坐标系介绍市公开课一等奖省名师优质课赛课一等奖课件

第三讲坐标系与坐标框架郭金运E-mail:jinyunguo1@126.comMobileffice:J6-453主要内容坐标系与坐标框架天球坐标系地球坐标系大地测量基准卫星坐标系轨道坐标系熊介.椭球大地测量学.北京：解放军出版社，1988朱华统.惯用大地坐标系及其变换.北京：解放军出版社，1990孔祥元，梅是义.控制测量学.武汉测绘科技大学出版社，1996张凤举等.控制测量学.北京：煤炭工业出版社，1999IERS、IGS、IAU、IAG、IVS、IDS、ILRS坐标系与坐标框架坐标系：由明确物理概念和严格数学模型来定义。坐标框架：由一组点坐标和速度来实现，是坐标系详细实现。FK4参考系是基于纽康姆理论中黄道、岁差和伍拉德章动来定义，而FK4参考架就是包含1535颗基本星FK4星表。ICRS参考系，它是由遥远河外射电源组成无旋转准惯性参考系，而这是由IERS分析全球VLBI观察所得到一组射电源坐标来实现，如RSC（WGRF）95R01。为了描述天体在空间运动，普通用以太阳系质心为原点天球参考架，如ICRF、依巴谷星表、FK5等。描述地面上点运动普通用以地球质心为原点地面参考架，如ITRF、NWL9D、GRS80等。在讨论天然卫星如月球，或人造卫星LAGEOSⅠ、Ⅱ等运动时能够在太阳系质心参考系BRS或地心参考系GRS中讨论，而天球参考架能够有运动学，也能够有动力学。伴随国家经济和国防需要，各国都有其自己大地测量坐标框架，如我国在20世纪70年代建立天文大地测量网，美国国防部（DMA）在开展DOPPLER观察基础上建立了NWL9D，法国空间中心MEDOC观察网，采取了MEDOC地面参考架。为了全球参考架统一，有GRS80和IERS在1987年建立BTS87，以后法国地理局依据各种技术给出了包含全球200个台站ITRF93、ITRF94等等系统1系统2TX(m)TY(m)TZ(m)D(m)R1(m)R2(m)R3(m)BTS87SSC(DMA)77D010.071-0.509-4.6660.58270.0179-0.0005-0.8073NWL9DWGS720.0000.0000.000-0.83000.00000.00000.2600WGS72WGS840.0000.0004.0000.21980.00000.00000.5540SSC(DM)77S01WGS840.0000.0004.500-0.60000.00000.00000.8140BTS87WGS840.071-0.509-0.166-0.01730.0179-0.00050.0067ITRF在地面上观察到物体或天体坐标是以观察者为中心点和面组成直角坐标或球面坐标。在研究银河系结构和运动，那么银道坐标更为优越，其点和面分别为北银极和银道面。在岁差和章动研究中经常使用黄道坐标，其点和面分别为北黄极和黄道物体和天体运动描述必须在质心坐标架和地心坐标架中进行，所以观察到坐标归算至地心和质心，需考虑光行差和视差影响。把地心坐标归算至质心坐标架，需要自转矩阵和极移；要从观察历元质心坐标化算至历元B1950或J，就要考虑岁差和章动。天球坐标系天球坐标系是用以描述自然天体和人造天体在空间位置或者方向一个坐标系。依据所选取坐标原点不一样可分为站心天球坐标系、地心天球坐标系和太阳系质心天球坐标系等。在经典天文学中，因为观察者至天体之间距离无法准确测定，只能准确测定其方向，因而总是将天体投影到天球上，然后再用一个球面坐标系来描述该天体在天球上位置及其运动情况。这种球面坐标系中，总是选取一个大圆作为基圈，该基圈极点称为基点。过基圈两个极点大圆皆与基圈垂直。选取其中一个圆作为主圈，其余大圆为副圈。主圈和基圈交点称为主点。过任一天体S副圈平面与主圈平面之间夹角称为经度，从球心至天体联线与基圈平面之间夹角称为纬度。纬度和经度就表示了天体位置球面坐标两个参数地平坐标系：地平圈作为基圈，以天顶作为基点，子午圈作为主圈，以南点（北点）作为主点，用高度角或者天顶距以及天文方位角表示天体方位。黄道坐标系：黄道作为基圈，以黄极作为基点，过春分点黄经圈作为主圈，以春分点作为主点，用黄经、黄纬来描述天体在空间方位。赤道坐标系：天球赤道作为基圈，以北天极作为基点，过春分点子午圈作为主圈，以春分点为主点。用赤经、赤纬描述天体方位。