對同一空間點(diǎn)，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：坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：coscossincos(2 1)sinXrYrZr22222arctan( /)(2 2)arctan( /rXYZY XZXY GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系2.1.2 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系1地球直角坐標(biāo)系的定義地球直角坐標(biāo)系的定義 地球直角坐標(biāo)系地球直角坐標(biāo)系的定義是

14、：原點(diǎn)的定義是：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 2. 地球大地坐標(biāo)系的定義地球大地坐標(biāo)系的定義地球大地地球大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點(diǎn)位置在該坐球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為（標(biāo)系中表述為（L，B，H）。）。 地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖標(biāo)系

15、可用圖2-2表示：表示： 圖圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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：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：2()coscos()cossin(23)(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan( /)arctan()/(1)(24)/sin(1)LY XBZ NHXYNeHHZBNe BeaN22sin

16、1/式中，式中，N為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；2222/ )(abae， ea,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。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系地球橢球的五個基本幾何參數(shù)：地球橢球的五個基本幾何參數(shù)： 橢圓的長半軸橢圓的長半軸 橢圓的短半軸橢圓的短半軸 b b 橢圓的扁率橢圓的扁率 橢圓的第一偏心率橢圓的第一偏心率 aba abae22橢圓的第二偏心率橢圓的第二偏心率 bbae22 其中其中 、b b 稱為長度元素；扁率稱為長度元素

17、；扁率 反映了橢球體的扁平程度。偏反映了橢球體的扁平程度。偏心率心率 和和 是子午橢圓的焦點(diǎn)離開中心的距離與橢圓半徑之比，是子午橢圓的焦點(diǎn)離開中心的距離與橢圓半徑之比， 它們也反映橢球體的扁平程度，偏心率愈大，橢球愈扁。它們也反映橢球體的扁平程度，偏心率愈大，橢球愈扁。ee兩個常用的輔助函數(shù)，兩個常用的輔助函數(shù)， 第一基本緯度函數(shù)，第一基本緯度函數(shù)， 第二基本緯度函數(shù)：第二基本緯度函數(shù)：BeVBeW2222cos1sin1WaaVGPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系地球橢球參數(shù)間的相互關(guān)系地球橢球參數(shù)間的相互關(guān)系元素之

18、間的關(guān)系式如下：元素之間的關(guān)系式如下：221,11,11,11,12222222222eeVWeWVeeeeeeecaeaceabeba 22222222222)1 (1)1 (sin111WeVVeBeWWbaWeVVabVeW式中，式中，W W 第一基本緯度函數(shù)，第一基本緯度函數(shù)，V V 第二基本緯度函數(shù)。第二基本緯度函數(shù)。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系系站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系2.1.3 站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角

19、坐標(biāo)系1站心赤道直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系 如圖如圖2-3， P1 是測站點(diǎn)，是測站點(diǎn)，O為球心。以為球心。以O(shè)為原點(diǎn)建立球心空間為原點(diǎn)建立球心空間直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系 。以。以P1 為原點(diǎn)建立與為原點(diǎn)建立與 相應(yīng)坐標(biāo)軸平行相應(yīng)坐標(biāo)軸平行的的 坐標(biāo)系叫坐標(biāo)系叫站心赤道直角坐標(biāo)系站心赤道直角坐標(biāo)系。_1ZYXP XYZO_2_()coscos()cossin(2-5)(1)sinXXNHBLYNHBLYZNeHBZ顯然，顯然，同同 顯然，顯然，同同坐標(biāo)系有簡單的平移關(guān)系：坐標(biāo)系有簡單的平移關(guān)系：XYZOXYZO_1ZYXP GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)天

20、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2站心地平直角坐標(biāo)系站心地平直角坐標(biāo)系以以P1 為原點(diǎn)，以為原點(diǎn)，以P1 點(diǎn)的法線為點(diǎn)的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向軸（向北為正），北為正），y軸與軸與x，z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：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： 代入（代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐標(biāo)系與球心空間）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：直角坐標(biāo)系的

21、轉(zhuǎn)換關(guān)系式：GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標(biāo)系衛(wèi)星測量中常用坐標(biāo)系1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 瞬時極天球坐標(biāo)系瞬時極天球坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)方向（真天軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），極），x軸指向瞬時春分點(diǎn)（真春分點(diǎn)），軸指向瞬時春分點(diǎn)（真春分點(diǎn)），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。 瞬時極地瞬時極地球坐標(biāo)系球坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸方向，軸指向瞬

