第六次课,卫星定位的坐标20171022

1、第二节第二节 卫星坐标系统与时间系统卫星坐标系统与时间系统u描述卫星的位置天球坐标系u描述地球上的点的位置地球坐标系Slide 1目录目录u1、天球坐标系、天球坐标系u2、地球坐标系、地球坐标系u3、GPS坐标系统坐标系统u4、时间系统、时间系统 为什么提出坐标系？ 描述物体运动，必须有参照物,为描述物体运动而选择的所有参照物叫参照系（参考系）。参照系是粗略的，不精确的，必须建立坐标系。准确和完善的描述物体的运动，观测的结果模拟及 表示或解释需要建立一个坐标系统。 怎样定义一个坐标系？ 坐标系固连在参照系上，且与参照系同步运动。要完全定义一个三维空间直角坐标系必须明确指出： 坐标原点的位置。

2、三个坐标轴的指向。 长度单位。Przxyo左手坐标系空间直角坐标系符合右手法则或左手法则：xyzo右手坐标系注： 一经定义坐标系，空间一点对应一组坐标，坐 标系不同，坐标值也不同。 为什么选用空间直角坐标系？ 任一点的空 间位置可由该点在三个坐标面的投影（X，Y，Z）唯一地确定，通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个点的位置方便的从一个坐标系转换至另一个坐标系。与某一空间直角坐标系所相应的大地坐标系（B，L，H），只是坐标表现形式不同，实质上是完全等价的，两者之间可相互转化。 GPS定位采用坐标系： 在GPS定位测量中，采用两类坐标系，即天球坐标系与地球坐标系，两坐标系的坐标原点均在地球的质

3、心，而坐标轴指向不同。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标系，用于描述地面观测站的位置。 在空间的位置和方向应保持不变，或仅作匀速直线运动。1 天球坐标系和地球坐标系天球：指以地球质心M为中心，半径r为任意长度 的一个假想的球体 。一、天球坐标系M黄道黄道Pnsn天球天球赤道赤道Ps天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点Pn和Ps称为天极，其中Pn为北天极，为Ps南天极。天球赤道面与天球赤道： 通过地球质心M与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。天球赤道面与天球相交的大圆，

4、称为天球赤道。 黄道：地球公转的轨道面 与天球相交的大圆。黄赤交角：黄道与赤道的 夹角。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为北黄极，靠近南天极的交点为南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。注：春分点和天球道赤 面，是建立参考系的重要的基准点和基准面。近日点远日点地球太阳春分点秋分点一、天球和天球坐标系一、天球和天球坐标系天球以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。Slide 101 1、天球、天球天轴:地球自转轴的延伸线u天极:天轴与天球的交点u天球赤道面：通过地球质心，与天轴垂直的平面u天球子午面：包

5、含天轴,并通过天球上任何一点的平面Slide 11黄道和春分点黄道和春分点u黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的轨道u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天球赤道的交点Slide 122 2、天球坐标系的两种表示方法、天球坐标系的两种表示方法u天球球面坐标系 (赤经，赤纬，向径)u天球空间直角坐标系 (X,Y,Z)p11Slide 13M黄道黄道Pnsn 原点地球质心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轴构成右 手坐标系统。 ZXY天球空间直角坐标（X，Y，Z）的定义：MzPs天球天

6、球赤道赤道Pnyxsyzxr 天球中心与地球质心M重合，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，向径为原点M至天体s的距离。天球球面坐标（，）的定义： 对同一空间点，直角坐标系与其等效的球面坐标系参数间有如下转换关系： coscosXcossinYsinZ222ZYXXYarctan22arctanYXZMzPs天球天球赤道赤道Pnxsyzxry3 3、建立天球坐标系的两个问题、建立天球坐标系的两个问题u实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向