为了方便，有时还需要采取空间直角坐标系来表示天体在空间位置，采取空间直角坐标系方便于坐标系之间转换。当空间直角坐标系坐标原点位于天球球心，Z轴指向天球坐标系基点，X轴指向天球坐标系主点，并组成右手坐标系，空间直角坐标（X，Y，Z）和天球极坐标之间关系为天球坐标系与地球自转和地球围绕太阳公转相关，所以可分为天球赤道坐标系和天球黄道坐标系。任一天体位置，在天球坐标系中，即可用天球空间直角坐标系表示，也可用天球球面坐标系描述。上面定义天球赤道坐标系和天球黄道坐标系属于天球空间直角坐标系。瞬时天球赤道坐标系以瞬时北天极作为基点，以瞬时天球赤道作为基圈，以瞬时春分点作为主点，以过瞬时春分点和瞬时北天极子午圈作为主圈，建立天球坐标系就是瞬时天球赤道坐标系，是以天球极坐标表示天体位置。坐标原点位于天球中心，Z轴指向瞬时北天极，X轴指向瞬时春分点（真春分点），XYZ组成右手坐标系，是瞬时天球坐标系空间直角坐标形式。Z轴指向真北天极，X轴指向真春分点，XY平面是真天球赤道，所以瞬时天球赤道坐标系也称为真天球坐标系。平天球赤道坐标系平天球赤道坐标系是只顾及岁差而不顾及章动所建立天球坐标系。只考虑岁差而不考虑章动所得天极是平天极。平天球赤道坐标系中Z轴指向历元平天极，X轴和Y轴则位于与之对应平天球赤道面上，X轴指向平春分点，组成右手坐标系。因为章动，平天球坐标系中三个坐标轴指向依然在改变，所以这种坐标系也不宜用来表示天体最终位置和方位。协议天球坐标系为了建立一个全球统一、国际公认空间固定坐标系，IAU决定：采取J1950.0（JD2433282.5）平北天极作为协议天球坐标系基点，以该历元平天球赤道作为基圈，以J1950.0平春分点作为主点，以过该历元平天极和平春分点子午圈作为主圈，这么建立J1950.0平天球赤道坐标系作为协议天球坐标系，又称国际天球参考系（InternationalCelestialReferenceSystem，ICRS）。任一时刻观察结果需要进行岁差和章动更正，归算至协议天球坐标系后，才能在一个统一坐标系中进行比较。伴随时间推移，IAU又决定从1984年其ICRS改用J.0（JD2451545.0）平天球坐标系作为国际天球参考系，以降低岁差更正时时间间隔。协议天球坐标系国际大地测量学协会（IAG）和国际天文学联合会（IAU）决定，从1984年1月1日开始启用协议天球坐标系，其坐标轴指向由标准历元J赤道和春分点所定义。1991年，IAU决定建立新国际天球参考系（ICRS），并从1998年开始使用。ICRS原点为太阳系质心，坐标轴是由河外射电源定义，要求ICRS没有整体旋转，标准历元为J。ICRS实现称为国际天球参考框架（ICRF），由国际地球自转服务组织（IERS）和IAU参考框架工作组负责维持ICRF，主要技术是VLBI和LLR。协议天球坐标系与瞬时天球坐标系差异，在于由岁差和章动引发坐标轴指向不一样

式中，T为从J2000到时刻对应Julian世纪数;儒略历是公元前罗马皇帝儒略·凯撒所实施一个历法，一个儒略世纪有36525日，儒略日是从公元前47儒略历1月1日Greenwich平正午12点起算连续天数，J2000儒略日为＝2451545.0。岁差矩阵章动矩阵国际天球参考框架（InternationalCelestialReferenceFrame，ICRF）依据IAU1991年决议：ICRS是由IERS建立ICRF给予实现。依据坐标原点不一样，ICRS可分为BCRS和GCRS。BCRS坐标原点位于太阳系质心，GCRS原点位于地球质心。坐标轴指向是由VLBI所确定一组河外射电源在J2000.0天球赤道坐标来给予定义。该坐标框架稳定性是依据以下假设：河外类星体方位在长时间内保持足够稳定，无可见改变。FK5星表，依巴谷（Hipparcos）星表，Tycho，UCAC美国JPL采取切贝雪夫多项式形式来提供太阳系中11个天体精密星历，包含太阳、行星和月球。当前广泛采取是DE200和DE405。这两种星历有效时间为公元16至2170年。DE200采取J2000.0平天球坐标系，DE405采取ICRF。DE星历是依据各个天体运动方程经严格数值积分后求得。除考虑太阳、行星、月球万有引力之外，还考虑了部分小行星摄动力和相对论效应影响。站心天球坐标系坐标原点位于测站标石中心或者仪器中心天球坐标系称为站心天球坐标系，也称测站天球坐标系。