GPS原理与应用第二章 坐标系统与时间系统

1、2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18第二章 坐标系统和时间系统 坐标系统分类2. 天球坐标系与地球坐标系3. WGS-84坐标系和我国大地坐标系4. 时间系统2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18GPS卫星总是围绕地球质心旋转，与地卫星总是围绕地球质心旋转，与地球自转无关；球自转无关；观测站固定在地球表面，与自转有关。观测站固定在地球表面，与自转有关。在全球定位系统中

2、，为了确定用户接收在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，机的位置，GPSGPS卫星的瞬时位置通常应卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。化算到统一的地球坐标系统。为何引入坐标系统？为何引入坐标系统？2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-181. 坐标系统分类 空间固定坐标系 (与地球自转无关的惯性参考系，对描述卫星的 运行位置和状态极其方便) 天球坐标系, 惯性坐标系 (Inertial System） 与地球固联的坐标系 (ECEF-Earth-centered-ear

3、th-fixed，该系统对表达 地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便 ) 地球坐标系， （WGS-84 北京-54 西安80）坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义。坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义。2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系天球坐标系天球坐标系（天球参照系）便于描述卫星位置CRS Celestial Reference System也被称为空固系（Space-fixed Reference

4、System ）是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。地球坐标系地球坐标系（地球参照系）便于描述测站位置TRS Terrestrial Reference System也被称为地固系（Earth-fixed Reference System）与地球体固连在一起且与地球同步运动的坐标系，其中以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18天球天球天球天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体

5、：地球质心为中心，半径任意的假想球体天轴与天极天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天：地球自转轴的延伸为天轴，与天球的交点为天极球的交点为天极天球赤道面天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面：过地球质心与天轴垂直的平面天球子午面天球子午面：包含天轴与天球上任一点的平面：包含天轴与天球上任一点的平面黄道黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄极黄极：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点球的交点春分点春分点：太阳在黄道上从南到北运行时，黄道：太阳在黄道上从南到北运行时，黄道与天球赤道的交点与天球赤道的交点2021-10-18

6、2021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18天球坐标系天球坐标系sPn赤纬赤经黄赤夹角23.5=snPs天球天轴与天极（Pn， Ps）天球赤道子午圈时圈(天极起至的半子午圈)黄道黄极(n , s)春分点()2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18天球空间直角坐标系天球球面坐标系天球坐标系天球坐标系向经长度赤经赤纬天体s的空间直角坐标原点：地球质心M；z轴：指向天球北极；x轴：指向春分点；y轴：垂直

7、于xMz与x，y轴构成右手坐标系。含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的子午面之间的夹角原点M到天体S的连线与天球赤道面之间的夹角2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系 原点原点o o位于地球质心，位于地球质心，z z轴指向天球北极，轴指向天球北极，x x轴指向春分点，轴指向春分点，y y轴垂直于轴垂直于xozxoz平面与平面与x x和和z z轴构成右手系轴构成右手系天球球面坐标系天球球面坐标系 原点原点o o位于地球质心，赤经位于地球质心，赤经

8、 为含天轴为含天轴和春分点的天球子午面与过天体和春分点的天球子午面与过天体s s的天球的天球子午面的夹角；赤纬子午面的夹角；赤纬 为原点至为原点至s s连线与连线与天球赤道面的夹角，向径长度天球赤道面的夹角，向径长度r r为原点至为原点至s s的距离的距离( , , )sr ( , , )s x y z2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18岁差和章动的影响岁差岁差：由于地球的实际形状，日月和其它天体：由于地球的实际形状，日月和其它天体引力的影响下，假定月球的引力及轨道固定不引力的影

9、响下，假定月球的引力及轨道固定不变变, ,且忽略其他行星引力的微小影响且忽略其他行星引力的微小影响, , 地球自转地球自转轴具有周期约轴具有周期约2580025800年绕黄极一周的长周期运动，年绕黄极一周的长周期运动，该运动使得春分点每年约产生该运动使得春分点每年约产生50.371”50.371”向西运向西运动动章动章动：由于月球轨道和月地距离不断变化：由于月球轨道和月地距离不断变化, ,地球地球自转轴所产生的一系列短周期变化被统称为章自转轴所产生的一系列短周期变化被统称为章动动2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王

