GPS原理與應(yīng)用02_第二章GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

1、GPS原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用第二章第二章 GPSGPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容天球及天球坐標(biāo)系天球及天球坐標(biāo)系2.2 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系2.3 GPS2.3 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)2.1.12.1.1天球主要點(diǎn)、線、圈天球主要點(diǎn)、線、圈2.1 2.1 天球及天球坐標(biāo)系天球及天球坐標(biāo)系北天極南天極黃道天球赤道赤經(jīng)赤緯太陽星體地球地球赤道本初子午圈定義：以空間某一點(diǎn)為中心、半徑為無窮大的一個(gè)圓球。作用：天文學(xué)中通常把參考坐標(biāo)建立在天球上分類：站心天球、地心天球、日心天球天頂（Z）和天底（Z）天軸（PP）和天極（南、北天極）

2、天球赤道面和天球赤道天球子午面和天球子午圈 上子午圈和下子午圈 上赤道點(diǎn)Q和下赤道點(diǎn)Q天球上的主要點(diǎn)、線、圈天球上的主要點(diǎn)、線、圈 子午線和東西南北點(diǎn)（E、W、S、N） 時(shí)圈 春分點(diǎn)和秋分點(diǎn) 春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)v坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素A (B,L,H )BLH0起 始 子 午 面赤 道 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面 赤道 v坐標(biāo)軸指向v表示坐標(biāo)的參數(shù)2.1.2 2.1.2 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線圈為基礎(chǔ)所建立的坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的定義天球坐標(biāo)系的定義v 依天球中心的不同來劃分依天球中心的不同來劃分 日心坐標(biāo)系、地心

3、坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的分類天球坐標(biāo)系的分類v依所依據(jù)的天球上的點(diǎn)線圈的不同來劃分依所依據(jù)的天球上的點(diǎn)線圈的不同來劃分 時(shí)角赤道坐標(biāo)系以天球赤道、子午面和上赤道點(diǎn)為依據(jù)用赤緯和時(shí)角t表示v赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系以天球赤道、過春分點(diǎn)的時(shí)圈和春分點(diǎn)為依據(jù)用赤經(jīng)和赤緯表示v黃道坐標(biāo)系黃道坐標(biāo)系以天球黃道、過春分點(diǎn)的黃經(jīng)圈和春分點(diǎn)為依據(jù)用黃經(jīng)l和黃維表示v視差視差 由于觀測(cè)者所處位置不同，而使觀測(cè)同一天體的方向發(fā)生變化，這種變化稱為視差。視差又有周年視差（恒星視差）、周日視差等之分。地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系恒星的周年視差地心坐標(biāo)日心坐標(biāo)周日視差改正站

4、心坐標(biāo)地心坐標(biāo)視差視差v地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系v 恒星：采用赤經(jīng)恒星：采用赤經(jīng) 和赤緯和赤緯 表示表示v 人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng)人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng) 、赤緯、赤緯 和距離和距離r r表示表示不同天體坐標(biāo)表示方法的不同不同天體坐標(biāo)表示方法的不同v 天球赤道坐標(biāo)系天球赤道坐標(biāo)系( ( , , , , r)r) 和天球直角坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系(x,y,z(x,y,z) )天球赤道坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系天球赤道坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系sincoscoscoscosrzyx22222yxxarctgxyarctgzyxrv 轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系歲差和章動(dòng)瞬時(shí)平天極

5、、瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)（僅考慮歲差）歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響歲差、章動(dòng)導(dǎo)致春分點(diǎn)位置發(fā)生變化瞬時(shí)真天極、瞬時(shí)天球真赤道和瞬時(shí)真春分點(diǎn)（考慮歲差和章動(dòng)的綜合影響）歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系 經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系（協(xié)議天球坐標(biāo)系（CISCIS）(1)(1)當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系 國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國際天文協(xié)議聯(lián)合會(huì)確定從1984年1月1日起采用 為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸

6、指向J2000.0的平春分點(diǎn) Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系 國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國際天文協(xié)議聯(lián)合會(huì)確定從1984年1月1日起采用 為為20002000年年1 1月月1515日日12h12h（J2000.0J2000.0）的平天球）的平天球坐標(biāo)系坐標(biāo)系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系 進(jìn)行歲差和章動(dòng)改正協(xié)議天球坐標(biāo)系（協(xié)議天球坐標(biāo)系（CISCIS）(2)(2)特定時(shí)刻的特定時(shí)刻的真天球坐標(biāo)真天球

