第二章坐标系统与时间系统

1、 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统u 能够熟练的进行不同坐标系基准间的转换；u 掌握世界时、原子时、协调世界时和GPS时等时间系统的概念及其相互关系；u 掌握GPS时间基准的建立方法；u 掌握天球坐标系和地球坐标系的基本概念；u 掌握WGS-84坐标系、2000国家大地坐标系、1954北京坐标系、1980国家大地坐标系、地方独立坐标系以及高程基准的基本概念； 池州学院池州学院资源环境

2、与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。所以，了解GPS测量中的些常用坐标系统和时间系统，熟悉它们各自间的转换关系，是极为重要的。本章将主要介绍天球坐标系与地球坐标系，以及有关时间系统的概念。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统主要内容主要内容2.

3、1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系2.3 2.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换2.4 2.4 时间系统时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 卫星定位常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。根据坐标轴指向的不同分为两类坐标系，即和。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GP

4、SGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 天球坐标系是这类坐标系统与地球自转无关，对于极为方便。严格说来，卫星的运动理论是根据牛顿引力定律，在惯性坐标系统中建立起来的，而惯性坐标系统在空间的位置和方向应保持不变，或仅作匀速直线运动。但是，实际上严格满足这一条件是困难的。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 地球坐标系是与。这类坐标系统对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测成果尤为方便。它在经典大地测量学(Geodesy)中，具有多种表达形式和极为广泛的应用。 池州学院池州学院资源环境与旅游

5、系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 完全定义一个坐标系统必须明确：、和。在GPS测量中,坐标系的原点一般取地球的质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系，通常称为。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.1 2.1.1 相关概念相关概念 天球的基本概念 :是指以空间某一点为中心，半径 r为任意长度的一个假想的球体。 :天文学中通常把参考坐标系建立在天球上。

6、池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面，并利用球面坐标系统来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。为了建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。在全球定位系统中，为描述卫星的位置也将涉及到这些概念。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 天轴和天极 地球自转轴的延伸称为；天轴与天球的交点Pn、Ps称为，其中Pn称为北天极， Ps称为南天极。 池州学院池州学院资源环境与旅

7、游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 天球赤道面与天球赤道 通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为。这时天球赤道面与地球赤道面相重。该赤道面与天球相交的大圆称为。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为。而天球子午面与天球相交的大圆称为。 通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 天球子午面与天球子午圈 时圈 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统

8、与时间系统 黄道 地球公转的轨道与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 黄极 通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，其中靠近北天极的交点n，称为北黄极，靠近南天极的交点s称为南黄极。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 春分点 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤

9、道的交点。在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.2.1.2 2 天球坐标系天球坐标系 ： 天球坐标系是以天球及天球上的点、线、圈为基础建立的坐标系。 任一天体的位置，在天球坐标系中可用两种形式来描述。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 原点位于地球质心M；Z轴指向天球北极Pn ，X轴指向春分点，Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成

10、右手坐标系统。 在天球空间直角坐标系中，天体的坐标为(X，Y，Z)。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 原点位于地球质心M，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的天球子午面之间的夹角；赤纬为原点M至天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体S的距离。在天球球面坐标系中，天体的坐标为(,r)。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPS

11、GPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 22222sinsincoscoscosYXZarctgXYarctgZYXrrZYX或 在实践中，以上关于天球坐标系的两种表达形式，应用都很普遍。由于它们和地球的自转无关，所以对于描述天体或人造地球卫星的位置和状态是方便的。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 由于观测者所处位置不同，而使观测同一天体的方向发生变化，这种变化称为

12、视差。视差又有周年视差（恒星视差）、周日视差等之分。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.2.1.3 3 岁差与章动对天球坐标的影响岁差与章动对天球坐标的影响n 地球的非球形影响岁差现象 地球的形体接近于一个赤道隆起的椭球体，因此，在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在赤道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间