22、時地球自轉(zhuǎn)軸方向，x軸指向瞬時赤道軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺赤道參考點(diǎn)的子午面之交點(diǎn)，面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺赤道參考點(diǎn)的子午面之交點(diǎn)，y軸構(gòu)成右手軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。瞬時極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的關(guān)系如圖坐標(biāo)系取向。瞬時極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2-4所示。所示。 瞬時瞬時極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的極天球坐標(biāo)系與瞬時極地球坐標(biāo)系的 轉(zhuǎn)換關(guān)系為：轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 下標(biāo)下標(biāo)et表示對應(yīng)表示對應(yīng)t時刻的瞬時極地球坐標(biāo)系，時刻的瞬時極地球坐標(biāo)系， ct表示對應(yīng)表示對應(yīng)t時刻的瞬時極天球坐標(biāo)系。時刻的瞬時極天球坐標(biāo)系。G 為對應(yīng)平格林尼治子午面的

23、真春分點(diǎn)時角。為對應(yīng)平格林尼治子午面的真春分點(diǎn)時角。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系歲差和章動歲差和章動地球的歲差和章動地球的歲差和章動日月歲差和章動日月歲差和章動章動章動（nutation）:拉丁語言點(diǎn)頭的意思，地軸的章動是英國拉丁語言點(diǎn)頭的意思，地軸的章動是英國天文學(xué)家布拉得雷（天文學(xué)家布拉得雷（JBradey）于）于1748年分析了年分析了20年的觀年的觀測資料后發(fā)現(xiàn)的。地軸章動的周期為測資料后發(fā)現(xiàn)的。地軸章動的周期為18.6年，近似地說，就年，近似地說，就是是19年。在我國古代歷法中把年。在我國古代歷法中把

24、19年稱為一年稱為一“章章”，這便是中，這便是中譯名譯名“章動章動”的來源。的來源。)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系春分點(diǎn)的漂移方向春分點(diǎn)的漂移方向(周期周期25800年，每年年，每年50.2)在日月引力的共同在日月引力的共同影響下，使北天極影響下，使北天極繞北黃極，以順時繞北黃極，以順時針方向緩慢地旋針方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個以黃轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個以黃赤交角赤交角(23.44度度)為半徑的小圓，從為半徑的小圓，從而使春分點(diǎn)在黃道而使春分點(diǎn)在黃道上西移動。上西移動。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)

25、系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2. 固定極天球坐標(biāo)系固定極天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)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(diǎn)方向分別扣除此瞬間的章動值作為選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點(diǎn)方向分別扣除此瞬間的章動值作為z軸和軸和x軸指向，軸指向，y軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向，建立天球坐標(biāo)系軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向，建立天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原平天球坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)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)變換通過下面兩點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。次

26、變換來實(shí)現(xiàn)。（1）歲差旋轉(zhuǎn)變換）歲差旋轉(zhuǎn)變換 ZM（t0)表示歷元表示歷元J2000.0年平天球坐標(biāo)系年平天球坐標(biāo)系z軸指向，軸指向，ZM（t）表示所論歷元時刻）表示所論歷元時刻t真天真天球坐標(biāo)系球坐標(biāo)系z軸指向。兩個坐標(biāo)系間的變換式為：軸指向。兩個坐標(biāo)系間的變換式為：（2）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：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)章動和交角章動參分別為黃經(jīng)章動和交角章動參數(shù)。數(shù)。 GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系協(xié)議天球坐標(biāo)系

27、協(xié)議天球坐標(biāo)系 在時間在時間t軸上，由國際協(xié)議規(guī)定一確定的特殊時刻軸上，由國際協(xié)議規(guī)定一確定的特殊時刻( Barycentric Dynamic TimeTDB 時間時間2000/01/15)作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，對應(yīng)的平天球坐標(biāo)系是一個惟一的平天球坐標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，對應(yīng)的平天球坐標(biāo)系是一個惟一的平天球坐標(biāo)系系稱之為協(xié)議天球坐標(biāo)系或稱為協(xié)議慣性系稱之為協(xié)議天球坐標(biāo)系或稱為協(xié)議慣性系(conventional inertial system，CIS)。任一觀測歷元任一觀測歷元t的瞬時真天球坐標(biāo)系，經(jīng)過從該瞬時到的瞬時真天球坐標(biāo)系，經(jīng)過從該瞬時到標(biāo)準(zhǔn)歷元的章動、歲差改正，均可歸算到標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天標(biāo)準(zhǔn)歷元的

28、章動、歲差改正，均可歸算到標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天球坐標(biāo)系球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系(CIS）。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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3. 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)系極移極移：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：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。 瞬時極瞬時極：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的地：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的地 球極軸，相應(yīng)的球極軸，相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時極。極點(diǎn)稱為瞬時極。 國際協(xié)定原點(diǎn)國際協(xié)