10、宇明05地信专业2021-10-182021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18r=18.6年Pn岁差章动叠加岁差章动叠加章动椭圆章动椭圆n25800年2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18 协议天球坐标系瞬时极天球坐标系nz轴指向瞬时地球自转轴；x轴指向瞬时春分点，也称真天球（赤道）坐标系协议天球坐标系（平天球坐标系）n选某一时刻 为标准历元，将此刻地球的瞬时自转轴和地心至

11、瞬时春分点的方向经岁差和章动改正后分别作z轴和x轴的指向，称为标准历元 的平天球坐标系 ，也称协议天球坐标系（协议惯性系Conventional Inertial SystemCIS）0t0t2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换第一步第一步：将协议天球坐将协议天球坐标系转换为瞬时平天球标系转换为瞬时平天球坐标系。坐标系。 二者仅存在由岁差引起二者仅存在由岁差引起的坐标轴指向的不同。的坐标轴指向的不同。第二步：

12、第二步：将瞬时平天球将瞬时平天球坐标系转换为瞬时天球坐标系转换为瞬时天球坐标系。坐标系。 二者差别由地球自转轴二者差别由地球自转轴的章动现象引起。的章动现象引起。)()(0)()()(tMAZAYAztMZYXRRZRZYX协议天球协议天球坐标系坐标系瞬时平天瞬时平天球坐标系球坐标系)()()()()(tMXZXtcZYXRRRZYX瞬时平天瞬时平天球坐标系球坐标系瞬时天球瞬时天球坐标系坐标系瞬时天球瞬时天球坐标系坐标系协议天协议天球坐标球坐标系系2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-

13、182 地球坐标系地球坐标系v地心空间直角坐标系地心空间直角坐标系坐标原点在地球质心，坐标原点在地球质心，Z轴与地球平均自转轴轴与地球平均自转轴重合，即指向某一时重合，即指向某一时刻的平均北极点；刻的平均北极点；X轴轴指向格林尼治平均子指向格林尼治平均子午面与赤道面的交点午面与赤道面的交点Ge，Y轴与此平面垂轴与此平面垂直，指向东为正直，指向东为正,构成构成右手系。右手系。(, ,)P X Y Z2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18地心大地坐标系地心大地坐标系大地纬度B：过地面点

14、的椭球法线与椭球赤道面的夹角。大地经度L：过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角。大地高/椭球高（H）：地面点沿椭球法线至椭球面的距离。2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18地心空间直角坐标系与地心空间直角坐标系与地心大地坐标系的转换地心大地坐标系的转换222arctan()arctan()(1)1sinYLXZ NHBXYNeHZHNeB222()coscos()cossin(1)sinsinXNHBLYNHBLZNeHBaNHBbBeaN22sin1222222abe

15、ffa其中，其中，abfa卯酉圈曲率半径大地高大地高2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系极移：地球自转轴相极移：地球自转轴相对于地球体位置随时对于地球体位置随时间而变化的现象间而变化的现象极移运动规律：地极极移运动规律：地极坐标系坐标系2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系瞬时极地球坐标系

16、瞬时极地球坐标系Z Z轴指向瞬时地球自转轴；轴指向瞬时地球自转轴；X X轴指向瞬时赤道面轴指向瞬时赤道面和格林尼治平子午面的交点和格林尼治平子午面的交点协议地球坐标系协议地球坐标系(CTS)(CTS)以协议地极（以协议地极（CIOCIO）为基准点）为基准点(1900(1900至至19051905年的年的平均纬度所确定的平均地极位置平均纬度所确定的平均地极位置) )不同的机构组织用不同的方法得到不同的不同的机构组织用不同的方法得到不同的CIOCIO2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-1

17、8极移与协议地球坐标系极移与协议地球坐标系瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系etpXpYemZYXYRXRZYX)()(瞬时极地瞬时极地球坐标系球坐标系协议地协议地球坐标球坐标系系2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18二者原点、瞬时Z轴指向相同，但瞬时X轴指向不同，夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST（Greenwich Apparent Sidereal Time）考虑极移、岁差和章动协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换协议地球坐标系与协

