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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2.1 2.1 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)系定義:以空間某一點(diǎn)為中心、半徑為無(wú)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、日心天球北天極南天極黃道天球赤道赤經(jīng)赤緯太陽(yáng)星體地球地球赤道本初子午圈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)
2、建立的三要素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 地球在日月引力和其他天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下,地球自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變,使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移現(xiàn)象,天文學(xué)中稱為歲差。 其中由于赤道運(yùn)動(dòng)引起的歲差稱為赤道歲差,原來(lái)也被稱為日、月歲差。 由于黃道運(yùn)動(dòng)而
3、引起的歲差稱為黃道歲差,原來(lái)被稱為行星歲差。 赤道歲差 由于太陽(yáng)、月球?qū)Φ厍蛏铣嗟缆∑鸩糠值淖饔昧囟鴮?dǎo)致赤道平面的進(jìn)動(dòng); 或者說(shuō)天極繞黃極在半徑為黃赤交角的小圓上的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn); 其運(yùn)動(dòng)速度為每年西移50.39。黃道歲差 除了太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻囊ν猓?yáng)系的其他行星也會(huì)對(duì)地球和月球產(chǎn)生萬(wàn)有引力,從而影響黃道平面,使春分點(diǎn)產(chǎn)生移動(dòng),將這種歲差稱為黃道歲差。 黃道歲差使春分點(diǎn)在天球赤道上每年約東移0.1,還會(huì)使黃赤交角變化。歲差和章動(dòng)平天極、天球平赤道和平春分點(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)生變化真天極、天球真赤道和真春分點(diǎn)(考慮歲差
4、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(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系當(dāng)前,國(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國(guó)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)
5、刻的特定時(shí)刻的真天球坐標(biāo)真天球坐標(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
6、軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。空間點(diǎn)位置在該坐標(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(zhǎng)半
7、徑和第一扁心率。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(guò)測(cè)定緯度的變化ILS(國(guó)際緯度服務(wù))IPMS(國(guó)際極移服務(wù))BIH(國(guó)際時(shí)間局)國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO極原點(diǎn)(JYD)(中國(guó))X軸:格林尼治子午線Y軸:格林尼治子午線向西90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
8、)()(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()cossin0sincos0001( , )(,)czGccGGcGGcccccxxyRSyzzSSxSSyzx y zxyz 其中為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo);為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。zcxcycxy(z)OSGSG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)系協(xié)議地球坐標(biāo)系極移改正URRRR
9、RRPNTRRRSTUrPNSrUTr)()()()()()()()()(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協(xié)議天球坐標(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(guó)際地球參考框架國(guó)際地球參考框架(ITRF)(ITRF) WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù):WGS-84采用的橢球是國(guó)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
10、-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)成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。 長(zhǎng)半徑: a=63781372(m);地球引力常數(shù): GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2;正常化二階帶諧系數(shù): C20= -484.1668510-61.310-9; J2=10826310-8 地球自轉(zhuǎn)角速度: =729211510-11rads-10.15010-11ra
11、ds-1國(guó)際地球參考架國(guó)際地球參考架 (ITRFITRF)國(guó)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)成的觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)計(jì)算獲得。IGS精密星歷 Z軸指向CIO ,利用SLR、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2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)沙
12、瓶沙瓶 - Sandglass 時(shí)間基準(zhǔn): 能作周期性運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)周期十分穩(wěn)定。 運(yùn)動(dòng)周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性,即在不同的時(shí)期和地點(diǎn)這種周期性的運(yùn)動(dòng)都可以通過(guò)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)來(lái)予以復(fù)現(xiàn)。 如沙漏、鐘擺、地球公轉(zhuǎn)、原子躍遷發(fā)出的電子波震蕩信號(hào)等。v世界時(shí)世界時(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(guò)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)之分太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)時(shí)參考點(diǎn):太陽(yáng):
13、太陽(yáng)定義:太陽(yáng)中心連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)時(shí)(t)與平太陽(yáng)時(shí)(m),真太陽(yáng)日與平太陽(yáng)日從天文年歷中查取;mt 平太陽(yáng) 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(yáng)的平均角速度。真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)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(wèn)題的引出:極移和地球自轉(zhuǎn)的不均勻(長(zhǎng)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
14、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(yáng)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)1ggETUTTT;為世界時(shí)化為歷書時(shí)的改正,通常由觀測(cè)月亮來(lái)確定。歷事(書)時(shí)歷書時(shí)是以太陽(yáng)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(zhǎng)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)系如下定義1967年10月,第十三屆國(guó)際度量衡大會(huì)通過(guò):位于海平面上的銫133(Cs133)原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為1原子時(shí)秒。(原子時(shí)秒長(zhǎng)的定義)2.4.3 2.4.3 原子時(shí)原子時(shí)原本規(guī)定AT與UT2在1958年1月1日0h時(shí)相同,但實(shí)際相差0.0039秒,即:(AT-UT2)1958.0 = -0.0039秒。(原子時(shí)時(shí)刻的定義)協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated UTC)與IAT秒長(zhǎng)相同通過(guò)跳(閏)秒(Leap Seconds),與UT的差值保持在0.9秒內(nèi)(通常在6月30日24h或12月31日24h進(jìn)行跳秒)正閏秒(增加1秒)與負(fù)閏秒(去掉1秒)國(guó)際原子時(shí)
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