7、不再保持不变而使春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差、章动P14、15Slide 17岁差：地球实际上不是一个理 想的球体，地球自转轴 方向不再保持不变，这 使春分点在黄道上产生 缓慢的西移，这种现象 在天文学中称为岁差。 岁差和章动的影响岁差产生的原因： 日月和其他天体对地球赤道隆起部分的吸引。 主要由日月引力引起。太阳的影响为月球影响的0.46。M黄道黄道Pnsn天球天球赤道赤道岁差周期：25800年，每年春分点西移50.371M黄道Pnsn天球赤道章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极旋转，大致呈椭圆，这 种现象称为章动。 章动产生的主要原因： 月球轨道面（白道）位置的

8、变化。 章动的规律 章动的周期：18.6年 章动椭圆的长半轴：9.2 abr n章动椭圆岁差、章动叠加Pn 岁差章动的叠加效果M黄道Pnsn天球天球赤道赤道黄极天极 为了研究问题的方便，我们把岁差和章动分开研究，分别研究两种现象的规律，然后再综合叠加。 在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴的指向在不断的变化，将不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。 地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化，而且还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。前者导致岁差和章动，后者导致极移。 岁差、章动和极移的影响极移：地球自转轴相对地球体的 位置并不是固定的，因而， 地极点在地球表面上的位

9、 置，是随时间而变化的， 这种现象称为极移。 研究分析表明，极移周期有两种：一种周期约为一年，振幅约为0.1的变化；另一种周期约为432天，振幅约为0.2的变化，即张德勒（S.C.Chandler ）周期变化。 地极移动在平面上的投影1971.01975.01CIO-0.2 +0.2 +0.5 瞬时极：随时间变化的极点。瞬时自转轴：随时间变化的自转轴。 瞬时天球坐标系：原点：地球质心坐标轴指向：z轴指向瞬时地球自 转轴x轴指向瞬时春分点y轴与x轴、z轴构成 右手坐标系M黄道黄道PnsnZXY 4、协议天球坐标系： 为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻，作为标准历元，并

10、将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分别作为X轴和Z轴的指向，由此建立的坐标系称为协议天球坐标系。在空间的位置和方向应保持不变，或仅作匀速直线运动 协议天球坐标系观测瞬间的平天球坐标系瞬时天球坐标系岁差章动 协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换：二、地球坐标系的定义二、地球坐标系的定义u地心空间直角坐标系u地心大地坐标系P12图2-2思考：和参心坐标系统的定义有何区别？Slide 28 地球空间直角坐标系的定义： 原点O：地球质心 Z轴：指向地球北极Pn X轴：指格林尼治子午 面与地球赤道的交点E Y轴：垂直于XOZ平面， 与X轴和Y轴构成

11、右手坐标系。赤道赤道平面平面OPPSPNEZXYYXZ二、地球坐标系赤道赤道平面平面OP大地经度L大地纬度BnLB起始子午面起始子午面（首子午面）（首子午面） 大地坐标系的定义： 地球椭圆的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，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。PSPNH 任一地面点P在地球坐标系中的坐标，可表示为（X，Y，Z）或（B，L，H），两种坐标系之间的转换为： LBHNXcoscos)(LBHNYsincos)(BHeNZsin)1 (2XYLarctan)

12、1 (/)(arctan222HeNYXHNZB)1 (sin/2eNBZH式中，BeaN22sin1/ ，N为该点的卯酉圈曲率半径。 32三、GPS坐标系统 在在GPSGPS系统中，为了确定用户接收机的位置，系统中，为了确定用户接收机的位置，GPSGPS卫星的瞬时位置应当转换到统一的地球坐标卫星的瞬时位置应当转换到统一的地球坐标系中。系中。333.1 WGS-84大地坐标系 WGS（World Geodetic System）-84的定义：原点在地球质心，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP-Conventional Terrestrial Pole）方向，X轴指

13、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。343.1 WGS-84大地坐标系 WGS-84坐标系（协议地球参考系）建于1987年，最初用于子午卫星系统（TRANSIT），到第二代卫星导航系统GPS时仍被采用。由这两种系统测定的同一点位坐标和大地高存在偏差。之后，根据GPS在全球的跟踪网站的观测结果，对WGS-84进行修正，使得WGS-84框架的站坐标精度有了进一步提高。353.2 国家大地坐标系1954年北京坐标系 坐标原点坐标原点：前苏联的普尔科沃。：前苏联的普尔科沃。 参考椭球参考椭球：克拉索夫斯基椭球。：克拉索夫斯基椭球。