7、坐標(biāo)章動(dòng)改正章動(dòng)改正特定時(shí)刻的特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)J2000.0的平天球坐標(biāo)的平天球坐標(biāo)（協(xié)議天球坐標(biāo)）（協(xié)議天球坐標(biāo)）歲差改歲差改正正。為瞬時(shí)真天球坐；章動(dòng)態(tài)系數(shù)為歲差改正矩陣；協(xié)議天球坐標(biāo)；其中標(biāo)陣為00XNPXNPXX 1.1.地球直角坐標(biāo)系的定義地球直角坐標(biāo)系的定義 原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z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交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。2.2 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系2.2.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。空間點(diǎn)位置在

8、該坐標(biāo)系中表述為（L，B，H）。 地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖2-2表示： 對(duì)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：3. 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2() c o sc o s() c o ss i n(1)s i nXNHBLYNHBLZNeHB （2 3 ）2222arctan(/)arctan() /(1)/ sin(1)LYXBZNHXYNeHHZBNe（ 2 4）222222/ 1sin()/,NaeBNeabaa e式中， 為該點(diǎn)的卯酉圈半徑；，分別為該大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球的長半徑和第一扁心率。v地心坐標(biāo)系地心

9、坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系v參心坐標(biāo)系參心坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點(diǎn)不位于地球質(zhì)心v地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn)地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn) 地心坐標(biāo)系適合于全球用途的應(yīng)用 參心坐標(biāo)系適合于局部用途的應(yīng)用 有利于使局部大地水準(zhǔn)面與參考橢球面符合更好 保持國家坐標(biāo)系的穩(wěn)定 有利于地心坐標(biāo)的保密定義：定義：由于地球內(nèi)部和外部的種種動(dòng)力學(xué) 因素，使得地球體對(duì)于自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，因而引起了地極的移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱 為極移。 極移極移 極移包括極移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量極移的測(cè)定極移的測(cè)定 測(cè)定極移 通過測(cè)定緯度的變化ILS（后來的IP

10、MS）和BIH 國際協(xié)用原點(diǎn)CIO（1900-1905平均地極） 極原點(diǎn)（JYD）（中國）歲差、章動(dòng)和極移歲差、章動(dòng)和極移 歲差、章動(dòng)造成天球坐標(biāo)的變化 極移造成地球坐標(biāo)的變化平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系v瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系 Z軸與瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸重合或平行的地球坐標(biāo)系z(mì)yxXRYRZYXPyPx)()(v平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 Z軸指向空間中某一固定點(diǎn)（平極）的地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)(X,Y,Z)和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)(x,y,z)的轉(zhuǎn)換關(guān)系瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系。天坐標(biāo)標(biāo)

11、為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系下的其中球坐 標(biāo)坐標(biāo)系下的為瞬時(shí)),(),(1000cossin0sincos)(ccccccGGGGcccGzzyxzyxzyxSSSSzyxSRzyxzcxcycxy(z)OSGSGv早期的經(jīng)度零點(diǎn)早期的經(jīng)度零點(diǎn) 1884，美，華盛頓國際經(jīng)度會(huì)議定義：通過英國Greenwich天文臺(tái)Airy儀中心的子午線為全球統(tǒng)一的起始子午線。起始子午線與赤道的交點(diǎn)稱為天文經(jīng)度零點(diǎn)。 受板塊運(yùn)動(dòng)、局部地殼運(yùn)動(dòng)和極移的影響經(jīng)度零點(diǎn)的問題經(jīng)度零點(diǎn)的問題v格林尼治平均子午線格林尼治平均子午線 由多個(gè)天文臺(tái)共同維持 可減少板塊運(yùn)動(dòng)、局部地殼運(yùn)動(dòng)和觀測(cè)誤差的影響CIO-BIHCIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn)經(jīng)

12、度零點(diǎn) 通過CIO和天文經(jīng)度零點(diǎn)的子午線稱為起始子午線，其與CIO赤道的交點(diǎn)稱為赤道參考點(diǎn)或CIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn)幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系觀測(cè)瞬間的真天球坐標(biāo)系歲差、章動(dòng)改正旋轉(zhuǎn)SG角觀測(cè)瞬間的真地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系極移改正URRRRRRPNTRRRSTUrPNSrUTr)()()()()()()()()(3231313123333AAAppCRFCRFTRFzGASTyx轉(zhuǎn)等；轉(zhuǎn)，包括極移、地球自為非外部力矩造成的旋；轉(zhuǎn)，包括歲差、章動(dòng)等為由外部力矩造成的旋某一歷元的平天球坐標(biāo)系vWGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系2.3 GPS2.3 GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)系v國際地球

13、參考框架國際地球參考框架(ITRF)(ITRF)v北京北京5454舊坐標(biāo)系舊坐標(biāo)系v北京北京5454新坐標(biāo)系新坐標(biāo)系 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)推薦值，其四個(gè)基本參數(shù) WGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 WGS-84的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIH定義的零度子午面一致而得到的一個(gè)新參考系，WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸和Z、X軸構(gòu)