29、定原點(diǎn)CIO（ conventional international origin ）：采用國際上：采用國際上5個緯度服務(wù)個緯度服務(wù)站的資料，以站的資料，以1900.00至至 1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極年地球自轉(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(diǎn)稱為國際協(xié)定原點(diǎn)CIO。 圖圖2-5為瞬時極與平極關(guān)系為瞬時極與平極關(guān)系GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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)系平地球坐標(biāo)系：取平地極為坐標(biāo)原點(diǎn)，平地球坐標(biāo)系：取平地極為坐標(biāo)原點(diǎn)，z軸指向軸指向CIO，x軸指向協(xié)定赤道軸指向協(xié)定赤

30、道 面與格林尼治子午線的交點(diǎn)，面與格林尼治子午線的交點(diǎn)，y軸在協(xié)定赤道面里，與軸在協(xié)定赤道面里，與 xoz構(gòu)成右手系統(tǒng)而成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為平地球坐標(biāo)系。構(gòu)成右手系統(tǒng)而成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為平地球坐標(biāo)系。 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：下標(biāo)下標(biāo)em表示平地球坐標(biāo)系，表示平地球坐標(biāo)系，et表示表示t 時的瞬時地球坐標(biāo)系，時的瞬時地球坐標(biāo)系， 為為t時刻以角度表示的極移值。時刻以角度表示的極移值。 ppyx ,GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 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 WGS-842.

31、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坐標(biāo)系坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系（1984世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系World Geodetic System-84 ）的定義：的定義：WGS-84是修正是修正NSWC9Z-2參考系（參考系（NNSS衛(wèi)星多普勒定位系衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)的一個參考坐標(biāo)系統(tǒng)的一個參考坐標(biāo)系,與與WGS72相應(yīng)的精密星歷系統(tǒng)相應(yīng)的精密星歷系統(tǒng)）的原點(diǎn)）的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIH（ International Time Bureau ）定義的零度子午面一致而得到的一個新參考系，定義

32、的零度子午面一致而得到的一個新參考系，WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心，坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心，Z軸指向軸指向BIH 1984.0定義的定義的協(xié)定地球極（協(xié)定地球極（CTP， Conventional Terrestrial Pole）方向，）方向，X軸軸指向指向BIH 1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，赤道的交點(diǎn)，Y軸和軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個地固坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個地固坐標(biāo)系。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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WGS-84橢球橢球及其有關(guān)常數(shù)：及其有關(guān)常數(shù)：WG

33、S-84采用的橢球是國際大地采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù)四個基本參數(shù) GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2.2.2 國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系 1.19541.1954年北京坐標(biāo)系（年北京坐標(biāo)系（BJ54BJ54舊）舊）坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃。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。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。平差方法：分區(qū)分期局部平差。存在問題：存在問題：（1

34、 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)面存在著自西向東明顯的系）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。統(tǒng)性傾斜。（3 3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。（4）定向不明確。）定向不明確。 GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)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2.1980年國家大地坐標(biāo)系（年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80）坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球：參考橢球：1975年國際橢球。年國際橢球

35、。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）采用）采用1975年國際橢球。年國際橢球。 （2）參心大地坐標(biāo)系是在）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。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。）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。）定向明確。 （5）大地原點(diǎn)地處我國中部。）大地原點(diǎn)地處我國中部。 （6）大地高程基準(zhǔn)采用）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。年黃海高程。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)天球坐標(biāo)系和地球坐

36、標(biāo)系天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系3.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年國家大地坐標(biāo)（年國家大地坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得）轉(zhuǎn)換得來的。來的。 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。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。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 BJ54新的特點(diǎn)新的特點(diǎn) ： （1）采用克拉索夫斯基橢球。）采用克拉索夫斯基橢球。 （2）是綜合）是綜合GDZ80和和BJ54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）采

37、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。）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。）定向明確。 （5）大地原點(diǎn)與）大地原點(diǎn)與GDZ80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。 （6）大地高程基準(zhǔn)采用）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。年黃海高程。 （7）與）與BJ54舊舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向不同。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舊舊 與與BJ54新新 無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐

38、標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換2.32.3 坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換2.3.1 不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換XXXXXRcossin0sincos0001)(YYYYYRcos0sin010sin0cos)(1000cossin0sincos)(ZZZZZR 1. 旋轉(zhuǎn)矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣 一般一般ZYX,為微小轉(zhuǎn)角，可?。簽槲⑿∞D(zhuǎn)角，可?。?GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換3. 不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式上式即為兩個

