GPS运用坐标系统与时间系统

1、GPSGPS原理及应用原理及应用第二章第二章坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统2.1 天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.2 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 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换2.4 时间系统时间系统GPSGPS原理及应用原理及应用本章首先介绍本章首先介绍GPSGPS两大类坐标系两大类坐标系( (即即: :天球坐标系和地球天球坐标系和地球坐标系坐标系) )的定义和建立方法，然后介绍的定义和建立方法，然后介绍WGS-84WGS-84坐标系和我坐标系和我国大地坐标系的建立，再讨论各种坐标系统之间的转换国大地坐标系的建立，再讨论各种坐标

2、系统之间的转换问题，最后简要阐述问题，最后简要阐述GPSGPS测量中涉及的几种主要的时间系测量中涉及的几种主要的时间系统。为了更好地理解这些内容，在这一过程中，穿插了统。为了更好地理解这些内容，在这一过程中，穿插了对相应知识点的回顾。对相应知识点的回顾。GPSGPS原理及应用原理及应用1了解 GPS 定位中常用的坐标系统，理解天轴、天极、天球赤道面、天球赤道、天球子午面、子午圈、时圈、黄道、黄极、春分点、岁差与章动等基本概念。2理解坐标系的两种定义方式与协议坐标系的定义，包括地球赤道、地球椭球、地球自转轴、地极、椭球子午面、椭球法线、椭球赤道面、国际协议原点、大地子午面及大地经纬度和大地高等概

3、念，理解极移概念；3掌握 GPS 应用中常用的地球坐标表示式，理解地球参心坐标系、站心坐标系、高斯平面直角坐标系的概念。 4了解有关时间的基本概念，掌握 GPS 定位中的主要时间系统类型，理解世界时间系统、原子时和协调世界时及GPS 时间系统的概念和作用及相关的表达式，各种时间系统之间的关系，了解各种时间系统在 GPS 应用研究和定位中的作用。知识点及学习要求知识点及学习要求 难点难点 1. 1. 怎样理解各种坐标系统和时间系统；怎样理解各种坐标系统和时间系统；2. 2. 为什么要建立坐标系统和时间系统；为什么要建立坐标系统和时间系统；3. 3. 各种坐标系统如何相互转换。各种坐标系统如何相互

4、转换。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统坐标系统坐标系统坐标系和基准两方面要素构成了完整的坐标系统坐标系和基准两方面要素构成了完整的坐标系统!所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，面，在大地测量中，基准基准是指用以描述地球形状的是指用以描述地球形状的地球椭球的参数，如：地球椭球的参数，如：地球椭球的长短半轴和物理特征的有关参数、地地球椭球的长短半轴和物理特征的有关参数、地球椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位球椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定

5、义等。置时所采用的单位长度的定义等。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统地球椭球的基本参数地球椭球的基本参数国际大地测量学会（国际大地测量学会（IAG）于）于1967年推荐了以下年推荐了以下4个量：个量：GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统坐标系坐标系:描述空间位置的表达形式描述空间位置的表达形式 按坐标原点的不同分类按坐标原点的不同分类 地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地坐标系）地心坐标系统（地心空间直角坐

6、标系、地心大地坐标系） 参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地坐标系）参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地坐标系） 站心坐标系统（站心直角坐标系、站心极坐标系）站心坐标系统（站心直角坐标系、站心极坐标系） 按坐标的表达形式分类按坐标的表达形式分类 笛卡儿坐标笛卡儿坐标 曲线坐标曲线坐标 平面直角坐标平面直角坐标GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统坐标系统的类型坐标系统的类型以参考椭球为基准的坐标系，叫以参考椭球为基准的坐标系，叫参心坐标系参心坐标系。以总地球椭球。以总地球椭球为基准的坐标系，叫为基准的坐标系，叫地心坐标系地心坐标系，它们

7、与地球同步运动，称，它们与地球同步运动，称地固坐标系地固坐标系，以地心为原点的地固坐标系则称为，以地心为原点的地固坐标系则称为地心地固坐地心地固坐标系标系，与地球自转无关的坐标系，称，与地球自转无关的坐标系，称惯性坐标系或天球坐标惯性坐标系或天球坐标系系。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统坐标系统GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.1 2.1 天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系全球定位系统（全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间）的最基本任务是确定用户