对天体观察只能在地面测站或者卫星上进行，无法在地心或者太阳系质心上进行，所以地心天球坐标系或者日心天球坐标系中天体位置只能经过在测站上进行观察，然后再经过归算才能取得。依据距离不一样，上述归算工作普通可采取两种方法：对于距离遥远天体，可采取较为简单归心更正方法，即周日视差更正和周年视差更正。对于卫星等距离地球较近天体而言，通常采取坐标转换等较为严格方法进行归算。地球坐标系地球坐标系地球坐标系应该满足：相对于地球坐标系，地球只存在形变，不存在整体旋转和平移；相对于惯性系，地球坐标系只包含地球整体运动，即轨道运动和自转。所以，地球坐标系应该满足Tisserand条件，即参心坐标系参心坐标系坐标原点位于参考椭球中心，Z轴与地球自转轴平行，X轴和Y轴位于参考椭球赤道面上，其中X轴平行于起始天文子午面，Y轴垂直于X轴和Z轴，组成右手坐标系。地心坐标系地心坐标系原点位于地球（含大气和海洋等）质量中心，Z轴与地球自转轴重合，X轴和Y轴位于地球赤道面上，其中X轴指向经度零点，Y轴垂直于X和Z轴，组成右手坐标系。地球坐标系有地心直角坐标系和大地坐标系两种协议地球参考系和协议地球参考框架地球坐标系三个坐标轴在地球本体内指向是不停改变，从而将造成地面固定点坐标也不停变动。这是一个瞬时地球坐标，也称为真地球坐标系。显然，瞬时地球坐标系不宜用来表示地面点位置，应该选择一个不会伴随极移而改变坐标轴指向，并与地球固连坐标系来描述点位置及其速度。协议地球坐标系协议地球坐标系（CTS）应该满足:原点定义在整个地球质心（包含大气和海洋）；定向由采取某历元地球自转参数（ERP）确定；尺度定义为引力相对论下局部地球框架内尺度；相对于协议地球坐标系，地球无整体旋转和平移，即Tisserand条件。国际地球参考系和国际地球参考框架ITRS（InternationalTerrestrialReferenceSystem）和ITRF（InternationalTerrestrialReferenceFrame）是当前国际上精度最高、并被广泛应用协议地球参考系和参考框架。按照IUGG决议，ITRS是由IERS来负责定义，用VLBI、SLR、GPS、DORIS等空间大地测量技术给予实现和维持，ITRS详细实现称为ITRF。ITRF基准定义尺度：将VLBI和是由可靠SLR解加权平均值尺度与ITRF尺度之间尺度比和长度比变率均设为零。ITRF尺度是TT框架内尺度，而不采取TCG框架下尺度；原点：与历元1997.0ITRF定向一致，其速率与NNR-NUVEL-1A模型相同，符合无整体旋转条件。为了满足IERS定义，在确定ITRF定向及其变率时，采取了精度和稳定性都很好测站，满足以下条件：进行过最少三年连续观察；测站远离板块边界和形变区域；在ITRF联合解中站坐标改变率精度优于3mm/a；在三种不一样解中站坐标变率残差均小于3mm/a。ITRF基准ITRF基准定位以下：原点：在J.0历元ITRF原点及位置变率与ILRS时间序列给出值一致。尺度：在历元J.0ITRF尺度与IVS时间序列给出结果一致；定向：在J.0历元ITRF三个坐标轴指向及其变率与ITRF指向及其变率一致，但上述条件是由网中70个关键站来实现。ITRFITRF是采取空间大地测量技术VLBI，SLR，GPS和DORIS不一样年份观察数据进行重新处理后国际地球参考框架精化版本，ITRF由以下框架参数定义：1)原点：在历元ITRF.0，相对于ILRS和SLR时间序列平移及平移改变率为零；2)尺度：在历元ITRF.0，相对于VLBI和SLR时间序列平均尺度及尺度改变率为零；3)定向：在历元ITRF.0，ITRF相对于ITRF旋转参数和旋转速率为零。ITRF不一样版本之间坐标可采取7参数空间相同变换模型（Bursa模型）进行，公式为地面点在某一ITRFyy框架中坐标可表示为WGS84作为一个参考系，WGS84满足以下要求：坐标原点位于包含海洋和大气整个地球质量中心；尺度为广义相对论意义上局部地球框架中尺度；坐标轴指向随时间改变满足地壳无整体旋转条件。为了提升WGS84框架精度，美国国防制图局DMA利用全球定位系统和美国空军GPS卫星跟踪站观察资料，以及部分IGS站GPS观察资料进行了联合解算。解算时，将IGS站在ITRF框架中站坐标看成固定值，重新求得其余站点坐标，从而取得了更为准确WGS84框架。这个精化后框架称为WGS84（G730）。