13、系统 在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极产生缓慢的旋转(从北天极上方观察为从北天极上方观察为顺时针方向，以下同顺时针方向，以下同)，因而使北天极以同样的方式在天球上绕北黄极产生旋转。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 如果月球的引力及其运行的轨道都是固定不变的，同时忽略其它行星引力的微小影响，那么日月引力的影响，仅将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢地旋转，构成一个圆锥面；这时，在天球上，北天极的轨迹近似地构成一个以北黄极n为中心，以黄赤交角为半径的小圆。在这个小圆上，北天极每年西移约为50.371。

14、周期大约为25800年。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 在天球上，这种规律运动的北天极，通常称为(或简称为平北天极)，而与之相应的天球赤道和春分点，称为。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 月地距变化章动现象 如果把观测时的北天极称为瞬时北天极(或称真北天极)，而与之相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点(或称真天球赤道和真春分点)，那么在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，

15、大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2，周期约为18.6年。这种现象称为。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统岁差圆岁差圆瞬时北天极瞬时北天极平北天极平北天极北黄极 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 通常均把这种复杂的运功，分解为n 如何为了描述北天极在天球上的运动 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.4 2.1.4 协议天球坐

16、标系协议天球坐标系 Z轴指向瞬时北天极，X轴指向瞬时春分点；l ：l ：Z轴指向平北天极，X轴指向平春分点；l ： 1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极，Z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，X轴指向协议春分点。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 为了将协议天球坐标系的卫星坐标，转换到观测历元t的瞬时天球坐标系下，通常可分为两步：即首先将协议天球坐标系中的坐标，换算到观测瞬间的平天球坐标系下，然后再将瞬时平天球坐标系的坐标，转换到瞬时天球坐标系统。 在实际工作中，

17、坐标系统的这种转换，一般都可借助计算机的相应软件自动完成。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 由于天球坐标系与地球自转无关，地球上任一固定点在天球坐标系中的坐标，将随地球的自转而变化，显然这在实用上很不方便。为了描述地面观测站的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系，即地球坐标系(有时称地固坐标系)。该系统也有两种形式。2.1.52.1.5 地球地球坐标系坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 原点O与地球质心重合

18、，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴相合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统(L B H) (X Y Z) 式

19、中，N 为椭球的卯酉圈曲率半径， e为椭球的第一偏心率。BHeNLBHNLBHNZYXsin1sincoscoscos2(X Y Z) (L B H)NBYXHXHeNLZHNBXYLcos1costanarctan222 若以a、b分别表示所取椭球的长半径和短半径，则22222sin1abaeBeaN 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 在介绍天球坐标系时，所关心的主要问题，是地球自转轴在空间的指向及其变化。因为天球坐标系与地球的自转无关，所以，这时地球自转轴相对地球体本身的变化与否并不重要；而对于与地球

20、体固联的坐标系来说，情况就完全不同了，这时地极点是作为地球坐标系的一个重要基准点，自然我们希望它在地球上的位置是固定的，否则地球参考系的Z轴方向将有所改变，也就是说，地球赤道面和起始子午面的位置均将有所改变。从而引起地球上点的坐标变化。2.1.6 2.1.6 地极移动与协议地球坐标系地极移动与协议地球坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 事实上，人们早已发现，。观测瞬间地球自转轴所处的位置，我们称为瞬时地球自转轴，而相应的极点称为瞬时极。 通过大量观测资科的分析表明，地极在地球表面上的运动，主要包含两

21、种周期性的变化，一种是周期约为一年，振幅约为0.1 的变化；另一种是周期约为432天，振幅约为0.2的变化。后一种周期变化，一般称为张德勒周期变化。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 为了描述地极移动的规律，通常均取一平面直角坐标系来表达地极的瞬时位置。为此，假设该面通过地极的某一平均位置（即平极）并与地球表面相切。在此平面上取直角坐标系(xp 、yp)， 设其原点与平极重合， xp轴指向格林尼治平均天文台， yp轴指向格林尼治零子午面以西90的子午线方向。于是任一历元t的瞬时极pn的位置，可表示为(xp

22、 、yp) 。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 地极的移动将使地球坐标系坐标轴的指向发生变化，这对实际工作造成了许多困难。因此，国际天文学联合会和国际大地测量学协会，早在1967年便建议，采用国际上5个纬度服务站，以1900至1905年的平均纬度所确定的平均地极位置作为基准点。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 平极的这个位置是相应于上述期间地球自转轴的平均位置，通常称为,与之相应的地球赤道面，称为平赤道面或协议赤