8、在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、原点位置、3个坐个坐标轴的指向和尺度标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：分为两大类坐标系：天球坐标系天球坐标系和和地球坐标系地球坐标系。由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种

9、不同定义的坐标系。分为若干种不同定义的坐标系。 不管采用什么形式，坐标不管采用什么形式，坐标系之间通过系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。系变换到另一个坐标系去。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系天球、天球坐标系天球、天球坐标系 为了空间定位需要，确定一个在宇宙空间可视为不变的为了空间定位需要，确定一个在宇宙空间可视为不变的参考系。假设以地球的质心参考系。假设以地球的质心M为球心，半径为无穷大的球存为球心，半径为无穷大的球存在于宇宙空间，在

10、于宇宙空间，天文学天文学中称之为天球。中称之为天球。u 地球质心地球质心=天球原点天球原点u 地轴与天轴重合地轴与天轴重合u 地球赤道面与天球赤道面重合地球赤道面与天球赤道面重合GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系天球的概念天球的概念GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系1. 天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系的定义的定义 地球质心地球质心O O为坐标原点，为坐标原点，Z Z轴指向天球北极，轴指向天球

11、北极，X X轴指向春轴指向春分点，分点，Y Y轴垂直于轴垂直于XOZXOZ平面，与平面，与X X轴和轴和Z Z轴构成右手坐标系。则轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X X，Y Y，Z Z）来描述）来描述。2天球球面坐标系天球球面坐标系的定义的定义 地球质心地球质心O O为坐标原点，春分点轴为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准测量基准基准子午面，赤道为天基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为间点的位置在天球坐标

12、系下的表述为（r r，）。）。 天球空间直角坐标系与天球球天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图面坐标系的关系可用图2-12-1表示：表示：图图2-1 直角坐标系与球面坐标系直角坐标系与球面坐标系GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系这两个坐标这两个坐标系都可以用系都可以用来描述轨道来描述轨道与地球自转与地球自转无关的天体无关的天体或者飞行器或者飞行器GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系天球坐标系天球坐标系3. 直角坐标系与其等效的天球球

13、面坐标系参数间的转换直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：坐标系参数间有如下转换关系：coscossincos(2 1)sinXrYrZr22222arctan( /)(2 2)arctan( /rXYZY XZXY GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系地球坐标系地球坐标系2.1.2 地球坐标系地球坐标系1地球直角坐标系的定义地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系地球直角坐标系的定义是

14、：原点的定义是：原点O与地球质心重合，与地球质心重合，Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，交点，Y轴在赤道平面里与轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。构成右手坐标系。 2. 地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义地球大地地球大地坐标系坐标系的定义是：地球椭球的中心的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（标系中表述为（L，B，H）。）。 地球直角坐标系和地球大地坐地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图标系

15、可用图2-2表示：表示： 图图2-2 直角坐标系和大地坐标系直角坐标系和大地坐标系GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系3. 直角坐标系与大地坐标系参数间的转换直角坐标系与大地坐标系参数间的转换对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：2()coscos()cossin(23)(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB2222arctan( /)arctan()/(1)(24)/sin(1)LY XBZ NHXYNeHHZBNe BeaN22sin

16、1/式中，式中，N为该点的卯酉圈曲率半径；为该点的卯酉圈曲率半径；2222/ )(abae， ea,分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一偏心率。分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一偏心率。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系地球椭球的五个基本几何参数：地球椭球的五个基本几何参数： 椭圆的长半轴椭圆的长半轴 椭圆的短半轴椭圆的短半轴 b b 椭圆的扁率椭圆的扁率 椭圆的第一偏心率椭圆的第一偏心率 aba abae22椭圆的第二偏心率椭圆的第二偏心率 bbae22 其中其中 、b b 称为长度元素；扁率称为长度元素