18、议天球坐标系的转换2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18A. 卫星大地测量基准WGS-84 表达形式： 世界大地坐标系 WGS （World Geodetic System）GPS 采用WGS-84 1987年开始 空间直角坐标系（X Y Z） 大地坐标系（B L H）3. WGS-84坐标系和我国大地坐标系2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18vWGS-84WGS-8

19、4世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS原点是地球质心， Z 轴指向BIH1984.0定义的协议地极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点， Y轴和Z、X 轴构成右手坐标系 2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18基本大地参数WGS-72WGS-84a(m)63781356378137f1/298.261/298.257(rad/s)7.292115 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.83986

20、00.5WGS-72与与WGS-84的基本大地参数的基本大地参数2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-183. WGS-84坐标系和我国大地坐标系(续)B. 国家大地坐标系 地球椭球的基本特征: 四参数GMJa2北京54大地坐标系(1954年) a=6378245(m) f=1/298.3西安80大地坐标系（1980年） 2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18地球参心坐标系

21、（地球坐标系的另一种表达形式）v地球参心坐标系定义：原点位于地球质心附近的坐标系，称为地球参心坐标系，简称参心坐标系。v1954年北京坐标系n它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。n缺点： 椭球参数有较大误差。 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。 定向不明确,椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。 2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18地球参心坐标系v

22、19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 地球参心坐标系特点： 采用1975年国际大地测量与地球物理联合会 (IUGG) 第16届大会上推荐的4个椭球基本参数。地球椭球长半径 a=6 378 140 m ，地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2 =1.082 6310-8,地球自转角速度 =7.292 11510-5 rad/s 。2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18地球参心坐标系 参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础

23、上建立起来的。 椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点 的方向 大地原点地处我国中部，位于西安市以北60 km 处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。 大地高程基准采用1956年黄海高程系 2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-184. 时间系统时间系统q时间是时间是GPSGPS卫星定位的重要基准。卫星定位的重要基准。如要求如要求GPSGPS卫星位置误差小于卫星位置误差小于1cm1cm时，对应的时刻误差时，对应的时刻误差不超过不超过

24、2.62.6 1010-6-6秒秒; ;测距误差小于测距误差小于1cm1cm，信号传，信号传播时间测定误差小于播时间测定误差小于3x103x10-11-11; ;赤道点位误差小赤道点位误差小于于1cm,1cm,时间测定误差不超过时间测定误差不超过2 2 1010-5-5确定时间的基准：运动具有连续性、周期性；运动周期具有稳定性、重复性。2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18恒星时恒星时ST(Sidereal Time)ST(Sidereal Time)平太阳时平太阳时MT(Mean

25、 Solar Time)MT(Mean Solar Time)世界时世界时UT(Universal Time)UT(Universal Time)力学时力学时DT(Dynamic Time)DT(Dynamic Time)原子时原子时AT (Atomic Time)AT (Atomic Time)协调世界时协调世界时UTC(Coordinated Universal Time)UTC(Coordinated Universal Time)GPSGPS时时GPST(GPS Time)GPST(GPS Time)世界时系统世界时系统2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理

26、与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18v世界时系统：以地球自转为基准世界时系统：以地球自转为基准恒星时（恒星时（Sidereal Time - STSidereal Time - ST）参考点：春分点参考点：春分点定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，并由此派生出间间隔为一恒星日，并由此派生出“时时”、“分分”、“秒秒”等单位等单位是一种地方时是一种地方时由于岁差和章动，春分点在天球的位置不固由于岁差和章动，春分点在天球的位置不固定，对应真北天极和平北天极，有真恒星时定，对应真北天极和平北天

27、极，有真恒星时（LAST LAST Local Apparent Sidereal Time Local Apparent Sidereal Time）与平恒星时（与平恒星时（LMST LMST Local Mean Sidereal Local Mean Sidereal TimeTime）之分）之分2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18平太阳时（平太阳时（Mean Solar TimeMean Solar Time）参考点：平太阳（这是由于太阳的视运动速度不均参考点：平太阳（这

28、是由于太阳的视运动速度不均匀，真太阳不能作为观察地球自转运动的参考点）匀，真太阳不能作为观察地球自转运动的参考点）定义：假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周定义：假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，年运动平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日（午圈的时间间隔为一平太阳日（2424个平太阳小时）个平太阳小时）是一种地方时是一种地方时民用时民用时使用平太阳时的不便之处使用平太阳时的不便之处平太阳时从正午起算，同一白天日期不同平太阳