23、道面。在实际工作中，至今仍普遍采用CIO作为协议地极。以协议地极为基准点的地球坐标系，称为，而与瞬时极相应的地球坐标系，称之为瞬时地球坐标系。右图描绘了从197l至1975年间，相对于CIO地极运动的轨迹。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 极移现象主要引起了地球瞬时坐标系相对协议地球坐标系的旋转（见右图)。如果以(X Y Z)CTS和(X Y Z)t分别表示协议地球空间直角坐标系和观测历元t的瞬时地球空间直角坐标系，那么其间的关系为tCTSZYXMZYX其中 ppyRxRM12 考虑到地极坐标为微小量，

24、如果仅取至一次微小项，则有11001ppppyxyxM 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.7 2.1.7 协议地球坐标系与协议天球协议地球坐标系与协议天球坐标系的关系坐标系的关系 ： 原点位于地球质心，Z指向国际协议原点，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道面的交点，Y轴垂直于XMZ平面，由此建立的右手坐标系为协议地球坐标系 ： 原点位于地球质心，Z轴指向2000年1月15日的平

25、北天极，X轴指向协议春分点，由此建立的右手坐标系称为协议天球坐标系。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知： 两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同； 瞬时天球坐标系的Z 轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同； 两瞬时坐标系的X轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统转换转换 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二

26、章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.1.8 2.1.8 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 使用站心坐标系能够比较直观方便地描述卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角，了解卫星在天空的分布情况。 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 如右图，P1是测站，O是球心。以P1为原点建立与球心空间直角坐标系相应坐标轴平行的坐标系叫做站心赤道直角坐标系。显然，

27、站心赤道直角坐标系与球心空间直角坐标系坐标系间有简单的平移关系。BHeNLBHNLBHNZYXZYXsin1sincoscoscos2站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 站心地平直角坐标系 以P1为原点， P1点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x、z轴垂直（向东为正）。 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系与与站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标

28、系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系之间的关系地平站赤zyxBBLBLLBLBLLBZYXsin0cossincoscossinsincoscossincossin站心地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的关系BHeNLBHNLBHNzyxBBLBLLBLBLLBZYXsin1sincoscoscossin0cossincoscossinsincoscossincossin2地平球心 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 站心地平极坐标系 以测站P1为原点，至卫星s的

29、距离r、卫星的方位角A、卫星的高度角h可以建立站心地平极坐标系。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系间有关系22222arctanarctan,sinhcoshsincoshcosyxzhxyAzyxrrArArzyx 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 经典大地测量中的坐标系统常见的坐标系统u 空间直角坐标系u 大地坐标系u 平面直角坐标系2.22.2 WGS-84WGS-84坐标

30、系和我国的大地坐标系坐标系和我国的大地坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统建立测量坐标系的基准面是什么？建立测量坐标系的基准面是什么？大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面参考椭球 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统参心坐标系的特点参心坐标系的特点 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 坐标原点位于地球质心 坐标原点不位于地球质心

31、 地心坐标系适合于全球用途的应用 参心坐标系适合于局部用途的应用 有利于局部大地水准面与参考椭球面符合更好 保持国家坐标系的稳定 有利于地心坐标的保密 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.2.1 WGS-84大地坐标系大地坐标系u 类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系u 定义:原点：地球的质心Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向X轴：指向BIH1984.0的零子

32、午面和CTP赤道的交点Y轴：和Z,X构成右手系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 对应于WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数采用IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值。这里给出WGS-84椭球的两个最常用的几何常数：563223257.298121373786fma率扁长半轴椭球第一偏心率：e2=0.00669437999013地球引力常数：GM=（39860050.6）108（m3/s2）正常化二阶带谐系数：J2=（484.166851.30）109（rad/s）地球自转角速度：=（7