39、不同空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型，通過該上式即為兩個不同空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型，通過該模型，利用重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值（模型，利用重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值（X1，Y1，Z1）（）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換）采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，再利用上述模型進(jìn)行各點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。參數(shù)后，再利用上述模型進(jìn)行各點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述2.4 2.4 時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述 GPSGPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)時間時間:測量周期性運(yùn)動的指標(biāo)測量周期性運(yùn)動的指標(biāo)時鐘時鐘:鐘擺，

40、機(jī)械表鐘擺，機(jī)械表地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)石英表石英表原子時原子時(銫銫cesium,銣銣rubidium,氫氫hydrogen)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述定時的精度定時的精度GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述GPSGPS衛(wèi)星作為一個高空動態(tài)已知點(diǎn)，其位置是隨時間不斷衛(wèi)星作為一個高空動態(tài)已知點(diǎn)，其位置是隨時間不斷變化的。因此，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時，必須給出相應(yīng)變化的。因此，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時刻。并且，衛(wèi)星位置的精度和時刻的精度密切相關(guān)，

41、的瞬間時刻。并且，衛(wèi)星位置的精度和時刻的精度密切相關(guān)，例如：當(dāng)要求例如：當(dāng)要求GPSGPS衛(wèi)星的位置誤差小于衛(wèi)星的位置誤差小于1cm1cm時，相應(yīng)的時刻誤時，相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于差應(yīng)小于2.62.61010-6-6s s。GPSGPS測量是通過接收和處理測量是通過接收和處理GPSGPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來確定用戶接收機(jī)確定用戶接收機(jī)( (即觀測站即觀測站) )至衛(wèi)星間的距離，進(jìn)而確定觀測至衛(wèi)星間的距離，進(jìn)而確定觀測站的位置。而欲準(zhǔn)確地測定測站至衛(wèi)星的距離，就必須精密站的位置。而欲準(zhǔn)確地測定測站至衛(wèi)星的距離，就必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求站星距離誤差小于地測

42、定信號的傳播時間。如果要求站星距離誤差小于1cm1cm，則，則信號傳播時間的測定誤差應(yīng)不超過信號傳播時間的測定誤差應(yīng)不超過3 31010-11-11s s。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述由于地球的自轉(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)的誤差不超過是不斷變化的。若要求赤道上一點(diǎn)的誤差不超過1cm1cm，則時間，則時間的測定誤差須小于的測定誤差須小于2 21010-6-6s s。顯然，利用顯然，利用GPSGPS技術(shù)進(jìn)行精密定位與導(dǎo)航，應(yīng)盡可能獲得技術(shù)進(jìn)行精

43、密定位與導(dǎo)航，應(yīng)盡可能獲得高精度的時間信息，這就需要一個精確的時間系統(tǒng)。以下介高精度的時間信息，這就需要一個精確的時間系統(tǒng)。以下介紹與紹與GPSGPS測量有關(guān)的幾種時間系統(tǒng)，即：世界時，原子時和力測量有關(guān)的幾種時間系統(tǒng)，即：世界時，原子時和力學(xué)時。學(xué)時。確定一個時間系統(tǒng)和確定其他測量基準(zhǔn)一樣，要定義時間確定一個時間系統(tǒng)和確定其他測量基準(zhǔn)一樣，要定義時間單位單位( (尺度尺度) )和原點(diǎn)和原點(diǎn)( (起始?xì)v元起始?xì)v元) )。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述1 1、世界時系統(tǒng)：世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的、世界時系統(tǒng)：世界時系統(tǒng)是以地球自

44、轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時間系統(tǒng)。一種時間系統(tǒng)。1）恒星時恒星時ST(Sidereal Time)：如果以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，則由如果以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，則由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動所確定的時間，稱為恒星時。春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動所確定的時間，稱為恒星時。2）太陽時太陽時MT(Mean SolarTime)：太陽時有太陽時有真太陽時真太陽時和和平太陽平太陽時時兩種。兩種。如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)，那么由真太陽周如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)，那么由真太陽周日視運(yùn)動所確定的時間，稱為真太陽時。日視運(yùn)動所確定的時間，稱為真太陽時。平太陽平太陽在天赤道上運(yùn)行的假想天體，其速度為太陽周年運(yùn)動在天赤道上運(yùn)行的假

