第二章GPS坐标系统和时间系统

1、GPS原理及应用原理及应用第二章第二章 GPSGPS坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统主要内容主要内容2.1 2.1 天球及天球坐标系天球及天球坐标系2.2 2.2 协议地球坐标系协议地球坐标系2.3 GPS2.3 GPS坐标系统坐标系统2.4 2.4 时间系统时间系统2.1.12.1.1天球主要点、线、圈天球主要点、线、圈2.1 2.1 天球及天球坐标系天球及天球坐标系定义：以空间某一点为中心、半径为无穷大的一个圆球。作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上分类：站心天球、地心天球、日心天球北天极南天极黄道天球赤道赤经赤纬太阳星体地球地球赤道本初子午圈v坐标原点坐标系统建立的三要素坐标系统

2、建立的三要素v坐标轴指向v表示坐标的参数2.1.2 2.1.2 天球坐标系天球坐标系v 天球赤道坐标系天球赤道坐标系( ( , , , , r)r) 和天球直角坐标系和天球直角坐标系(x,y,z)(x,y,z)天球赤道坐标系和天球直角坐标系天球赤道坐标系和天球直角坐标系sincoscoscoscosrzyx22222yxxarctgxyarctgzyxrv 转换关系转换关系 岁差 地球在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，天文学中称为岁差。 其中由于赤道运动引起的岁差称为赤道岁差，原来也被称为日、月岁差。 由于黄道运动而

3、引起的岁差称为黄道岁差，原来被称为行星岁差。 赤道岁差 由于太阳、月球对地球上赤道隆起部分的作用力矩而导致赤道平面的进动； 或者说天极绕黄极在半径为黄赤交角的小圆上的顺时针方向旋转； 其运动速度为每年西移50.39。黄道岁差 除了太阳和月球对地球的引力外，太阳系的其他行星也会对地球和月球产生万有引力，从而影响黄道平面，使春分点产生移动，将这种岁差称为黄道岁差。 黄道岁差使春分点在天球赤道上每年约东移0.1，还会使黄赤交角变化。岁差和章动平天极、天球平赤道和平春分点（仅考虑岁差）岁差章动对天球坐标的影响岁差章动对天球坐标的影响岁差、章动导致春分点位置发生变化真天极、天球真赤道和真春分点（考虑岁差

4、和章动的综合影响）岁差章动对天球坐标的影响协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系协议天球坐标系经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系协议天球坐标系（协议天球坐标系（CISCIS）(1)(1)当前，国际上所采用的天球坐标系当前，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定从1984年1月1日起采用为2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐标系Z轴指向J2000.0的平北天极X轴指向J2000.0的平春分点协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系 进行岁差和章动改正协议天球坐标系（协议天球坐标系（CISCIS）(2)(2)特定时

5、刻的特定时刻的真天球坐标真天球坐标章动改正章动改正特定时刻的特定时刻的平天球坐标平天球坐标J2000.0的平天球坐标的平天球坐标（协议天球坐标）（协议天球坐标）岁差改岁差改正正。为瞬时真天球坐；章动态系数为岁差改正矩阵；协议天球坐标；其中标阵为00XNPXNPXX 1.1.地球直角坐标系的定义地球直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z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交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。2.2 2.2 协议地球坐标系协议地球坐标系图2-2 直角坐标系和大地坐标系2.2.地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短

6、轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示： 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：3. 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， 为该点的卯酉圈半径；，分别为该大地坐标系对应椭球的长半

7、径和第一扁心率。定义：定义：由于地球内部和外部的种种动力学因素，使得地球体对于自转轴产生相对运动，因而引起了地极的移动，这种现象称为极移。 极移极移 极移包括极移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量极移的测定极移的测定测定极移 通过测定纬度的变化ILS（国际纬度服务）IPMS（国际极移服务）BIH（国际时间局）国际协议原点CIO极原点（JYD）（中国）X轴：格林尼治子午线Y轴：格林尼治子午线向西90平地球坐标系和瞬时（真）地球坐标系平地球坐标系和瞬时（真）地球坐标系v瞬时（真）地球坐标系瞬时（真）地球坐标系 Z轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系zyxXRYRZYXPyPx