17、；扁率 反映了椭球体的扁平程度。偏反映了椭球体的扁平程度。偏心率心率 和和 是子午椭圆的焦点离开中心的距离与椭圆半径之比，是子午椭圆的焦点离开中心的距离与椭圆半径之比， 它们也反映椭球体的扁平程度，偏心率愈大，椭球愈扁。它们也反映椭球体的扁平程度，偏心率愈大，椭球愈扁。ee两个常用的辅助函数，两个常用的辅助函数， 第一基本纬度函数，第一基本纬度函数， 第二基本纬度函数：第二基本纬度函数：BeVBeW2222cos1sin1WaaVGPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系地球椭球参数间的相互关系地球椭球参数间的相互关系元素之

18、间的关系式如下：元素之间的关系式如下：221,11,11,11,12222222222eeVWeWVeeeeeeecaeaceabeba 22222222222)1 (1)1 (sin111WeVVeBeWWbaWeVVabVeW式中，式中，W W 第一基本纬度函数，第一基本纬度函数，V V 第二基本纬度函数。第二基本纬度函数。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标天球坐标系和地球坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系2.1.3 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

19、坐标系1站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系 如图如图2-3， P1 是测站点，是测站点，O为球心。以为球心。以O为原点建立球心空间为原点建立球心空间直角坐标系直角坐标系 。以。以P1 为原点建立与为原点建立与 相应坐标轴平行相应坐标轴平行的的 坐标系叫坐标系叫站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系。_1ZYXP XYZO_2_()coscos()cossin(2-5)(1)sinXXNHBLYNHBLYZNeHBZ显然，显然，同同 显然，显然，同同坐标系有简单的平移关系：坐标系有简单的平移关系：XYZOXYZO_1ZYXP GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天

20、球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系以以P1 为原点，以为原点，以P1 点的法线为点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向轴（向北为正），北为正），y轴与轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。站垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下： 代入（代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式：直角坐标系的

21、转换关系式：GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系1瞬时极天球坐标系与地球坐标系瞬时极天球坐标系与地球坐标系 瞬时极天球坐标系瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天轴指向瞬时地球自转方向（真天极），极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。轴按构成右手坐标系取向。 瞬时极地瞬时极地球坐标系球坐标系：原点位于地球质心，：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，轴指向瞬

22、时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的关系如图坐标系取向。瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。所示。 瞬时瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的 转换关系为：转换关系为： 下标下标et表示对应表示对应t时刻的瞬时极地球坐标系，时刻的瞬时极地球坐标系， ct表示对应表示对应t时刻的瞬时极天球坐标系。时刻的瞬时极天球坐标系。G 为对应平格林尼治子午面的

23、真春分点时角。为对应平格林尼治子午面的真春分点时角。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系岁差和章动岁差和章动地球的岁差和章动地球的岁差和章动日月岁差和章动日月岁差和章动章动章动（nutation）:拉丁语言点头的意思，地轴的章动是英国拉丁语言点头的意思，地轴的章动是英国天文学家布拉得雷（天文学家布拉得雷（JBradey）于）于1748年分析了年分析了20年的观年的观测资料后发现的。地轴章动的周期为测资料后发现的。地轴章动的周期为18.6年，近似地说，就年，近似地说，就是是19年。在我国古代历法中把年。在我国古代历法中把

24、19年称为一年称为一“章章”，这便是中，这便是中译名译名“章动章动”的来源。的来源。)GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系春分点的漂移方向春分点的漂移方向(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响下，使北天极影响下，使北天极绕北黄极，以顺时绕北黄极，以顺时针方向缓慢地旋针方向缓慢地旋转，构成一个以黄转，构成一个以黄赤交角赤交角(23.44度度)为半径的小圆，从为半径的小圆，从而使春分点在黄道而使春分点在黄道上西移动。上西移动。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标

25、系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2. 固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系 选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和轴和x轴指向，轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系平天球坐标系，坐标系原平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。次