14、成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。 長半徑： a=63781372（m）；地球引力常數(shù)： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2；正?；A帶諧系數(shù)： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自轉(zhuǎn)角速度： =729211510-11rads-10.15010-11rads-1國際地球參考架國際地球參考架 （ITRFITRF）國際地球參考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球數(shù)百個(gè)SLR、VLBI和GPS站所構(gòu)成IGS精密星歷 Z軸指向CIO ，利用S

15、LR、VLBI和GPS等 技術(shù)維持. 提供站坐標(biāo)及速度場(chǎng)信息 WGS84WGS84與與ITRFITRF的關(guān)系的關(guān)系 WGS84地面站坐標(biāo)精度為1m到2m的精度，ITRF則為厘米級(jí)精度 引力常數(shù)不同WGS-84WGS-84與與ITRFITRF的關(guān)系的關(guān)系 WGS84與ITRF的轉(zhuǎn)換關(guān)系（1）橢球參數(shù)有較大誤差。19541954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系1. 1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊） 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。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問題：（2）參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西 向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。（4）定向不明確。（3）幾何大地測(cè)量和物

16、理大地測(cè)量應(yīng)用的參考 面不統(tǒng)一。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：1975年國際橢球。19801980年國家大地坐標(biāo)系（年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80GDZ80）平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點(diǎn)：（1）采用1975年國際橢球。（2）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。（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。（4）定向明確。（5）大地原點(diǎn)地處我國中部。（6）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由1980國家大地坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。新新19541954年北京坐標(biāo)系（年北

17、京坐標(biāo)系（BJ54BJ54新）新） 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。BJ54新的特點(diǎn) ：（1）采用克拉索夫斯基橢球。（2）是綜合GDZ80和BJ54舊 建立起來的參心坐標(biāo)系。（3）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。（5）大地原點(diǎn)與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。（6）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。（7）與BJ54舊 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 與BJ54新 無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參 數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)沙瓶沙瓶 - Sandglassv世界時(shí)世

18、界時(shí)時(shí)間系統(tǒng)的分類時(shí)間系統(tǒng)的分類v力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí)v原子時(shí)原子時(shí) vGPSGPS時(shí)時(shí)恒星時(shí)恒星時(shí)參考點(diǎn)：春分點(diǎn)定義：春分點(diǎn)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。并由此派生出“時(shí)”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時(shí)。為黃赤交角。為黃經(jīng)章動(dòng)，;cosLMSTLAST 數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。 有真恒星時(shí)與平恒星時(shí)之分 格林尼治恒星時(shí) 格林尼治真恒星時(shí)（GAST - Greenwich Apparent Sidereal Time）與格林尼治平恒星時(shí)（GMST - Greenwich Mean Sidereal Time）太陽時(shí)太陽時(shí)參考點(diǎn)：太陽：太陽定義：太陽中心連續(xù)兩次經(jīng)過地方上

19、子午圈的時(shí)間間隔為一太陽日。并由此派生出“時(shí)”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時(shí)。數(shù)值上等于太陽中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。正午（0h）與子夜（12h） 有真太陽時(shí)（t）與平太陽時(shí)（m），真太陽日與平太陽日從天文年歷中查??；mt 平太陽 周年視運(yùn)動(dòng)的軌跡在赤道面上；運(yùn)動(dòng)角速度恒定，且等于真太陽的平均角速度。 真太陽時(shí)與平太陽時(shí)之間的關(guān)系定義：格林尼治零子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。UT0、UT1與UT2世界時(shí)世界時(shí)01UTUTsTUTUT12 問題的引出：極移和地球自轉(zhuǎn)的不均勻（長期趨勢(shì)變緩，且存在短周期變化和季節(jié)性變化） UT0：未經(jīng)改正的世界時(shí) UT1：引入極移改正（）的世界時(shí) UT2：引入極移改正（）和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)改正（ Ts）的世界時(shí)定義：根據(jù)行星在太陽系中的運(yùn)動(dòng)所得到的時(shí)間，稱為力學(xué)時(shí)。2.4.2 2.4.2 力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí)來確定。改正，通常由觀測(cè)月亮為世界時(shí)化為歷書時(shí)的；ggTTUTET1歷事（書）時(shí) 歷書時(shí)是以太陽系內(nèi)的天體公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的時(shí)間系統(tǒng)，其規(guī)定1900年1月1日12h的回歸年長度的1/31556925.9747為1歷書秒。在該瞬間，歷書時(shí)與世界時(shí)在數(shù)值上相同，其后關(guān)系如下 地球動(dòng)力學(xué)時(shí)太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDB與TDT的差別是有相對(duì)論效應(yīng)所引起的的差值估值。與）日月年為原子時(shí)開始使用時(shí)（