8、)()(v平地球坐标系平地球坐标系 Z轴指向空间中某一固定点（平极）的地球坐标系平地球坐标(X,Y,Z)和瞬时（真）地球坐标(x,y,z)的转换关系瞬时（真）地球坐标系与瞬时天球坐标系的关系瞬时（真）地球坐标系与瞬时天球坐标系的关系()cossin0sincos0001( , )(,)czGccGGcGGcccccxxyRSyzzSSxSSyzx y zxyz 其中为瞬时地球坐标系下的坐标；为瞬时天球坐标系下的坐标。zcxcycxy(z)OSGSG几种常用坐标系之间的关系几种常用坐标系之间的关系观测瞬间的真天球坐标系岁差、章动改正旋转SG角观测瞬间的真地球坐标系协议地球坐标系极移改正URRRR

9、RRPNTRRRSTUrPNSrUTr)()()()()()()()()(3231313123333AAAppCRFCRFTRFzGASTyx转等；转，包括极移、地球自为非外部力矩造成的旋；转，包括岁差、章动等为由外部力矩造成的旋协议天球坐标系vWGS-84WGS-84坐标系坐标系2.3 GPS2.3 GPS坐标系坐标系v国际地球参考框架国际地球参考框架(ITRF)(ITRF) WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 WGS-84WGS-84坐标系坐标系 WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z

10、-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义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，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。 长半径： a=63781372（m）；地球引力常数： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2；正常化二阶带谐系数： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自转角速度： =729211510-11rads-10.15010-11ra

11、ds-1国际地球参考架国际地球参考架 （ITRFITRF）国际地球参考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成的观测系统观测计算获得。IGS精密星历 Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等 技术维持. 提供站坐标及速度场信息 WGS84WGS84与与ITRFITRF的关系的关系WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS-84WGS-84与与ITRFITRF的关系的关系WGS84与ITRF的转换关系2.4 2.4 时间系统时间系统沙

12、瓶沙瓶 - Sandglass 时间基准： 能作周期性运动，且运动周期十分稳定。 运动周期具有很好的复现性，即在不同的时期和地点这种周期性的运动都可以通过观测和实验来予以复现。 如沙漏、钟摆、地球公转、原子跃迁发出的电子波震荡信号等。v世界时世界时时间系统的分类时间系统的分类v力学时力学时v原子时原子时 vGPSGPS时时恒星时恒星时参考点：春分点定义：春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。为黄赤交角。为黄经章动，;cosLMSTLAST 数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。 有真恒星时与平恒星时之分太阳时太阳时参考点：太阳：

13、太阳定义：太阳中心连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一太阳日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。数值上等于太阳中心相对于本地子午圈的时角。正午（0h）与子夜（12h） 有真太阳时（t）与平太阳时（m），真太阳日与平太阳日从天文年历中查取；mt 平太阳 周年视运动的轨迹在赤道面上；运动角速度恒定，且等于真太阳的平均角速度。真太阳时与平太阳时之间的关系定义：格林尼治零子午线处的民用时称为世界时。UT0、UT1与UT2世界时世界时01UTUTsTUTUT12问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓，且存在短周期变化和季节性变化）UT0：未经改正的世界时UT1：引入极移改

14、正（）的世界时UT2：引入极移改正（）和地球自转速度的季节改正（ Ts）的世界时定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为力学时。2.4.2 2.4.2 力学时力学时1ggETUTTT；为世界时化为历书时的改正，通常由观测月亮来确定。历事（书）时历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的时间系统，其规定1900年1月1日12h的回归年长度的1/31556925.9747为1历书秒。在该瞬间，历书时与世界时在数值上相同，其后关系如下定义1967年10月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒。（原子时秒长的定义）2.4.3 2.4.3 原子时原子时原本规定AT与UT2在1958年1月1日0h时相同，但实际相差0.0039秒，即：(AT-UT2)1958.0 = -0.0039秒。（原子时时刻的定义）协调世界时（Universal Time Coordinated UTC）与IAT秒长相同通过跳（闰）秒（Leap Seconds），与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒）正闰秒（增加1秒）与负闰秒（去掉1秒）国际原子时