26、变换来实现。（1）岁差旋转变换）岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元表示历元J2000.0年平天球坐标系年平天球坐标系z轴指向，轴指向，ZM（t）表示所论历元时刻）表示所论历元时刻t真天真天球坐标系球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为：轴指向。两个坐标系间的变换式为：（2）章动旋转变换）章动旋转变换 类似地有章动旋转变换式：类似地有章动旋转变换式：式中：式中：为所论历元的平黄赤交角，为所论历元的平黄赤交角，分别为黄经章动和交角章动参分别为黄经章动和交角章动参数。数。 GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系协议天球坐标系

27、协议天球坐标系 在时间在时间t轴上，由国际协议规定一确定的特殊时刻轴上，由国际协议规定一确定的特殊时刻( Barycentric Dynamic TimeTDB 时间时间2000/01/15)作为标准历元，对应的平天球坐标系是一个惟一的平天球坐标作为标准历元，对应的平天球坐标系是一个惟一的平天球坐标系系称之为协议天球坐标系或称为协议惯性系称之为协议天球坐标系或称为协议惯性系(conventional inertial system，CIS)。任一观测历元任一观测历元t的瞬时真天球坐标系，经过从该瞬时到的瞬时真天球坐标系，经过从该瞬时到标准历元的章动、岁差改正，均可归算到标准历元的平天标准历元的

28、章动、岁差改正，均可归算到标准历元的平天球坐标系球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系(CIS）。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系3. 固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系极移极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称 极移。极移。 瞬时极瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地 球极轴，相应的球极轴，相应的极点称为瞬时极。极点称为瞬时极。 国际协定原点国际协

29、定原点CIO（ conventional international origin ）：采用国际上：采用国际上5个纬度服务个纬度服务站的资料，以站的资料，以1900.00至至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点称为国际协定原点CIO。 图图2-5为瞬时极与平极关系为瞬时极与平极关系GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系平地球坐标系：取平地极为坐标原点，平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向轴指向CIO，x轴指向协定赤道轴指向协定赤

30、道 面与格林尼治子午线的交点，面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：下标下标em表示平地球坐标系，表示平地球坐标系，et表示表示t 时的瞬时地球坐标系，时的瞬时地球坐标系， 为为t时刻以角度表示的极移值。时刻以角度表示的极移值。 ppyx ,GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系2.2 WGS-842.

31、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2.2.1 WGS-84坐标系坐标系WGS-84坐标系坐标系（1984世界大地坐标系世界大地坐标系World Geodetic System-84 ）的定义：的定义：WGS-84是修正是修正NSWC9Z-2参考系（参考系（NNSS卫星多普勒定位系卫星多普勒定位系统的一个参考坐标系统的一个参考坐标系,与与WGS72相应的精密星历系统相应的精密星历系统）的原点）的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH（ International Time Bureau ）定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，定义

32、的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，坐标系的原点在地球质心，Z轴指向轴指向BIH 1984.0定义的定义的协定地球极（协定地球极（CTP， Conventional Terrestrial Pole）方向，）方向，X轴轴指向指向BIH 1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTP赤道的交点，赤道的交点，Y轴和轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系WGS-84椭球椭球及其有关常数：及其有关常数：WG

33、S-84采用的椭球是国际大地采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数四个基本参数 GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.2.2 国家大地坐标系国家大地坐标系 1.19541.1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54BJ54旧）旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。平差方法：分区分期局部平差。存在问题：存在问题：（1

34、 1）椭球参数有较大误差。）椭球参数有较大误差。（2 2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系 统性倾斜。统性倾斜。（3 3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。）定向不明确。 GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2.1980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：参考椭球：1975年国际椭球。年国际椭球

35、。 平差方法：天文大地网整体平差。平差方法：天文大地网整体平差。 特点：特点： （1）采用）采用1975年国际椭球。年国际椭球。 （2）参心大地坐标系是在）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。 （3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （4）定向明确。）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。）大地原点地处我国中部。 （6）大地高程基准采用）大地高程基准采用1956年黄海高程。年黄海高程。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统天球坐标系和地球坐

36、标系天球坐标系和地球坐标系3.新新1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54新）新） 新新1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54新）是由新）是由1980年国家大地坐标（年国家大地坐标（GDZ80）转换得）转换得来的。来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合）是综合GDZ80和和BJ54旧旧 建立起来的参心坐标系。建立起来的参心坐标系。 （3）采