45、想天體，其速度為太陽周年運(yùn)動平均速度。主要是為了得到一個均勻適用的日常時間。平均速度。主要是為了得到一個均勻適用的日常時間。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽日，而一個平太陽日包含有日，而一個平太陽日包含有2424個平太陽時。平太陽時也具有個平太陽時。平太陽時也具有地方性，故常稱為地方性，故常稱為地方平太陽時地方平太陽時或地方平時?；虻胤狡綍r。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述3）世界時世界時UTUT（Universal TimeUniversal Time），以平子

46、夜為零時起算的格，以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時林尼治平太陽時稱為世界時UTUT。2 2、原子時、原子時ATI ATI （International Atomic TimeInternational Atomic Time) )隨著空間科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)和大地測量學(xué)的發(fā)展，對時隨著空間科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)和大地測量學(xué)的發(fā)展，對時間系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基間系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)，已難以滿足要求。為此，人們從礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)，已難以滿足要求。為此，人們從2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，便建立了年代，便建立了以物質(zhì)內(nèi)

47、部原子運(yùn)動的特征為基礎(chǔ)以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動的特征為基礎(chǔ)的原子時的原子時間系統(tǒng)。間系統(tǒng)。因為物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有因為物質(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)定性和復(fù)現(xiàn)性，所以由此而建立的原子時，便成為很高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，所以由此而建立的原子時，便成為當(dāng)代最理想的時間系統(tǒng)。當(dāng)代最理想的時間系統(tǒng)。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述原子時秒長的定義為：原子時秒長的定義為：位于海平面上的銫位于海平面上的銫133原子基態(tài)原子基態(tài)兩個超精細(xì)能極，在零磁場中躍遷輻射振蕩兩個超精細(xì)能極，在零磁場中躍遷輻射振蕩9

48、 192 631 770周所周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。該原子時秒作為國際制秒持續(xù)的時間，為一原子時秒。該原子時秒作為國際制秒(SI)的的時間單位。時間單位。這一定義嚴(yán)格地確定了原子時的尺度，而原子時的原點(diǎn)由這一定義嚴(yán)格地確定了原子時的尺度，而原子時的原點(diǎn)由下式確定：下式確定：ATUT20.0039(s)原子時出現(xiàn)后，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，許多國原子時出現(xiàn)后，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，許多國家都建立了各自的地方原子時系統(tǒng)。但不同的地方原子時之間家都建立了各自的地方原子時系統(tǒng)。但不同的地方原子時之間存在著差異。為此，國際上大約有存在著差異。為此，國際上大約有100座原子鐘，通過相互

49、比座原子鐘，通過相互比對，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為對，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時國際原子時(International Atomic TimeIAT)。原子時是通過原子鐘來守時和授時的，因此，原子鐘振蕩原子時是通過原子鐘來守時和授時的，因此，原子鐘振蕩器頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度便決定了原子時的精度。器頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度便決定了原子時的精度。GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述3 3、力學(xué)時、力學(xué)時DT (DT (Dynamic TimeDynamic Time) )力學(xué)時是天體力學(xué)中用以描述天體運(yùn)動的

50、時間單位。根據(jù)天體力學(xué)時是天體力學(xué)中用以描述天體運(yùn)動的時間單位。根據(jù)天體運(yùn)動方程，所對應(yīng)的參考點(diǎn)不同，力學(xué)時又分為運(yùn)動方程，所對應(yīng)的參考點(diǎn)不同，力學(xué)時又分為質(zhì)心力學(xué)時質(zhì)心力學(xué)時和和地球力學(xué)時地球力學(xué)時的兩種形式。的兩種形式。質(zhì)心力學(xué)時質(zhì)心力學(xué)時(Barycentric Dynamic TimeTDB)，是相對太陽系，是相對太陽系質(zhì)心的天體運(yùn)動方程所采用的時間參數(shù)。質(zhì)心的天體運(yùn)動方程所采用的時間參數(shù)。地球力學(xué)時地球力學(xué)時(Terrestrial Dynamic TimeTDT)，是相對地球質(zhì)，是相對地球質(zhì)心的天體運(yùn)動方程所采用的時間參數(shù)。心的天體運(yùn)動方程所采用的時間參數(shù)。地球力學(xué)時地球力學(xué)時(TDT)的基本單位是國際制秒的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時的尺度，與原子時的尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會決定，于一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會決定，于1977年年1月月1日原子時日原子時(IAT)0時時與地球力學(xué)時的嚴(yán)格關(guān)系定義如下：與地球力學(xué)時的嚴(yán)格關(guān)系定義如下：TDTIAT32.184(s)GPSGPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述若以若以T表示地球力學(xué)時表示地球力學(xué)時(TDT)與世界時與世界時(UT1)之差的差，則之差的差，則由上式可知由上式可知TTDTUT1IAT UT1 32.1