33、2921150.1500）1011（rad/s）u WGS-84椭球参数 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.2.2 国家大地坐标系国家大地坐标系 C80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。根据椭球定位的基本原理，在建立C80坐标系时有以下先决条件： 大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；n 1980国家大地坐标系 C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经

34、度0方向，Y轴与Z、X轴成右手坐标系； 椭球两个最常用的几何参数为 长半轴 a6378140(m)，扁率 f = 1/298.257 椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。我们称为旧19

35、54年北京坐标系。n 旧P54坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 旧P54坐标系可归结为： 属参心大地坐标系； 采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数长半轴 a 6378245(m)，扁率 f = 1/298.3 大地原点在原苏联的普尔科沃； 采用多点定位法进行椭球定位； 高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面； 高程异常以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而得。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与

36、时间系统定位的坐标系统与时间系统 全国天文大地网在1980年国家大地坐标系上进行整体平差完成后，理论上应使用该整体平差结果。但考虑到实用中许多部门和单位有大量测绘成果是旧P54下的，因而产生了所谓的新P54年北京坐标系。 n 新P54坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 新P54是将C80内的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心得到的。它具有如下特点： 属参心大地坐标系； 椭球参数(P54):长半轴 a6378245(m),扁率 f = 1/298.3 大地原点与C80大地原点相同

37、； 椭球轴向与C80椭球轴向相同； 高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面； 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 新P54点坐标与旧P54点坐标接近，但其精度和C80坐标精度完全一样。 据统计，新P54点坐标与旧P54点坐标相比较，就平面坐标而言，纵坐标x差值在-6.5m至+7.8m之间，横坐标y差值在-12.9m至+9.0m之间，差值在5m以内的约占全国80%的地区。反映在1：5万比例尺的地形图上，绝大部分不超过0.1mm。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPS

38、GPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。 2000国家大地坐标系的定义 国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。 原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心； n 2000国家大地坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 Z轴：由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生

39、残余的全球旋转； X轴：由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点； Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系 尺度：采用广义相对论意义下的尺度。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 地球椭球参数 长半轴 a6378137m 扁率 f=1/298.257222101 地心引力常数 GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度 7.292l1510-5rad s-1 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与

40、时间系统n 地方独立坐标系 水准面建立在当地的平均海拔高程面上，（隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球） 以当地子午线作为中央子午线 参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，长半径有一改正量 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n ITRF坐标框架简介 国际地球参考框架ITRF(InternationalTerreetrial Reference Frame的缩写)是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架。由于章动、极移影响，国

41、际协议地极原点CI0是变化的，所以ITRF框架每年也都在变化。根据不同的时间段可定义不同的ITRF，如ITRF-93、ITRF-94、ITRF96、ITRF94(1996年7月I日以后的IGS星历都是在此框架下给出的)等。它们的尺度和定向参数分别由人卫激光测距和IERS公布的地球定向参数序列确定。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 ITRF框架为高精度的GPS定位测量提供较好的参考系，近几年已被广泛地用于地球动力学研究，高精度、大区域控制网的建立等方面，如青藏高原地球动力学研究、国家A级网平差、深圳市GP

42、S框架网的建立等都采用了ITRF框架。一个测区在使用ITRF框架时，一般以高级约束点的参考框架来确定本测区的框架。例如，在深圳市GPS框架建立时，选用了96国家A级网的贵阳、广州、武汉三个A级站(其中武汉为IGS永久跟踪站)为约束基准，而96A级网的参考框架为ITRF-93框架，参考历元为96.365，所以深圳市GPS框架的基准也选用ITRF-93框架为参考点。 ITRF框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系(含海洋和大气圈)的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统

43、n PZ-90坐标系 PZ-90坐标系是GLONASS卫星导航系统采用的坐标系，与GPS采用的WGS-84坐标系均属于地心地固坐标系。 PZ-90坐标系的定义为： 坐标原点位于地球质心，Z轴指向国际地球自转服务局（IERS）推荐的协议地极原点，即19001905年的平均北极，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线的交点，Y轴按右手坐标系定义。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 PZ-90坐标系采用的参考椭球参数为： 长半轴 a6378136m 扁率 f=1/298.257839303 地心引力常数 GM3