29、时从正午起算，同一白天日期不同民用时（民用时（m mc c）的定义）的定义hcmm122021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18世界时（世界时（Universal Time Universal Time UT UT）以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时世界时与平太阳时之间的关系：世界时与平太阳时之间的关系：UT=GAMT+12UT=GAMT+12（h h）* *UT0UT0、UT1UT1与与UT2UT2问题的引出：极移和地球自

30、转的不均匀（长期变缓问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期变缓趋势，且存在短周期变化和季节性变化）趋势，且存在短周期变化和季节性变化）UT0UT0：未经改正的世界时：未经改正的世界时UT1UT1：引入极移改正（：引入极移改正（）的世界时）的世界时UT2UT2：引入极移改正（：引入极移改正（）和地球自转速度的季节改）和地球自转速度的季节改正（正（ T Ts s）的世界时）的世界时平太阳相对格林尼治子午圈的时角平太阳相对格林尼治子午圈的时角2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18 物质

31、内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率有很物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率有很高的稳定性和复现性，由此建立原子时。高的稳定性和复现性，由此建立原子时。定义定义尺度：尺度：19671967年年1010月，第十三届国际度量衡大会通过：月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯位于海平面上的铯133133（CsCs133133）原子基态两个超精细）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡能级间在零磁场中跃迁辐射振荡91926317709192631770周所持周所持续的时间为续的时间为1 1原子时秒。原子时秒。原点：原本规定原点：原本规定ATAT与与UT2UT2在在195819

32、58年年1 1月月1 1日日0h0h时相同，时相同，但实际相差但实际相差0.00390.0039秒，即：秒，即：(AT-UT2)(AT-UT2)1958.01958.0 = -0.0039 = -0.0039秒秒国际原子时（国际原子时（International Atomic Time International Atomic Time IATIAT）19771977年建立年建立通过通过100100台原子钟比对求得台原子钟比对求得TDT=IAT+32.184sTDT=IAT+32.184s原子时（原子时（Atomic Time Atomic Time AT AT）2021-10-182021-

33、10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18力学时Dynamic Time DT定义：编算天体星历的天体力学理论运动方程中所采用的独立定义：编算天体星历的天体力学理论运动方程中所采用的独立变量变量时间参数时间参数T T由运动方程对应的参考点分为：由运动方程对应的参考点分为：n太阳系质心力学时太阳系质心力学时Barycentric Barycentric Dynamic Time DTB：参考点：参考点为太阳系质心为太阳系质心n地球质心力学时地球质心力学时Terrestrial Terrestrial Dynamic

34、Time TDT：参考点为：参考点为地球质心。地球质心。wGPS中描述卫星运动，将地球质心力学时作为一种严格均匀的中描述卫星运动，将地球质心力学时作为一种严格均匀的时间尺度和独立变量。时间尺度和独立变量。TDT的基本单位是国际制秒（的基本单位是国际制秒（SI），），与原子时尺度一致。与原子时尺度一致。w 国际天文学联合会决定，于国际天文学联合会决定，于1977年年1月月1日原子时日原子时(TAI）0时时与地球力学时的严格关系定义如下：与地球力学时的严格关系定义如下： TDTTAI十十32.184(s) w 若以若以 T表示地球力学时表示地球力学时(TDT)与世界时与世界时(UTl)之间的差，则

35、由之间的差，则由上式可得上式可得 T TDT-UTlTAI-UTl十十32.184(s) w该差值可通过国际原时与世界时的比对而确定，通常载于天文该差值可通过国际原时与世界时的比对而确定，通常载于天文年历中。年历中。2021-10-182021-10-18GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2021-10-18协调世界时（协调世界时（Universal Time Coordinated Universal Time Coordinated UTC UTC） 定义：由于地球自转速度有长期变慢的趋势，世界时每年定义：由于地球自转速度有长期变慢的趋势，世界时每年比原子时慢比原子时慢1 1秒，逐年积累偏差过大，秒，逐年积累偏差过大，19721972年采用以原子年采用以原子时的秒长为基础的一种折中时间系统。时的秒长为基础的一种折中时间系统。 与与ATAT秒长相同秒长相同 与与UTUT的差值保持在的差值保持在 0.90.9秒内秒内