14、 平差方法平差方法：分区分期局部平差。：分区分期局部平差。 存在问题存在问题：（：（1 1）椭球参数有较大误差。）椭球参数有较大误差。 （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统性倾斜。 （3）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。36GPS坐标系统 1980年国家大地坐标系 坐标原点坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球参考椭球：19751975年国际椭球。年国际椭球。 平差方法平差方法：天文大地网整体平差。：天文大地网整体平差。 特点特点：（：（1 1）采用）采用19751975年国际椭球。年国际椭球。 （2）参心大地坐标系

15、是在1954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。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。373.2 国家大地坐标系 新1954年北京坐标系（BJ54新） 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。原1954年北京坐标系又称为旧1954北京坐标系（BJ54旧）。由于在全国的以GDZ80为基准的测绘成果建立之前，BJ54旧的测绘成果仍将存在较长时间，而BJ54旧与GDZ80之间差距较大，给成果的使用带来不便，因此建立BJ54新作为过渡坐标系。 38

16、3.3 国家大地坐标系l2000国家大地坐标系国家大地坐标系 由国家由国家GPS大地控制网、国家重力基本网及用常规大地测大地控制网、国家重力基本网及用常规大地测量技术建立的国家天文大地网联合平差获得的三维地心坐量技术建立的国家天文大地网联合平差获得的三维地心坐标系统。标系统。 四、时间系统四、时间系统u时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间：包含时刻和时间间隔两种意义u时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度（单位）和原点（起始历元），一般来说任（单位）和原点（起始历元），一般来说任何一个可观测的周期运动现象，只要满足：何一个可观测的周期运动现象，只要满足：连

17、续性，稳定性，复现性均可作为时间基准连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准Slide 394.1 4.1 常用的时间系统常用的时间系统u世界上现在通用的世界上现在通用的时间系统时间系统时什么？时什么？时间的单位尺度时间的单位尺度不同；不同；度量时间的时钟度量时间的时钟不同不同Slide 401 1、世界时系统、世界时系统世界时系统世界时系统恒星时恒星时春分点春分点太阳时太阳时太阳太阳根据天体的周日视运根据天体的周日视运动反映地球的自转；动反映地球的自转；平太阳时平太阳时平太阳平太阳Slide 41恒星时恒星时v恒星时选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。参照于遥远

18、星体的地球自转周期参考点：一个天体或天球上某个特殊点测站点子午圈参考点连续两次经过测站点子午圈的时间段Slide 42太阳时太阳时参照于太阳的地球自转周期v太阳时选取太阳作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。Slide 43平太阳时平太阳时v太阳时的问题太阳时的问题真太阳的周日视运动不均匀，并真太阳的周日视运动不均匀，并不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差可相差51秒；秒；v平太阳平太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。周年视运动平均速度

19、，且该点在赤道上作周年运动。v平太阳时平太阳时以平太阳的周日视运动为基础建立的以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。时间系统。Slide 44世界时世界时UTUT世界时世界时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时UTUT极移改正极移改正UT1UT1地球自转地球自转速度改正速度改正UT2UT2v长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；v季节性变化：大气层中的气团岁季节变化；v不规则变化：地球内部的物质运动；Slide 454.2 原子时系统原子时系统u1.随着科学技术的发展对时间系统准确度和稳定随着科学技术的发展对时间系统准确度和稳定度要求的不断提高，人们发现世界时系

20、统并不是度要求的不断提高，人们发现世界时系统并不是一个严格均匀的时间系统。一个严格均匀的时间系统。u2.物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频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，所以人们在率具有很高的稳定性，所以人们在20世纪世纪50年年代建立了以物质内部原子运动特征为基础的原子代建立了以物质内部原子运动特征为基础的原子时系统。时系统。4.2 4.2 原子时原子时ATIATIv原子时秒长原子时秒长位于海平面的铯位于海平面的铯133133原子基态两原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡91926317709192631770周所持续的时间，为一原子时秒。周所