44、.9860044181014m3s-2 自转角速度 7.292l1510-5rad s-1 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.32.3 坐标系统间的转换坐标系统间的转换 区分区分 在不同坐标系表示形式之间进在不同坐标系表示形式之间进行变换行变换 在不同的参考基准间进行变换在不同的参考基准间进行变换（基准的转换）（基准的转换） 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 坐标系坐标系间间的变换的变换u 空间大地坐标系 空间直

45、角坐标系u 空间直角坐标系 空间大地坐标系u 空间大地坐标系 高斯平面直角坐标系 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统1 1. . (B L H)(B L H)(X Y Z)(X Y Z) 式中，N 为椭球的卯酉圈曲率半径，e为椭球的第一偏心率。BHeNLBHNLBHNZYXsin1sincoscoscos2 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统NBYXHXHeNLZHNBXYLcos1costanarctan222 若以a

46、、b分别表示所取椭球的长半径和短半径，则22222sin1abaeBeaN2 2. .(X Y Z)(X Y Z)(B L H)(B L H) 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统3 3. . (B L)(B L)(x y)(x y)高斯投影的计算公式：高斯投影的计算公式： 2cos)tantan185(cos120)tan1 (cos6cos)49tan5(cossin24cossin2242552234422242eSBBBNBBNBNyBBBNBBNSx弧长该点到赤道的子午线线的经差该点经度到中央子午其

47、中： 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 坐标系统间的转换包括：坐标系统间的转换包括： 不同参心大地坐标系统间的转换 参心大地坐标系与地心大地坐标系之间的转换 大地坐标与高斯平面坐标之间的转换 实际应用中，我们需要将GPS点的WGS-84坐标转换为地面网的坐标。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 坐标转换的基本方法坐标转换的基本方法XYZXYZ BJ54 BJ54 WGS84WGS84( (B,L)B,L)1 1

48、(B,L)(B,L)2 2( (x,y)x,y)1 1 (x,y)(x,y)2 2( (X,Y,Z)X,Y,Z)1 1 (X,Y,Z) (X,Y,Z)2 2(B(B, ,L L, ,H H) )1 1 ( (B B, ,L L, ,H H) )2 2 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统转换参数的计算转换参数的计算 如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两组坐标求得转换参数 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系

49、统与时间系统定位的坐标系统与时间系统转换参数的求解方法转换参数的求解方法三点法三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时，可用三个点的9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解多点法多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n WGS-84WGS-84坐标系坐标系我国国家坐标系我国国家坐标系 BJ54 WGS84(x,y)1 (x,y)2(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 池州学院池州学院资源环

50、境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统转换中的参数设置转换中的参数设置（B L H）WGS-84（X Y Z）WGS-84（X Y Z）BJ54/STATE80（B L H）BJ54/STATE80（x y）高斯平面高斯平面提供转换参数提供转换参数七参数七参数椭球参数椭球参数椭球参数椭球参数投影参数投影参数三个平移三个平移椭球参数差椭球参数差（化简）（化简）长半轴之差：长半轴之差： -108扁率之差：扁率之差： +0.00480795原点平移参数：原点平移参数： +15 -150 -90 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅

51、游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.42.4 时间系统时间系统 在现代大地测量学中，为了研究诸如地壳升降和板块运功等地球动力学现象，时间也和描述观测点的空间坐标一样，成为研究点位运动过程和规律的一个重要分量，从而形成空间与时间参考系中的四维大地测量学。 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因而也是人们利用卫星进行导航和定位的重要基准。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.4.1 2.4.1 有关时间的基本概

52、念有关时间的基本概念n 时间的两个概念 时间有“时刻”和“时间间隔”两个概念。 时刻时刻，即发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星测量学中，与所获数据对应的时刻也称为历元。 时间间隔时间间隔，系指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。 时间间隔测量时间间隔测量也称为相对时间测量，而时刻测量相应地称为绝对时间测量。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 在在GPSGPS定位中，时间的重要意义定位中，时间的重要意义 GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的。因此在给出卫星运行位置的同时，必须