37、用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。）定向明确。 （5）大地原点与）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用）大地高程基准采用1956年黄海高程。年黄海高程。 （7）与）与BJ54旧旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。 （8） BJ54旧旧 与与BJ54新新 无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。GPSGPS原理及应用原理及应用坐

38、标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换2.32.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换2.3.1 不同空间直角坐标系统之间的转换不同空间直角坐标系统之间的转换XXXXXRcossin0sincos0001)(YYYYYRcos0sin010sin0cos)(1000cossin0sincos)(ZZZZZR 1. 旋转矩阵旋转矩阵 一般一般ZYX,为微小转角，可取：为微小转角，可取： GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换3. 不同空间直角坐标系统转换公式不同空间直角坐标系统转换公式上式即为两个

39、不同空间直角坐标系的转换模型，通过该上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利用重合点的两套坐标值（模型，利用重合点的两套坐标值（X1，Y1，Z1）（）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述2.4 2.4 时间系统概述时间系统概述 GPSGPS卫星定位的时间系统卫星定位的时间系统时间时间:测量周期性运动的指标测量周期性运动的指标时钟时钟:钟摆，

40、机械表钟摆，机械表地球自转、公转地球自转、公转石英表石英表原子时原子时(铯铯cesium,铷铷rubidium,氢氢hydrogen)GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述定时的精度定时的精度GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述GPSGPS卫星作为一个高空动态已知点，其位置是随时间不断卫星作为一个高空动态已知点，其位置是随时间不断变化的。因此，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应变化的。因此，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。并且，卫星位置的精度和时刻的精度密切相关，

41、的瞬间时刻。并且，卫星位置的精度和时刻的精度密切相关，例如：当要求例如：当要求GPSGPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1cm1cm时，相应的时刻误时，相应的时刻误差应小于差应小于2.62.61010-6-6s s。GPSGPS测量是通过接收和处理测量是通过接收和处理GPSGPS卫星发射的无线电信号，来卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机确定用户接收机( (即观测站即观测站) )至卫星间的距离，进而确定观测至卫星间的距离，进而确定观测站的位置。而欲准确地测定测站至卫星的距离，就必须精密站的位置。而欲准确地测定测站至卫星的距离，就必须精密地测定信号的传播时间。如果要求站星距离误差小于地测

42、定信号的传播时间。如果要求站星距离误差小于1cm1cm，则，则信号传播时间的测定误差应不超过信号传播时间的测定误差应不超过3 31010-11-11s s。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置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误差不超过是不断变化的。若要求赤道上一点的误差不超过1cm1cm，则时间，则时间的测定误差须小于的测定误差须小于2 21010-6-6s s。显然，利用显然，利用GPSGPS技术进行精密定位与导航，应尽可能获得技术进行精

43、密定位与导航，应尽可能获得高精度的时间信息，这就需要一个精确的时间系统。以下介高精度的时间信息，这就需要一个精确的时间系统。以下介绍与绍与GPSGPS测量有关的几种时间系统，即：世界时，原子时和力测量有关的几种时间系统，即：世界时，原子时和力学时。学时。确定一个时间系统和确定其他测量基准一样，要定义时间确定一个时间系统和确定其他测量基准一样，要定义时间单位单位( (尺度尺度) )和原点和原点( (起始历元起始历元) )。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述1 1、世界时系统：世界时系统是以地球自转为基准的、世界时系统：世界时系统是以地球自

44、转为基准的一种时间系统。一种时间系统。1）恒星时恒星时ST(Sidereal Time)：如果以春分点为参考点，则由如果以春分点为参考点，则由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。2）太阳时太阳时MT(Mean SolarTime)：太阳时有太阳时有真太阳时真太阳时和和平太阳平太阳时时两种。两种。如果以真太阳作为观察地球自转的参考点，那么由真太阳周如果以真太阳作为观察地球自转的参考点，那么由真太阳周日视运动所确定的时间，称为真太阳时。日视运动所确定的时间，称为真太阳时。平太阳平太阳在天赤道上运行的假想天体，其速度为太阳周年运动在天赤道上运行的假

45、想天体，其速度为太阳周年运动平均速度。主要是为了得到一个均匀适用的日常时间。平均速度。主要是为了得到一个均匀适用的日常时间。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日，而一个平太阳日包含有2424个平太阳时。平太阳时也具有个平太阳时。平太阳时也具有地方性，故常称为地方性，故常称为地方平太阳时地方平太阳时或地方平时。或地方平时。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述3）世界时世界时UTUT（Universal TimeUniversal Time），以平子

46、夜为零时起算的格，以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时林尼治平太阳时称为世界时UTUT。2 2、原子时、原子时ATI ATI （International Atomic TimeInternational Atomic Time) )随着空间科学技术和现代天文学和大地测量学的发展，对时随着空间科学技术和现代天文学和大地测量学的发展，对时间系统的准确度和稳定度的要求不断提高。以地球自转为基间系统的准确度和稳定度的要求不断提高。以地球自转为基础的世界时系统，已难以满足要求。为此，人们从础的世界时系统，已难以满足要求。为此，人们从2020世纪世纪5050年代，便建立了年代，便建立了以物质内

47、部原子运动的特征为基础以物质内部原子运动的特征为基础的原子时的原子时间系统。间系统。因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时，便成为很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时，便成为当代最理想的时间系统。当代最理想的时间系统。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述原子时秒长的定义为：原子时秒长的定义为：位于海平面上的铯位于海平面上的铯133原子基态原子基态两个超精细能极，在零磁场中跃迁辐射振荡两个超精细能极，在零磁场中跃迁辐射振荡9

48、 192 631 770周所周所持续的时间，为一原子时秒。该原子时秒作为国际制秒持续的时间，为一原子时秒。该原子时秒作为国际制秒(SI)的的时间单位。时间单位。这一定义严格地确定了原子时的尺度，而原子时的原点由这一定义严格地确定了原子时的尺度，而原子时的原点由下式确定：下式确定：ATUT20.0039(s)原子时出现后，得到了迅速的发展和广泛的应用，许多国原子时出现后，得到了迅速的发展和广泛的应用，许多国家都建立了各自的地方原子时系统。但不同的地方原子时之间家都建立了各自的地方原子时系统。但不同的地方原子时之间存在着差异。为此，国际上大约有存在着差异。为此，国际上大约有100座原子钟，通过相互

49、比座原子钟，通过相互比对，并经数据处理推算出统一的原子时系统，称为对，并经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时国际原子时(International Atomic TimeIAT)。原子时是通过原子钟来守时和授时的，因此，原子钟振荡原子时是通过原子钟来守时和授时的，因此，原子钟振荡器频率的准确度和稳定度便决定了原子时的精度。器频率的准确度和稳定度便决定了原子时的精度。GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述3 3、力学时、力学时DT (DT (Dynamic TimeDynamic Time) )力学时是天体力学中用以描述天体运动的

50、时间单位。根据天体力学时是天体力学中用以描述天体运动的时间单位。根据天体运动方程，所对应的参考点不同，力学时又分为运动方程，所对应的参考点不同，力学时又分为质心力学时质心力学时和和地球力学时地球力学时的两种形式。的两种形式。质心力学时质心力学时(Barycentric Dynamic TimeTDB)，是相对太阳系，是相对太阳系质心的天体运动方程所采用的时间参数。质心的天体运动方程所采用的时间参数。地球力学时地球力学时(Terrestrial Dynamic TimeTDT)，是相对地球质，是相对地球质心的天体运动方程所采用的时间参数。心的天体运动方程所采用的时间参数。地球力学时地球力学时(TDT)的基本单位是国际制秒的基本单位是国际制秒(SI)，与原子时的尺度，与原子时的尺度一致。国际天文学联合会决定，于一致。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(IAT)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：TDTIAT32.184(s)GPSGPS原理及应用原理及应用坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统时间系统概述时间系统概述若以若以T表示地球力学时表示地球力学时(TDT)与世界时与世界时(UT1)之差的差，则之差的差，则由上式可知由上式可知TTDTUT1IAT UT1 32.1