53、给出相应的瞬间时刻。例如，当要求GPS卫星的位置误差少于1cm时，则相应的时刻时刻误差应小于2.610-6秒。（卫星运行速度约34km/s） GPS测量是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机(即观测站)至卫星的距离(或距离差)，进而确定观测站的位置。因此，准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。如果要求上述距离误差小于1cm ，则信号传播时间（时间间隔时间间隔）的测定误差应不超过310-11秒。（光速约3108km/s， 精确值为2.99792458108km/s ） 由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的。若要求赤道上一点的位

54、置误差不超过1cm，则时刻时刻的测定误差须小于210-5秒。（地球自转速度约3km/s） 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 确定时间的基准确定时间的基准 测量时间，同样必须建立一个测量的基准，即时间的单位时间的单位( (尺度尺度) )和原点和原点( (起始历元起始历元) )。其中时。其中时间的尺度是关键间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。一般来说，任何一个可观察的周期运动现象，只要符合以下要求，都可以用作确定时间的基准。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSG

55、PS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 运动应是连续的，周期性的； 运动的周期应具有充分的稳定性； 运动的周期必须具有复现性，即要求在任何地方和时间，都可以通过观测和实验复现这种周期性运动。 在实践中，由于我们所选的上述周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。在GPS测量中，具有重要意义的时间系统主要有三种：即恒星时、力学时和原子时。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.4.2 2.4.2 世界时系统世界时系统(Universal Time UT)(Universal Time UT) 地

56、球在空间的自转运动是连续的，而且比较均匀。所以人类最先建立的时间系统，便是以地球自转运动为基准的世界时系统。但是，由于观察地球自转运动时，所选空间参考点不同，世界时系统又包括恒星时、平太阳时、世界时恒星时、平太阳时、世界时等不同的形式。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 恒星时恒星时(Sidereal Time ST)(Sidereal Time ST) 以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个恒星日，含24个恒星小时。所以恒星时在数值上等于

57、春分点相对于本地子午圈的时角。因为恒星时是以春分点通过本地子午圈时为原点计算的，同一瞬间对不同测站的恒星时各异，所以恒星时具有地方性地方性，有时也称之为地方恒星时。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统n 平太阳时平太阳时(Mean Solar Time MT)(Mean Solar Time MT) 由于地球的公转轨道为一椭圆，根据天体运动的开普勒定律已知，太阳的视运动速度是不均均的。如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，那将不符合建立时间系统的基本要求。为此，假设一个参考点的视运动速度，等于真太阳周年

58、运动的平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动。这个假设的参考点参考点，在天文学中称为平太阳平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔，为一个平太阳日，而一个平太阳日包含有24个平太阳时。与恒星时一样，平太阳时也具有地方性具有地方性，故常称为地方平太阳时或地方平时。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的尺度基准相同，其差别（12小时)仅在于起算点不同。 世界时系统是以地球的自转为基础的世界时系统是以地球的自转为基础的。随着科学技术的发展，人

59、们发现，地球自转轴在地球内部的位置并不是固定的，即有极移现象并且地球的自转速度也不均匀，它不仅包合有长期的减缓趋势，而且还具有一些短周期的变化和季节性的变化，情况甚为复杂。 n 世界时世界时(Universal Time UT)(Universal Time UT) 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 这样一来，地球自转的不稳定性，就破坏了上述建立时间系统的基本条件。为了弥补这一缺陷，从1956年开始，1）在世界时在世界时UT0UT0中引入了极移改正中引入了极移改正, ,得到世界时得到世界时UT1UT1（含

60、有地球自转速度变化的影响）；2）在在UT1UT1中加入地球自转速度的季节性改正得到世中加入地球自转速度的季节性改正得到世界时界时UT2UT2。 UT2虽经地球自转季节性变化的改正，但仍含有地球自转速度长期变化和不规则变化的影响，所以世界时UT2仍不是一个严格均匀的时间系统。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统2.4.3 2.4.3 原子时原子时(Atomic TimeTA)(Atomic TimeTA) 随着空间科学技术和现代天文学与大地测量学新技术的发展和应用，对时间准确度和稳定度的要求不断提高。以地球自